توفير الطاقة في المحرك الكهربائي: من أين نبدأ في سلسلة الفواقد؟

مروحة شفط بقدرة 37 kW تعمل 6000 ساعة سنوياً وخانق مخرجها نصف مغلق. والموضوع المطروح في اجتماع ميزانية الصيانة هو ترقية المحرك من IE3 إلى IE4. وعند إجراء الحساب تصبح الصورة مثيرة للاهتمام: فتغيير فئة المحرك يوفّر بضعة آلاف من kWh سنوياً، بينما فتح الخانق وخفض سرعة المروحة وفق الحاجة قد يحقق على المحرك نفسه أكثر من عشرة أضعاف ذلك. ومعظم المنشآت الباحثة عن التوفير تبدأ بالمحرك؛ في حين أن الجزء الأكبر من الفواقد ينشأ أمام المحرك وخلفه.

ولذلك يجب التفكير في الطاقة كسلسلة: التغذية القادمة من الشبكة، والمحرك نفسه، وعناصر نقل القدرة، والآلة المدفوعة، وفي النهاية العمل المطلوب من الآلة. ولكل حلقة فقد بحجم مختلف وتكلفة إصلاح مختلفة. وفيما يلي نتناول هذه الحلقات بدءاً من الموضع الذي يوجد فيه عادةً أكبر مكسب.

القياس أولاً: كم يستهلك كل محرك؟

معرفة عدد المحركات في المنشأة شيء، ومعرفة أيها يشكّل الفاتورة شيء آخر. وقائمة بسيطة كافية للبداية: قدرة المحرك، وساعات التشغيل السنوية، وتيار التشغيل المقيس بالمقياس الكلّابي. ومقارنة تيار لوحة البيانات بالتيار المقيس تُظهر نسبة الحمل التقريبية للمحرك. وحاصل ضرب هذه المعلومات الثلاث يعطي تقريباً درجة أولوية: فمضخة حريق بقدرة 45 kW تعمل 300 ساعة سنوياً تنزل إلى آخر القائمة، بينما ترتفع مروحة برج بقدرة 11 kW تدور ثلاث ورديات إلى المراتب العليا.

القرارات المتخذة دون قياس تتجه عادةً إلى المحرك الظاهر: الأكبر أو الأعلى صوتاً أو الأقدم. أما عند إعداد القائمة فيتضح أن معظم الاستهلاك يأتي من عدد قليل من المضخات والمراوح والضواغط العاملة باستمرار. ولفهم نسبة الحمل الفعلية التي يعمل بها المحرك يمكنكم مراجعة مقال نسبة حمل المحرك والتحجيم الصحيح.

أكبر فقد في العمل نفسه: الخنق والتشغيل دون حمل والضغط الزائد

إذا كان التدفق يُضبط بخنق صمام المضخة أو بإغلاق خانق المروحة، فإن المحرك يواصل الدوران بالسرعة الكاملة ويتحول الضغط المنتج زيادةً إلى حرارة في الصمام. وفي المضخات والمراوح الطاردة المركزية تتغير القدرة تقريباً بمكعب السرعة. فخفض السرعة إلى 80% يُنزل القدرة اللازمة في الظروف المثالية إلى النصف تقريباً (0.8³ ≈ 0.51). وإذا كان في النظام ضغط ساكن مرتفع فتكون هذه النسبة أقل إيجابية، لكن المكسب يبقى كبيراً في معظم تطبيقات التهوية والتدوير.

لنعد إلى المروحة في البداية. لنفترض أنها تُخنق بالخانق في نصف السنة، أي 3000 ساعة، بينما يكفي 80% من التدفق. فالمروحة التي تسحب على العمود نحو 29.6 kW تحتاج نظرياً، عند خفضها إلى 80% من السرعة بمحول التردد، طاقة أقل بمقدار 3000 × 29.6 × 0.49 ≈ 43,500 kWh. وتخفض فواقد المشغل ومنحنى النظام هذا الرقم، لكنه يبقى أعلى بكثير من المكسب المتوقع من تغيير فئة المحرك. ويمكنكم إيجاد الجانب الحسابي للموضوع بالتفصيل في مقال VFD وقانون التشابه.

