التركيبات الكهربائية في أنظمة الضاغط

اختيار المحرك المناسب للضاغط هو أمر أساسي للحرص على عمل النظام بأكثر قدر من الكفاءة والفعالية.

ومن شأن ذلك أن يقلل خطر حدوث عطل ميكانيكي ويسمح بتجنب عمليات الإصلاح وأوقات التعطل المكلفة. كلما طال عمر المحرك وفترة عمله، تم توفير مزيد من الأموال.

بالنسبة إلى عمليات تشغيل ضاغط الهواء، يتم استخدام محركات حثية ذات قفص سنجابي ثلاثية الأطوار بشكل عام. والمحركات منخفضة الجهد مثالية للطاقة التي تتراوح بين 450 و500 كيلو واط، في ما تكون المحركات عالية الجهد أفضل لمعدلات الطاقة الأعلى. 

يتم عادةً تبريد المحرك من خلال مروحة ويكون مخصصًا للعمل في درجات حرارة تصل إلى 40 درجة مئوية وعلى ارتفاع 1000 متر. توفر بعض الجهات المصنعة محركات قياسية تستطيع العمل في درجة حرارة محيطة قصوى تبلغ 46 درجة مئوية. وعند تحديد أبعاد تركيبات الضواغط عند ارتفاعات أعلى أو درجات حرارة أعلى، يجب خفض الخرج عن القيمة المقدَّرة. 

يتم تركيب المحرك عادةً على شفة ويتم توصيله مباشرةً بالضاغط. ويتم تكييف السرعة وفقًا لنوع الضاغط، ولكن من الناحية العملية، يتم ذلك مع المحركات ذات القطبين أو 4 أقطاب مع سرعات خاصة تبلغ 3000 دورة في الدقيقة. كما يتم أيضًا تحديد خرج المحرك المقدَّر (عند سرعة 1500 دورة في الدقيقة).

يمكن أن يؤدي استخدام محرك أكبر مما يجب إلى 

• ارتفاع التكاليف 

• واستهلاك تيار مرتفع بشكل غير ضروري لبدء التشغيل، 

• واستخدام منصهرات أكبر 

• ومعامل طاقة منخفض 

• ومستويات كفاءة مخفضة. 

بالمقابل، قد يؤدي استخدام محرك أصغر مما يجب بالنسبة إلى التركيب إلى

• حدوث حمل زائد
• وخطر حدوث أعطال.

تساعد عملية مطابقة خرج المحرك مع متطلبات الضاغط في تجنب حدوث مشكلات محتملة وتضمن أن يعمل المحرك على أفضل وجه. وهذا الأمر مفيد لكلٍّ من المحرك والضاغط، بما أنه يساعدهما في الاستمرار في العمل لفترة طويلة من الوقت وبمزيد من الكفاءة.

فئة حماية المحرك هي مقياس لمدى قدرة المحرك على تحمل الغبار والماء. يتم تنظيم فئة حماية المحرك وفقًا للمعايير. 

وتجدر الإشارة إلى أن المحركات المفتوحة ليست مثالية للاستخدام مع الضواغط، وذلك لأنها لا توفر حماية كافية من الغبار والماء. على سبيل المثال، سيكون محرك IP23 قادرًا على مقاومة رشات الماء أو الرذاذ الخفيف، لكنه سيتعطل إذا تم غمره بالكامل في السوائل.

يُفضل استخدام تصميم مقاوم للغبار ونفث الماء (IP55) على المحركات المفتوحة (IP23) التي قد تتطلب تفكيكًا وتنظيفًا منتظمين.

وفي حالات أخرى، تتسبب ترسبات الغبار في الماكينة في النهاية في زيادة السخونة، ما يؤدي إلى قصر فترة الخدمة. ونظرًا إلى أن حاوية حزمة الضاغط توفر كذلك حماية من الأتربة والماء، يمكن أيضًا استخدام فئة حماية أدنى من IP55.

من الضروري أيضًا أخذ طريقة بدء التشغيل في الحسبان عند اختيار المحرك، فبالنسبة إلى بدء التشغيل على هيئة تكوين نجمي/دلتا، يتم بدء تشغيل المحرك فقط بمقدار ثلث العزم العادي. ومن ثَمَّ، قد تفيد المقارنة بين منحنيات عزم المحرك والضاغط للحرص على عمليات بدء تشغيل مناسبة للضاغط.

من طرق بدء التشغيل الأكثر شيوعًا بدء التشغيل المباشر وبدء التشغيل النجمي/دلتا وبدء التشغيل الناعم.

• يتميز بدء التشغيل المباشر بالبساطة، ولكنه يتسبب في تيار بدء تشغيل وعزم دوران مرتفعين قد يلحقان ضررًا بالمحرك. 

