مفهوم Duty Cycle یا چرخه کاری موتور آسانسور یا دوره کاری

یونس نجف نیا، کابین نیوز – شاید تاکنون متوجه درج دو توان بر روی پلاک برخی موتورهای آسانسور شده باشید و یا ممکن است در پلاک برخی از موتورهای آسانسور و پله برقی آیتم “Duty” را دیده باشید. Duty Cycle که به اختصار بر روی پلاک‌های موتور آسانسور و پله برقی “Duty” نوشته می‌شود همان چرخه کاری موتور آسانسور یا دوره کاری آن است. برای آشنایی کامل با مفهوم Duty Cycle یا چرخه کاری موتور آسانسور تا پایان این مقاله همراه ما باشید.

مفهوم “Duty” چیست و درج دو توان به چه معناست؟

موتورهای الکتریکی دارای کاربردهای زیادی هستند که عموما این تنوع کاربرد به عوامل زیر بستگی دارد.

• دمای محیط
• مدت کارکرد
• شرایط و رفتار بار
• محدودیت‌های نصب و تعمیر و نگهداری

بر این اساس یکی از موارد فنی و یک مشخصه مهم که باید در انتخاب موتورهای الکتریکی مورد توجه قرارگیرد چرخه کاری است. در پلاک موتور نیز دوره کاری یا چرخه کاری یا Duty Cycle موتور ذکر می‌شود.

به صورت کلی مفهوم Duty Cycle یا چرخه کاری موتور یا دوره کاری مشخص کننده زمان کاری الکتروموتور نسبت به کل زمان است. در واقع این آیتم نشان می‌دهد که الکتروموتور در چه شرایط و بازه ای می تواند بدون آسیب به کار خود ادامه دهد. چرخه یا دوره کاری وابسته به عملکرد الکتروموتور و تناوب‌هایی است که الکتروموتور بار خود را می‌چرخاند. نکته اصلی و مهم تاثیر این تناوب‌های کاری بر دمای الکتروموتور است. علاوه بر چرخه حرکتی بار، عوامل زیر نیز بر تغییرات دمایی الکتروموتور تأثیرگذار هستند.

• نوع بار
• شیوه به حرکت در آوردن بار توسط الکتروموتور
• مدت زمان کارکرد الکتروموتور

یک موتور سه فاز که مثلاً در یک کمپرسور یا نوار نقاله استفاده می‌شود، پس از استارت در فواصل زمانی طولانی روشن می‌ماند؛ اما یک موتور آسانسور با توجه به کاربرد آن، یک موتور استارت شونده است. موتور آسانسور ممکن است در یک ساعت چندین بار به دفعات استارت شود. لذا به دلیل استارت‌های پیاپی سریع‌تر گرم می‌شود.

علت رده بندی چرخه کاری موتور طبق استاندارد IEC

مطابق استاندارد IEC، ده رده بندی برای چرخه یا دوره کاری موتور تعریف می‌شود. همانطور که قبلاً هم گفته شد هر یک از این رده‌ها مشخص کننده‌ نوع و مدت‌ زمان روشن بودن الکتروموتور نسبت به کل زمان است. از نظر استاندارد IEC مفهوم Duty Cycle یا چرخه کاری موتور یا همان دوره‌های کاری بیان کننده توالی و مدت زمان تمام عوامل موثر در یک راه اندازی معمولی موتور است. این عوامل  شامل نحوه استارت، عملکرد بی باری، عملکرد با بار نامی، ترمز الکتریکی و استراحت موتور است. در واقع عوامل فوق بر دمای موتور تأثیر گذار هستند و لذا بر اساس آن مشخص می‌شود آیا موتور انتخاب شده برای کاربرد مورد نظر مناسب است یا خیر؟ آیا نیاز به مکانیزم خنک کننده مانند فن دارد؟ یا اینکه موتور انتخاب شده مناسب کاربرد مورد نظر نیست و باید از موتوری با سیکل کاری دیگر استفاده نمود.