وتحت العنوان نفسه حالتان أخريان يُغفل عنهما:

• المحركات التي تدور دون حمل. فالناقل الذي يدور فارغاً أثناء الاستراحة، أو الخلاط الذي يعمل أثناء انتظار المنتج، أو الضاغط الذي يعمل دون حمل حين لا حاجة إلى الهواء، يواصل سحب القدرة للمغنطة والاحتكاك. والإيقاف بمؤقت أو بإشارة مستوى تصحيح لا يتطلب استثماراً في الغالب.
• الضبط الأعلى من اللازم. فبضعة bar زائدة في خط الهواء المضغوط، أو هدف حرارة لماء التبريد أدنى من الحاجة، يعني أن المحرك يعمل أطول وبحمل أكبر.

من المهم التمييز في أي حمل يفيد المشغل: ففي الأحمال ذات العزم الثابت مثل الناقل يخفض تقليل السرعة القدرة بالتناسب مع السرعة فقط، ولا تسري هنا قاعدة المكعب.

القدرة الضائعة بين المحرك والآلة

عناصر نقل القدرة مصادر فقد صامتة. فالسير V المرتخي ينزلق ويسخن، والسير المشدود أكثر من اللازم يحمّل المحامل. والوصلة المختلة المحاذاة تولّد احتكاكاً إضافياً وتآكلاً مبكراً للمحامل. وفي مخفضات السرعة الدودية تنخفض الكفاءة بشكل ملحوظ كلما كبرت النسبة؛ وقد يكون الفرق بين مخفض دودي عالي النسبة ومخفض حلزوني، في نظام دفع يعمل باستمرار، أكبر من فرق فئة المحرك. وعند اختيار مخفض السرعة يجب التحقق من قيمة الكفاءة في جدول الطراز إلى جانب النسبة.

ومن الفرص الأخرى في أنظمة الدفع بالسير ضبط السرعة بالبكرة. فإذا كانت المروحة تدور أسرع من الحاجة والتدفق لا يتغير أبداً، فقد يكون تصحيح نسبة البكرة حلاً أرخص من المشغل. وقد شرحنا الحساب بالأمثلة في مقال ضبط السرعة بالبكرة والسير.

الفقد الخاص بالمحرك: الفئة ونسبة الحمل وتاريخ الملفات

تُطرح في جانب المحرك ثلاثة أسئلة. الأول فئة الكفاءة. فوفق IEC 60034-30-1 يبلغ حد الكفاءة لمحرك رباعي الأقطاب بقدرة 37 kW ‏93.9% في IE3، و95.2% في IE4، و96.1% في IE5. وفي مروحة البداية، حيث يعطي المحرك على العمود نحو 29.6 kW، فإن استخدام IE4 بدلاً من IE3 يخفض القدرة المسحوبة من الشبكة بنحو 0.43 kW في حساب تقريبي بكفاءة الحمل الكامل؛ وعلى 6000 ساعة يعادل ذلك نحو 2600 kWh. وهو مكسب ذو معنى في محرك يعمل باستمرار، لكنه يبقى صغيراً بجانب الفرصة في جانب العملية. وقد حسبنا متى يُسترد الاستثمار بحسب ساعات التشغيل في مقال القرار بين IE3 وIE4.

السؤال الثاني نسبة الحمل. فكفاءة المحركات غير المتزامنة تسير بشكل مستوٍ تقريباً فوق نصف الحمل، أما عند الأحمال المنخفضة جداً فتنخفض بشكل ملحوظ ويسوء معامل القدرة أيضاً. وتصغير محرك كبير يعمل عند 30% من الحمل يحسّن الكفاءة وcos φ معاً؛ أما محاولة تصغير محرك يعمل عند 70% من الحمل فتجلب غالباً مخاطرة أكثر من المكسب.

السؤال الثالث تاريخ المحرك. فالمحرك الذي أعيد لفه عدة مرات، وسُخّنت صفائحه بإفراط أثناء اللف، قد تكون فواقده قد ازدادت. ولإدخال جانب الطاقة في قرار إعادة لف المحرك المعطل من عدمه يقدم مقال إعادة اللف أم محرك جديد التوجيه.