• أما بدء التشغيل النجمي/دلتا فيحد تيار بدء التشغيل ويتكوَّن من ثلاثة مفاتيح تلامس وحماية من الحمل الزائد ومؤقِّت يبدأ تشغيل المحرك من توصيل نجمي وينقله إلى توصيل دلتا. 

• وبدء التشغيل الناعم هو طريقة بدء تشغيل متدرجة تستخدم مفاتيح أشباه موصلات للحد من تيار بدء التشغيل. 

بدء التشغيل المباشر هو طريقة بسيطة تتطلب فقط مفتاح تلامس وحماية من الحمل الزائد. ويتمثل عيب هذه الطريقة في تيار بدء التشغيل العالي الذي يزيد على التيار المقدَّر للمحرك بمقدار 6-10 مرات وعزم بدء تشغيله المرتفع الذي قد يؤدي، على سبيل المثال، إلى الإضرار بالأعمدة والقارنات.

يتم استخدام بدء التشغيل النجمي/دلتا للحد من تيار بدء التشغيل. ويتكوّن بادئ التشغيل من ثلاثة مفاتيح تلامس وحماية من الحمل الزائد ومؤقّت.

يتم بدء تشغيل المحرك بتوصيل نجمي وبعد وقت معين (عندما تصل السرعة إلى 90% من السرعة المقدَّرة)، يقوم المؤقت بتبديل مفاتيح التلامس بحيث يتم توصيل المحرك بطريقة دلتا، وهو وضع التشغيل. 

يقلل بدء التشغيل النجمي/دلتا تيار بدء التشغيل إلى الثلث تقريبًا مقارنةً ببدء التشغيل المباشر. ومع ذلك وفي الوقت نفسه، ينخفض كذلك عزم بدء التشغيل إلى الثلث.

ويعني عزم بدء التشغيل المنخفض نسبيًا أن حمل المحرك يجب أن يكون منخفضًا في أثناء مرحلة بدء التشغيل لكي يصل المحرك فعليًا إلى السرعة المقدَّرة له قبل التبديل إلى التوصيل دلتا.

إذا كانت السرعة منخفضة للغاية، فسيتم إنشاء ذروة تيار/ عزم كبيرة كما هو الحال مع بدء التشغيل المباشر عند التبديل إلى التوصيل دلتا.

يمثل بدء التشغيل الناعم (أو البدء التدريجي)، الذي يمكن أن يكون طريقة بدء تشغيل بديلة عن بدء التشغيل النجمي/دلتا، بادئ تشغيل مكونًا من أشباه الموصلات (مفاتيح الطاقة من نوع IGBT) بدلاً من مفاتيح التلامس الميكانيكية. يكون بدء التشغيل تدريجيًا ويقتصر تيار البدء على ثلاثة أضعاف التيار المقدَّر تقريبًا. 

تكون بادئات التشغيل الخاصة ببدء التشغيل المباشر وبدء التشغيل النجمي/دلتا، في معظم الحالات، مدمجة في الضاغط.

وبالنسبة إلى معمل الضاغط الكبير، يمكن وضع الوحدات بشكل منفصل في طقم المفاتيح الكهربائية بسبب:

• متطلبات المساحة
• وتطوير الحرارة
• والوصول إلى الخدمة.

(يمكنك الحصول على مزيد من المعلومات حول كيفية إنشاء ظروف العمل المثالية في غرفة الضاغط لديك.)

تجدر الإشارة إلى أن بادئ تشغيل المستخدم مع بدء التشغيل الناعم يتم وضعه عادةً في موضع منفصل بجانب الضاغط بسبب إشعاع الحرارة، ولكن يمكن دمجه داخل حزمة الضاغط بشرط أن يتم تأمين نظام التبريد بشكل صحيح. توجد معدات بدء التشغيل الخاصة بالضواغط المشغّلة بجهد عالٍ دائمًا في خزانة كهربائية منفصلة.

وفقًا لأحكام المعيار، يجب أن "يتم تحديد أبعاد الكابلات بحيث لا تتعرّض في أثناء عمليات التشغيل العادية لدرجات حرارة مفرطة وحتى لا تتعرض للتلف حراريًّا أو ميكانيكيًّا بسبب دائرة قصر كهربائية".

لاختيار الكابلات المناسبة لكل مهمة، عليك أخذ العوامل الآتية في الحسبان:

• الحمل
• وانخفاض الجهد المسموح به
• وطريقة التوجيه (على حامل أو جدار أو ما إلى ذلك)
• ودرجة الحرارة المحيطة.

يمكن أيضًا استخدام المنصهرات لحماية الكابلات من دوائر القصر الكهربائي والأحمال الزائدة.

