ما التأثيرات السلبية التي تُحدثها عمليات التشغيل والإيقاف المتكررة على محرك المغناطيس الدائم (PMSM) أثناء التشغيل الصناعي؟

يمكن أن يكون المحرّك المغناطيسي الدائم (PMSM) خياراً فعّالاً ودقيقاً لمعدات الصناعية، لكنه ليس غير متأثرٍ بدورة تشغيله. فمثلاً، ناقل حركة يتحرك على فترات قصيرة كل بضع ثوانٍ، أو مضخّة تستجيب مراراً لتحكم في المستوى، أو مروحة ذات quánertia عالية تُشغَّل وتُوقَف استجابةً لمتطلبات العملية — كلّ ذلك قد يُسبّب إجهاداً أكبر بكثيرٍ مما تشير إليه القيمة المذكورة على لوحة المواصفات. والسؤال الجوهري ليس مجرّد ما إذا كان المحرّك قادرًا على البدء، بل ما إذا كان المحرّك، والعكس، والحمل، ونظام التبريد، ومنطق التحكّم قادرين على تكرار نمط التشغيل والإيقاف هذا دون تراكم الحرارة أو صدمات العزم أو الإجهاد الكهربائي.

بصفتي مهندسًا أقيّم تشكيلات المحركات ذات المغناطيس الدائم، فإنني أبدأ بملف الحمل الفعلي: عدد مرات التشغيل في الساعة، ووقت التسارع، والقصور الذاتي المنعكس، وطريقة الإيقاف، ودرجة حرارة الجو المحيط، ووقت الراحة. وهذا أكثر فائدة من معاملة محرك المغناطيس الدائم (PMSM) كمكونٍ ذي تصنيف قدرة ثابت. فقد يعمل محرك التزامن ذو المغناطيس الدائم (PM Synchronous Motor) بسلاسة في الخدمة المستمرة، لكنه قد يتطلّب مراجعة تصميم مختلفة في الخدمة الصناعية الدورية.

لماذا تُعد خدمة التشغيل-الإيقاف أكثر إرهاقًا مما تبدو عليه

في كل مرة تشغّل فيها المحرك، يطلب النظام من المحرك أن يولّد التيار والعزم بسرعة كافية للتغلب على الاحتكاك الساكن، وحمل العملية، والقصور الذاتي الدوراني. وفي كل مرة تُوقف فيها المحرك، يطلب النظام من النظام التخلّص من الطاقة الحركية، إما بالسماح للحمولة بالانطلاق الحر، أو التحكم في عملية الإبطاء، أو التعامل مع الطاقة التوليدية العكسية. وعندما تتكرّر هذه السلسلة قبل أن تتبدّد الحرارة الناتجة عن الدورة السابقة من الجهاز، تصبح دورة التشغيل هي الشرط الحاكم.

الإجابة المختصرة هي أنَّ كل بدء تشغيل متكرر لا يُلحق الضرر بمحرك التزامن ذو المغناطيس الدائم (PMSM). وبصورة أدق، تصبح عمليات البدء المتكررة ضارةً عندما تكون الهوامش الحرارية وعزم الدوران والجهد صغيرة جدًّا بالنسبة إلى الدورة الفعلية. ولذلك، يجب تقييم محرك التزامن ذو المغناطيس الدائم (PMSM) مع محرك التردد المتغير المرتبط به، وإعدادات الحماية، وعلبة التروس أو الوصلات، والمعدات التي يُدار بها.

١. ارتفاع قمم التيار وزيادة الحرارة في المحرك ومحرك التردد المتغير

يتطلَّب التسارع عزم دوران، ويتطلَّب عزم الدوران تيارًا كهربائيًّا. وحتى عند استخدام محول مُتحكَّمٍ بشكل سليم، فإن التسارع المتكرر يزيد من الفقد النحاسي في لفات الجزء الثابت، والفقد الناتج عن التبديل والتوصيل في محرك التردد المتغير. وإذا كانت عمليات البدء متقاربة جدًّا، فقد ترتفع درجات حرارة اللَّفات ومحول التردد المتغير وخزائن التوزيع تدريجيًّا بسبب عدم كفاية الوقت الذي تقضيه الأحمال المنخفضة للتمكُّن من التبريد.

يهم هذا لأن عمر العزل والموثوقية الإلكترونية يتأثران بالحرارة. وينبغي أن يأخذ النموذج الحراري في الاعتبار الدورة الكاملة، وليس فقط التيار التشغيلي بعد أن تصل الماكينة إلى السرعة المطلوبة. كما أن إرشادات حماية المحركات الصناعية تُعامل عدد مرات التشغيل المسموح بها وزمن التبريد باعتبارهما قرارات مرتبطة بنوع المهمة، وليست أرقامًا عامة تنطبق على جميع الحالات. وإذا كان التهوية مرتبطة بسرعة العمود، فقد يكون التبريد أضعف ما يكون بالضبط أثناء عمليات التسارع والإبطاء المتكررة عند السرعات المنخفضة.