10 رده بندی چرخه کاری موتور مطابق استاندارد IEC

به صورت خلاصه انواع دوره‌های کاری به ترتیب عبارتند از:

1. S1 کارکرد با بار ثابت به صورت دائمی(Continuous duty): الکتروموتور تحت بار نامی به درجه حرارت پايدار و ثابت می‌رسد. در دوره کاری S1 الکتروموتور بدون وقفه کار می‌کند، بدون آنکه دمای آن از دمای مجاز تجاوز کند.

 

2. S2 کارکرد با بار ثابت در زمان کوتاه(Short time duty): الکتروموتور در بازه‌ کوتاهی با بار نامی کار می‌کند. در این رده، دوره‌ی کاری یا Δ باید نسبت به دوره‌ی توقف و از دست دادن دما کوتاه‌تر باشد. بازه‌های 10، 30، 60 و 90 دقیقه برای زمان کار توصیه‌ شده است.

3. S3 چرخه‌های متناوب قاعده مند(Intermittent periodic duty): در این رده الکتروموتور دارای یک بازه‌ کار و توقف به‌صورت درصد است. قابل‌ ذکر است که در حالت S3 تاثیر جریان راه‌اندازی و توقف روی افزایش دمای الکتروموتور لحاظ نشده است. مقادیر توصیه ‌شده برای کار الکتروموتور معادل 15، 25، 40 و 60 درصد است.

4. S4 چرخه‌های متناوب قاعده مند با راه اندازی(Intermittent periodic duty with starting): در این رده الکتروموتور دارای یک چرخه‌ راه‌اندازی سنگین، کار با بار نامی و توقف است. این موارد را می‌توانید در بخش‌های Δ، Δ و Δ تصویر زیر مشاهده کنید. الکتروموتور در این دسته‌بندی با نیروی بار یا ترمزهای مکانیکی متوقف ‌شده و پروسه‌ ایستادن آن تاثیری روی افزایش دمای سیم‌پیچ‌ها ندارد.

5. S5 چرخه‌های متناوب قاعده مند با راه اندازی و ترمز الکتریکی(Intermittent periodic duty with starting and braking): در این رده الکتروموتور دارای یک چرخه‌ راه‌ اندازی سنگین، کار با بار نامی و توقف با ترمز الکتریکی است. به عبارت ساده‌تر در کلاس S5 علاوه بر کار با توان نامی، تاثیر راه‌ اندازی و توقف با ترمز الکتریکی نیز روی افزایش دمای سیم‌پیچ‌ها لحاظ شده است.

6. S6 عملکرد دائمی تناوبی قاعده مند(Continuous duty with intermittent periodic loading): در این رده الکتروموتور دائم روشن بوده ولی بازه‌ کاری آن به‌ صورت بار کامل Δ و بدون بار Δ تعریف می‌شود. به‌ عبارت‌ دیگر الکتروموتور در این کلاس دائما با بار نامی کار نخواهد کرد. مقادیر توصیه‌ شده برای بازه‌ کاری 10 دقیقه‌ای معادل 15، 25، 40 و 60 درصد است.

7. S7 عملکرد دائمی تناوبی قاعده مند با ترمز الکتریکی(Continuous duty with starting and braking): در این رده الکتروموتور دائم روشن بوده و چرخه‌ کاری آن به‌صورت راه‌ اندازی، کار با بار نامی و ترمز الکتریکی تکرار می‌شود. ترمز الکتریکی در این گروه به‌ صورت جریان معکوس در نظر گرفته‌ شده است. ازآنجا که الکتروموتور در دسته‌ S7 هیچ‌گاه متوقف نمی‌شود، برای بیان دوره کاری آن دیگر از درصد استفاده نخواهد شد.