جودة التغذية والقدرة غير الفعالة

الكفاءة على لوحة بيانات المحرك تخص حالة تغذيته بجهد متوازن وبالقيمة الاسمية. فعدم التوازن الصغير في الجهد بين الأطوار يولّد عدم توازن في التيار أكبر بعدة أضعاف ويولّد حرارة إضافية في الملف. كما أن الجهد الأدنى بشكل ملحوظ من القيمة الاسمية يزيد التيار. والتوصيلات المرتخية في اللوحة وأطراف الملامسات الساخنة تحدث الأثر نفسه موضعياً؛ ويكشفها مسح اللوحة بالكاميرا الحرارية مرة في السنة.

كثيراً ما يُقدَّم تحسين معامل القدرة كبند توفير، لكن يجب التمييز بشكل صحيح. فالتعويض يخفض غرامات الطاقة غير الفعالة والتيار في الكابلات؛ لكنه لا يغيّر الطاقة الفعالة التي يستهلكها المحرك للعمل الذي يؤديه على العمود. فينخفض بند الطاقة غير الفعالة في الفاتورة، ويبقى استهلاك المحرك بالـ kWh كما هو.

جعل المكاسب دائمة

يعود جزء من التصحيحات المنجزة مع الوقت: فيُخنق الصمام مجدداً، ويُعطَّل المؤقت، ولا يُفحص شد السير. وكإجراء وقائي فإن قياس تيار المحركات في قائمة الأولوية كل ثلاثة أشهر من النقطة نفسها وتسجيله يُظهر التغيرات مبكراً. ويجب أيضاً وضع قاعدة للمحرك الذي سيُركّب عند العطل: ففي تطبيق يعمل باستمرار، بدلاً من تركيب أي محرك يأتي من المستودع، فإن تحديد المحرك الاحتياطي مسبقاً من حيث فئة الكفاءة والقدرة يخفض استهلاك السنوات اللاحقة منذ البداية.

الخلاصة

الترتيب مهم في حساب الطاقة. فأولاً يُقاس أي المحركات يشكّل الفاتورة، ثم يُسأل ما إذا كان العمل المطلوب من الآلة ضرورياً فعلاً، ثم تُفحص عناصر النقل والتغذية؛ وفئة كفاءة المحرك هي الحلقة الأخيرة لكنها الدائمة في هذه السلسلة. وإذا كنتم تدرسون الانتقال إلى فئة كفاءة أعلى في محركات المضخات والمراوح والضواغط العاملة باستمرار، فيمكنكم الاطلاع على الخيارات في صفحة المحركات الكهربائية عالية الكفاءة IE4، وتقييم تطبيقكم مع فريقنا الفني.

الأسئلة الشائعة

بأي محرك يجب أن أبدأ عمل التوفير؟

ابدؤوا بالمحركات ذات القدرة وساعات التشغيل السنوية ونسبة الحمل المقيسة الأعلى. وعادةً تتصدر القائمة المضخات والمراوح والضواغط العاملة باستمرار؛ أما المحركات الكبيرة التي تعمل نادراً فتعطي مكسباً أقل من المتوقع.

هل يوفّر تركيب محول تردد على كل محرك الطاقة؟

لا. فالمشغل يحقق مكسباً في التطبيقات التي يتغير فيها التدفق أو السرعة فعلاً، ولا سيما في المضخات والمراوح الطاردة المركزية. وفي محرك يجب أن يعمل باستمرار بالسرعة الكاملة يضيف المشغل فواقده الخاصة وقد يزيد الاستهلاك قليلاً.

هل يخفض التعويض استهلاك المحرك؟

يخفض التعويض قيمة الطاقة غير الفعالة وتيار الكابلات، لكنه لا يغيّر استهلاك المحرك للطاقة الفعالة. فينخفض بند الطاقة غير الفعالة في الفاتورة؛ ويبقى الـ kWh المقابل للعمل الذي يؤديه المحرك على العمود كما هو.

هل من المنطقي استبدال محرك IE3 يعمل بمحرك IE4؟

استبدال محرك يعمل دون أعطال لأجل فئة الكفاءة فقط لا يُسترد سريعاً إلا عند ساعات تشغيل مرتفعة جداً. وفي معظم المنشآت يكون الطريق الأكثر عملية إدخال المحرك عالي الكفاءة عند العطل أو عند التجديد المخطط.