وبالنسبة لـ المغناطيسي الدائم (PMSM) أكد حد التيار الخاص بالمحرك الكهربائي، وقدرة المحرك الحرارية لفترات قصيرة، وترتيب التبريد الخاص بالغلاف، ودرجة الحرارة المحيطة بالمحرك والمبدّل. فإذا كانت درجة الحرارة في الموقع أعلى من الدرجة المفترضة، فقد يكون الهامش الحراري المتاح أقل مما توحي به مقارنة بسيطة مع القيم المدونة على اللوحة الإرشادية.

٢. يمكن للتغيرات الحرارية المتكررة أن تُسهم في تقدم عمر العزل والوصلات

لا يؤدي التشغيل المتكرر بالتشغيل والإيقاف إلى رفع متوسط درجة الحرارة فحسب، بل يؤدي أيضًا إلى تمدد المواد وتقلُّصها بشكل متكرر. وتتعرَّض عزل المُحرِّك الثابت، واللفات الطرفية للملف، والطرفيات، ووصلات اللحام، وموصلات الكابلات، ومكونات المحرك لدورات حرارية. وبمرور الوقت، قد ترتخي الوصلات الضعيفة أو تزداد مقاومتها، ما يؤدي بدوره إلى ارتفاع حراري محلي إضافي.

والنتيجة العملية في أغلب الأحيان هي مشكلة صيانة تظهر قبل أن تحدث عطلٌ واضحٌ في المحرك: إنذارات ارتفاع حرارة متقطعة، أو عدم توازن غير مفسَّر في التيار، أو تغيُّر لون الطرفيات، أو انقطاعات غير مبرَّرة بعد تغيير في العملية. ويستفيد محرك التزامن بالمغناطيس الدائم المستخدم في تطبيقات ذات دورات تشغيل عالية من عمليات فحص دورية لعزم شد الوصلات، وحالة العزل، ومسارات التبريد، وبيانات اتجاهات درجات الحرارة، بدلًا من الاعتماد فقط على إنذارات الأعطال.

٣. يمكن أن تُجهد الاضطرابات العزمية سلسلة العمود والتجهيزات المرتبطة بالعملية.

العزم الابتدائي العالي مفيد، لكن العزم المفاجئ قد يكون ضارًّا. ويمكن أن تُسبِّب عمليات التسارع والتوقف المتكرِّرة صدمةً في الوصلات والمحورَين والمعدات الميكانيكية الأخرى مثل علب التروس والسيور والسلسلة ومحور المضخة والعملية التي تُدار بالمحرك. كما أن وجود فراغ دوراني (Backlash) أو اهتزاز لويّ (Torsional resonance) أو حملٍ يلتصق قبل أن ينفصل فجأةً قد يجعل التأثير الميكانيكي أكبر مما توحي به الظاهرة الكهربائية وحدها.

هنا حيث يصبح تقييم المغناطيسي الدائم (PMSM) بمعزلٍ عن باقي النظام مضلِّلاً. فقد يكون حجم المحرك مناسبًا تمامًا، بينما لا تكون الوصلة أو المعدات المرتبطة بالعملية جاهزةً لتحمل منحنى العزم. ويمكن لمنحنى التسارع والتوقف على شكل حرف S المتحكَّم فيه أن يقلِّل الصدمة، لكنه لا يزال يجب أن يستوفي متطلبات الإنتاج. ويجب على المشغِّلين أيضًا التمييز بين إيقافٍ تحكُّميٍّ وإيقافٍ طارئٍ؛ إذ قد يولِّد هذا الأخير حدثًا ميكانيكيًّا مختلفًا تمامًا.

٤. تزداد مخاطر المغناطيس والدوار عندما تتضافر الحرارة والمجالات المُزيلة للمغناطيسية.

لا تفقد المغناطيسات الدائمة عادةً قدرتها التشغيلية لمجرد كثرة تشغيل المحرك. أما المشكلة فتنشأ عندما ترتفع درجة حرارة الدوار وتتدهور الظروف المغناطيسية، مما يقلل الهامش التصميمي. وقد أظهرت الأبحاث المتعلقة بتشغيل محركات المغناطيس الدائم أن فقدان المغنطة بشكل لا رجعة فيه قد يشكل خطرًا يعتمد على الظروف في بعض التصاميم. ولذلك، من الضروري التحقق من الهامش مع الشركة المصنِّعة ومورد وحدة القيادة، وليس افتراض أن كل محرك PMSM سيتعرض لفقدان المغنطة.

ما يهم بعد إضعاف المغنطة جزئيًّا هو ما يلي: قد تنخفض القدرة على توليد العزم، وقد تزداد متطلبات التيار لنفس الحمل، وقد تتفاقم الحرارة. ولدورات التشغيل الشاقة، اسأل كيف تم تقييم محرك المغناطيس الدائم (PMSM) فيما يخص التشغيل تحت حمل زائد، أو في وضع إضعاف المجال المغناطيسي، أو في حالات التوقف التام أو شبه التام، أو عند ارتفاع درجة حرارة البيئة المحيطة. ويجب أن تكون الإجابة مُفصَّلة ومرتبطة بالمحرك والتطبيق المحددين، لا مجرد وعود عامة.