8. S8 عملکرد دائمی تناوبی قاعده مند با تغییرات سرعت با بار از قبل پیش بینی شده(Continuous duty with periodic speed changes): در این رده نیز الکتروموتور دائم کار بوده و چرخه‌های راه‌اندازی، تغییر سرعت و ترمز الکتریکی آن بدون توقف تکرار می‌شود. انتخاب سرعت در این الکتروموتور با تغییر در قطب‌ها انجام‌شده و بار آن در هر سرعت مقدار ثابتی دارد. چرخه‌ کاری الکتروموتور در رده S8 را می‌توانید در تصویر زیر مشاهده کنید. طبق تصویر هر چرخه کاری شامل راه‌اندازی، کار و توقف با سه سرعت مختلف است. بار الکتروموتور در هر سرعت مقدار مشخصی داشته و قبل از تغییر قطب‌های الکتروموتور از ترمز الکتریکی استفاده می‌شود. برای ذکر مثالی از تغییر قطب، می‌توان تغییر سرعت در الکتروموتورهای دالاندر را نام برد.

9. S9 عملکرد غیر تناوبی با تغییرات سرعت و بار غیر منظم(Duty with non-periodic speed and load variations): در این رده میزان بار و سرعت الکتروموتور به‌ صورت غیرمنظم تغییر می‌کند. به‌ عبارت‌ دیگر در این حالت چرخه‌ منظم راه‌اندازی، کار، توقف، تغییر سرعت و غیره وجود ندارد. تغییرات بار و سرعت الکتروموتور در محدوده‌ مجاز انجام‌ شده؛ اما ممکن است در لحظاتی اضافه‌ بار نیز رخ بدهد. طبق تصویر زیر، در این چرخه‌ کاری میزان بار کامل مبنی بر اضافه‌ بار در نظر گرفته می‌شود.

10. S10 عملکرد با بارهای ثابت در سرعت‌های ثابت گوناگون و مستقل از هم(Duty with discrete constant loads and speeds): در این رده تعداد مشخصی از بارهای مجزا و در صورت امکان سرعت‌های مختلف وجود دارد. در حالت S10 بارها و زمان‌ها مقادیر مختلفی دارند، مثلا الکتروموتور می‌تواند در بازه‌ای مشخص از زمان، بدون بار کار کند. نحوه‌ محاسبه‌ کمیت‌ها در این گروه کمی پیچیده بوده و برای اطلاعات بیشتر می‌توانید به استانداردها مراجعه کنید.

لازم به ذکر است در دوره‌های کاری S3 تا S8 زمان کارکرد موتور عموماً بسیار کوتاه‌تر از زمان لازم برای رسیدن به تبادل و تعادل دمایی موتور است. موتور به صورت متناوب، گرم شده و در هر چرخه و سیکل کاری نیز سرد می‌شود. فقط بعد از تعداد دفعات زیاد کارکرد موتور در چرخه‌های کاری S3 تا S8 موتور به تعادل و تبادل دمایی می‌رسد. توجه نمایید الزاماً چرخه کاری S1 راحت ترین حالت و S10 سخت‌ترین آن نیست. برای مثال موتوری با چرخه کاری S1 دارای فشار دمایی بالاتری از S3 است و تاثیرات دمایی بر موتوری با چرخه کاری S1 بیشتر از S3 است.

حداکثر دمای تعادل چقدر است؟

تا اینجا به صورت خلاصه با مفهوم Duty Cycle یا چرخه کاری موتور آسانسور و چرخه‌های استاندارد آشنا شدیم؛ اما شاید مهم‌ترین نکته میزان “دمای حداکثری” است که در هیچ جا میزان آن ذکر نشده است. حالا این سوال پیش می‌آید که “حداکثر دمای تعادل” چه مقدار است؟ باید توجه نمود که این دما، میزان مشخص و حدی ندارد. ارد زیر است. عوامل موثر بر حداکثر دمای تعادل شامل موارد زیر است.