عند استخدام المحركات، تحتاج إلى نوعين من الحماية. حماية دوائر القصر الكهربائي، مثل المنصهرات، لمنع حدوث قصر كهربائي خطير. في ما تُستخدم وحدات الحماية من الحمل الزائد، التي عادةً ما تكون وحدات حماية المحرك المدمجة في بادئ التشغيل، لإعتاق بادئ التشغيل وقطعه إذا تجاوز الحمل قيمة معيّنة. ويسمح ذلك بحماية المحرك وكابلاته.

تحمي وحدات الحماية من دائرة القصر بادئ التشغيل ووحدات الحماية من الحمل الزائد والكابلات. لاختيار مقاس الكابلات الصحيح، يمكنك الرجوع إلى المعيار IEC 60364-5-52. 

ولكن يوجد عامل مهم آخر هو: "شرط الإعتاق". ويدل هذا الشرط على أن التركيبات يجب تصميمها بحيث تتسبب دائرة الحماية في قطع سريع وآمن للتيار. وللتأكد من تحقيق ذلك الشرط، تحتاج إلى مراعاة طول الكابل والمقطع العرضي والحماية من دائرة القصر الكهربائية.

قد تتضمن وحدة الحماية من دائرة القصر، التي يتم وضعها على إحدى نقاط بدء تشغيل الكابلات، منصهرات أو قاطع دائرة كهربائية. ويوفر كل خيار مستوى ملائمًا من الحماية، نظرًا إلى أن الحل الذي تختاره يتطابق جيدًا مع النظام. 

تعمل المنصهرات بشكل أفضل مع وحدات الحماية من دائرة القصر، لكنها لا تنشئ قاطعًا كامل العزل وتحتاج إلى فترات إعتاق طويلة للأعطال الصغيرة. أما قواطع الدائرة الكهربائية فتنشئ قاطعًا كامل العزل وسريعًا، حتى عند حدوث أعطال صغيرة، لكنها تتطلب مزيدًا من التخطيط. ولا يعتمد تحديد أبعاد وحدة الحماية من دائرة القصر على الحمل المتوقّع فحسب، بل أيضًا على حدود وحدة بادئ التشغيل.

للحماية من دائرة قصر بادئ التشغيل، يمكنك الاطلاع على معيار IEC (اللجنة الفنية الكهربائية الدولية) ‎60947-4-1 من النوع 1 &والنوع 2.

يعتمد اختيار النوع 1 أو النوع 2 على كيفية تأثير دائرة القصر في بادئ التشغيل. 

النوع 1: "... في حالات دائرة القصر، لن يتسبب مفتاح التلامس أو بادئ التشغيل في حدوث أي خطر على الأشخاص أو التركيبات وقد لا يكونان ملائمين لإجراء مزيد من الخدمات من دون صيانة القطع واستبدالها." 

النوع 2: "... في حالات دائرة القصر، لن يتسبب مفتاح التلامس أو بادئ التشغيل في تعرض الأشخاص أو التركيبات لأي خطر وسيكونان مناسبين لمزيد من الاستخدام. يتم رصد خطر اللحام الخفيف لمفاتيح التلامس، في هذه الحالة ستشير الشركة المصنعة إلى إجراءات الصيانة ..."

تستهلك المحركات الكهربائية كلاً من القدرة الفعّالة (التي تتحول إلى قدرة ميكانيكية) والقدرة غير الفعالة (التي تؤدي إلى مغنطة المحرك). تتسبب القدرة غير الفعالة في حمل على الكابلات والمحوّل. ويحدد معامل الطاقة المساوي لجيب التمام φ العلاقة بين القدرتين وتتراوح قيمتها عادةً بين 0,7 و0,9، وتكون القيمة الأدنى في المحركات الأصغر حجمًا.

يمكنك رفع معامل القدرة إلى 1 فعليًا من خلال توليد القدرة غير الفعالة بواسطة الماكينة مباشرةً باستخدام مكثف الكهرباء. وهذا يعني أنك لست بحاجة إلى سحب مقدار القدرة غير الفعالة نفسه من مصدر الكهرباء الرئيسي. ويكمن السبب وراء القيام بذلك في تجنب تحمل التكاليف الإضافية من مزوّد الطاقة مقابل سحب قدرة غير فعالة تتعدى المستوى المحدد سابقًا. ومن شأن ذلك المساعدة أيضًا في تخفيف الحمل بشكل ملحوظ عن المحولات والكابلات المستخدمة.

من خلال أخذ هذه العوامل في الحسبان، يمكنك إنشاء نظام كهربائي يعمل جيدًا ويعزز أداء الضاغط وعمره الافتراضي إلى أقصى حد.

تعرّف على المزيد عن تركيب نظام الضاغط أدناه.