٥. ارتفاع جهد الحافلة المستمرة (DC-Bus) والإجهاد الواقع على العاكس أثناء التباطؤ

إيقاف حملٍ دوارٍ لا يؤدي إلى اختفاء الطاقة المخزَّنة فيه. وفي حالة حملٍ عالي العطالة، يمكن أن تُعيد عملية الإبطاء المتحكَّم بها الطاقة إلى حافلة التيار المستمر. وإذا عجز المحرك عن امتصاص هذه الطاقة أو إعادة استخدامها أو تبدديها، فقد ينفصل تلقائيًّا بسبب فرط الجهد. وانقطاعات التشغيل المتكرِّرة تُعطِّل الإنتاج، وقد تدفع المشغِّلين أحيانًا إلى إطالة أوقات الانتقال دون التحقُّق مما إذا كانت هذه التغييرات تفي بالمتطلبات العملية.

راجع وضع الإيقاف مبكرًا: الإيقاف الحرّ، أو الانخفاض المتحكَّم به، أو الوحدة التوليدية العكسية، أو مقاومة الفرملة. ويتحدد الخيار الأنسب تبعًا لقيمة العطالة، وتكرار الدورة، وزمن الإبطاء، وقدرة النظام على إدارة الطاقة المرتدة. ويمكن لمotor مغناطيسي دائم (PMSM) أن يتطابق جيِّدًا مع الحمل، بينما تظل ترتيبات الفرملة في العاكس غير كافية.

٦. انقطاعات أكثر، وتوافر أقل، وتحليل أصعب للسبب الجذري

عندما تتداخل التأثيرات الحرارية والميكانيكية وتأثيرات حافلة التيار المستمر، فقد تبدو الأعراض غير مرتبطة ببعضها. فقد يُظهر جهازٌ واحدٌ قطعَ التشغيل بسبب الحمل الزائد بعد عدة دورات؛ بينما يُظهر جهازٌ آخر إنذار درجة الحرارة فقط في فصل الصيف؛ أما الثالث فيُسبب تآكلًا في الوصلات دون وجود عطل في المحرك. وهذا يجعل تشخيص فقدان التوافر مكلفًا، لأن الفشل غالبًا ما يعتمد على تسلسل الأحداث لا على قياس ثابت واحد في حالة الاستقرار.

بدلاً من رفع حدود الحماية، سجّل عدد عمليات التشغيل في الساعة، ومدة كل تشغيل، وأعلى قيمة للتيار، ودرجة حرارة لفائف المحرك أو هيكله، والأحداث المتعلقة بحافلة التيار المستمر، ورموز القطع. ثم قارن هذه القيم بين فترات الإنتاج العادية وفترات الإنتاج الصعبة. وفي الواقع، يصبح النمط أوضح عندما تُنظر إلى بيانات التشغيل على أنها دورة واحدة، وليس كصور منفصلة معزولة.

ميزة التخصيص الخاصة بشركة ENNENG

لا تتشابه أي منشأتين صناعيتين من حيث القيود المكانية أو الميكانيكية. تتميّز شركة ENNENG بأنها لا تقتصر على توريد منتجات جاهزة من الكتالوجات؛ بل إن تخصصها يكمن في توصيل محرّك مغناطيسي دائم مُصمَّم خصيصًا مُصمَّم خصيصًا لتطبيقك المحدَّد.

يدعم عملنا فريق بحثٍ وتطويرٍ رائدٌ يضم مهندسين من المركز الوطني لهندسة المغناطيسات الدائمة المستخلصة من العناصر الأرضية النادرة، ونمتلك عشرات البراءات. ونقدِّم حلولًا مخصصةً للجهود العالية (٦ كيلوفولت‏/١٠ كيلوفولت) والجهود المنخفضة (٣٨٠ فولت‏/٦٦٠ فولت‏/١١٤٠ فولت) لتتناسب مع البنية التحتية القائمة لديك. فسواء أكانت محطات معالجة المياه أو آبار النفط أو البيئات التعدينية المقاومة للانفجارات، فإننا نضمن الأداء الأمثل في الحالات التي تفشل فيها المحركات العامة الغرض.

إذا كنت تقيّم محركات المغناطيس الدائم التجارية للبيع وتحتاج إلى حل محرك مهندس يضمن الكفاءة والمتانة، فإن شركة إينينج شريكك الموثوق به. اتصل بشركة إينينج اليوم .تحدث إلى فريقنا الهندسي التقني لتتلقى اقتراحًا مخصصًا للنظام المحرك.

• واتساب: +٨٦ ١٨٥٦٢٧٨٠٢٢٨
• البريد الإلكتروني:  [email protected]
• هاتف:  +86 532 66000559