• شرایط محیط
• طراحی موتور
• سیستم خنک کننده
• شیوه راه اندازی
• تلفات موتور

برای روشن شدن این موضوع، به عنوان مثال، به بررسی اولین چرخه یعنی S1 که رایج نیز هست، می‌پردازیم. مطابق تعریف، این دوره کاری، کارکرد بدون وقفه با بار ثابت است که با S1 نمایش داده می‌شود. در این حالت موتور بدون آنکه راه اندازی آن ایجاد دمای اضافه کند، راه اندازی می‌شود. با گذشت زمان، دمای موتور با یک منحنی صعودی با شیب کند افزایش می‌یابد و این افزایش دما با توجه به عدم تغییر در بار و عدم متوقف شدن موتور تا دمایی بالا می‌رود که برای مدت زمانی کافی به موتور فرصت رسیدن به یک تعادل در تبادل حرارتی با محیط را می‌دهد.

بنابراین دمای موتور هر چند با دمای محیط یکسان نیست؛ اما با یک نرخ ثابت به تبادل حرارتی با محیط رسیده است و پایداری دمایی دارد. در این حالت موتور به حداکثر دمایی که در آن شرایط می‌تواند داشته باشد می‌رسد و در این دما به کار خود ادامه می‌دهد.

توجه داشته باشید در صورت تغییر در دمای محیط و یا تغییر در شرایط موتور از جمله استفاده از سیستم خنک کننده متفاوت، این دمای حداکثر می‌تواند تغییر کند و به نسبت قبل کمتر و یا بیشتر شود. لذا “دمای حداکثر”، دمایی ثابت و مشخص نیست و به شرایط موتور و محیط وابسته است. برای مثال موتوری که در دمای محیطی ۳۰ درجه در حال کار است، نسبت به موتوری که در دمای محیطی ۴۰ درجه در حال کار است، تبادل دمایی راحت‌تری دارد.

علاوه بر این میزان “دمای حداکثر” در این موتور نیز پایین‌تر است. این بدین معناست که سازگاری موتور با دمای بیرونی و دمای نهایی آن در حالت S1 یک مقدار مشخص “ایمن” و یا “ناایمن” نیست. زیرا می‌توان موتوری با شرایط کارکرد S1 داشت که در دمای محیطی ۵۰ درجه نیز در حال کار باشد؛ اما در این حالت در شرایط تعادل و تبادل دمایی بسیار ضعیف تری با محیط قرار خواهد گرفت. قطعا این موتور طول عمر پایین‌تری نسبت به کار در دمای ۳۰ درجه محیطی خواهد داشت. لذا در انتخاب چرخه یا دوره کاری مناسب یک موتور، مهم‌ترین عامل، درک تاثیرات دمایی کارکرد موتور با شرایط محیط اطراف است.

انواع روشهای خنک کننده موتور

یکی از عوامل موثر بر طول عمر موتور و عملکرد آن، روش‌های خنک کردن موتور است. لذا جهت درک بهتر مفهوم Duty Cycle یا چرخه کاری موتور آسانسور لازم است در خصوص تاثیرات شیوه خنک کنندگی بر موتور نیز توضیحاتی ارائه شود. موتورها با شیوه‌های خنک شوندگی گوناگونی خنک می‌شوند، مثلاً خنک شوندگی توسط  فن متصل به شفت موتور یا خنک شوندگی بوسیله فن مستقل.

آیا دو موتور با دوره کاری S1، ولی با دو شیوه خنک شوندگی ذکر شده در بالا دارای دمای حداکثری(دمای تعادل) یکسانی هستند؟ یا اینکه موتوری که دارای شیوه خنک شوندگی با فن مستقل است شرایط بهتری دارد؟

با توجه به اینکه هر دو موتور بدون هیچ تغییری در سرعت موتور و بار کار می‌کنند(معنی S1 همین است) و سیستم خنک کنندگی هر دو موتور بهره یکسانی دارند، موتور با فن متصل به شفت دارای فنی است که آن را بخوبی خنک می کند و برای همین منظور طراحی شده است. همچنین دبی هوای کافی برای خنک شوندگی موتور را فراهم می‌کند و موتوری با فن مستقل نیز دارای شیوه خنک کنندگی با فن مستقل است.

در این شرایط دبی هوای لازم را تامین می‌کند و این میزان دبی باید موتور را ایمن نگه دارد. شاید تصور کنید که فن مستقل دبی بیشتری ارائه می‌دهد؛ اما الزاماً چنین نیست. مگر آنکه سازنده به دلایلی(از جمله راه اندازی و کنترل با درایو، کنترل بدون تغییر در سرعت موتور و یا دمای محیطی از پیش اعلام شده بالاتر از استاندارد ۴۰ درجه و …) که موضوعی مستقل از استاندارد S1 است، نیاز به این دبی را لحاظ کند. پس در چرخه کاری S1 هر دو موتور یکسان و حتی دارای دمای تعادل یکسانی هستند.

بیشتر بخوانید:

نقش کولر آسانسور و تهویه کابین در آسانسورهای مدرن چیست؟

فرمول محاسبه سرعت موتور آسانسور | محاسبه توان موتور آسانسور

تفاوت روش‌های خنک کنندگی موتور

تفاوت زمانی ایجاد می‌شود که به علت تغییرات بار و یا سرعت گردش موتور در میزان کارایی خنک کنندگی هر یک از این دو شیوه تفاوت ایجاد شود. بسیار واضح است موتوری که سرعت آن افت می‌کند، نمی‌تواند در حالت فن متصل به شفت به خوبی خنک شود. چرا که فن متصل به شفت دبی هوای کمتری را تامین می کند؛ اما موتور با فن مستقل، به علت استقلال فن از سرعت موتور، همچنان دبی کافی برای خنک شوندگی موتور را تامین می‌کند. اینجاست که دمای تعادل موتور دارای فن متصل به شفت بسیار بالاتر از موتور با فن مستقل می‌شود. این یعنی موتور با شیوه خنک شوندگی با فن مستقل عملکرد بهتری خواهد داشت.(توجه داشته باشید هر دو موتور دارای رده S1 هستند و آن را نقض نکرده‌اند).

حالا که تا حدی با مفهوم Duty Cycle یا چرخه کاری موتور آسانسور آشنا شدید باید مجددا بر تاثیرات دمایی برخی عوامل زیر بر موتور تاکید کرده و آن‌ها را بررسی کنیم.

• نوع بار
• شیوه کنترل موتور
• تغییرات سرعت موتور
• دمای محیط
• شیوه خنک کنندگی و…

لذا موتور دارای چرخه کاری متناسب با کارکرد خود، بدون در نظر گرفتن دیگر پارامترهای موثر بر دمای موتور، تضمینی بر درستی چرخه انتخابی و صحت فنی موتور و ایمنی در شرایط دمایی آن نیست. برای روشن‌تر شدن موضوع به مثال زیر توجه فرمایید. موتوری با دوره کاری S9 را در نظر بگیرید که برای کارکرد با سرعت و بار متغیر تعریف شده است و بار پایه آن همانند سیکل کاری S1 است و بالاتر از آن اضافه بار(Overload) محسوب شده و تغییرات سرعت نیز توسط درایو کنترل می‌شود.

• نمونه اول: موتور شما با مشخصه S9 و سیستم خنک شوندگی فن متصل به شفت است، دمای کاری (دمای تعادل) موتور به علت تغییر سرعت فن متصل به شفت بسیار بالاتر از حالتی خواهد بود که تغییری در سرعت شفت نداشته باشم.
• نمونه دوم: موتور با چرخه کاری S9 و فن مستقل است، دمای کاری(دمای تعادل) موتور به علت عدم تاثیر تغییرات سرعت موتور بر قابلیت خنک کنندگی موتور بسیار پایین‌تر از نمونه اول خواهد بود.

این به معنی طول عمر بالاتر موتور نمونه دوم نسبت به موتور نمونه اول است. پس درست است که چرخه کاری صحیحی برای هر دو موتور انتخاب شده است؛ اما متناسب با کارکرد موتور، شیوه خنک شوندگی مناسبی برای نمونه اول در نظر گرفته نشده است.

با توجه به نمودارهای دمایی چرخه‌های S1 و S9، مشاهده می‌شود موتوری که در باری کمتر از بار نامی خود در حال کار است، نسبت به موتوری که در بار نامی خود به صورت مداوم کار می‌کند، از فشار دمایی کمتری برخوردار است و خنک‌تر است.

استفاده از موتور با چرخه کاری S1 جهت چرخه کاری S9

آیا می‌توان از موتوری با چرخه کاری S1 با شیوه  خنک شوندگی فن مستقل برای چرخه کاری S9 استفاده کرد؟ پاسخ کوتاه “آری” است.

چرخه کاری S1 به معنی موتور با توان و گشتاور پایین تر نسبت به چرخه کاری S9 نیست، بلکه فقط شرایط کاری موتور در ارتباط با تغییرات سرعت و بار و تاثیر آنها بر دمای تعادل را توضیح می‌دهد. پس با این فرض صحیح که موتور با چرخه کاری S1 و موتور با چرخه کاری S9 هر دو دارای توان و گشتاور نامی یکسان هستند، می‌توان اطمینان داشت که از پس بار خود بر می‌آیند.

با توجه به اینکه بار پایه در چرخه S9 برابر با بار نامی در چرخه S1 است، لذا هر افزایشی از این مقدار، اضافه بار(Overload) محسوب می‌شود که در جریان کشی موتور و به طبع آن بر دمای موتور تاثیر می‌گذارد. باید توجه نمود که این اضافه بار حد فاصلی است مابین گشتاور نامی و گشتاور حداکثر موتور. اگر موتوری با اضافه بار بیش از گشتاور حداکثری خود مواجه شود، در این صورت موتور از بار ضعیف‌تر بوده و زیر بار می‌ماند. لذا با فرض انتخاب گشتاور صحیح، اضافه بار کمی بیشتر از بار نامی خواهد بود.

وجود اضافه بار، آن هم نه برای مدت طولانی، به هر حال با افزایش دمای موتور همراه خواهد بود که فن مستقل می‌تواند تاثیرات آن را کاهش داده و جلوی افزایش دمای تعادل را بگیرد. پس می‌توان در صورت اصلاح شیوه خنک کنندگی، از موتور با چرخه S1 برای چرخه کاری S9 استفاده نمود.

چنانچه موتور توسط درایو کنترل شود، تاثیرات درایو بر موتور را هم باید مورد توجه قرار داد. موتورهایی که با درایو کنترل می‌شوند به علت افزایش تلفات حاصل از هارمونیک‌ها از موتورهایی که با درایو کنترل نمی‌شوند، داغ‌تر هستند. لذا باید این موتورها حتماً با فن مستقل همراه باشند.

با توضیحاتی که تا اینجا ارائه شد، اکنون می‌توان درک بهتری از مشخصات قید شده بر روی پلاک موتورها و عملکرد آنها داشت.

موتور 1: موتوری با چرخه کاری S5 است که درسیکل کاری  40%، توان نامی آن 1/4 کیلووات خواهد بود.

موتور 2: نوعی موتور است که درسیکل کاری 15%، توان نامی آن 6/6 کیلووات و درسیکل کاری 40%، توان نامی 4 کیلووات را ارائه خواهد کرد.

موتور 3: موتوری با چرخه کاری S3 است که درسیکل کاری  40%، توان نامی آن 6/4 کیلووات خواهد بود.

موتور 4: موتوری است دارای سیکل کاری پیوسته (S1).

منابع:

• استاندارد IEC60034-1:2004
• دانستنی‌های رژیم کاری موتور – هانی ادیب آزاد
• کنترل و راه اندازی الکتروموتورها – رضا ضیائی کیا