ما هي ديناميكيات المحركات الحثية والمتزامنة؟
خصائص الديناميكية للمحولات الحثية والمحركات المتزامنة
تعد المحركات الحثية (Induction Motor) والمحركات المتزامنة (Synchronous Motor) من أنواع المحركات الكهربائية المتناوبة الشائعة. تختلف هذه الأنواع بشكل كبير في البنية، وأصول التشغيل، وخواصها الديناميكية. فيما يلي تحليل لخصائص الديناميكية لهذه الأنواع من المحركات:
1. خصائص البدء
المحرك الحثي:
عادة ما يكون للمحركات الحثية تيار بدء عالي، غالبًا ما يكون 5 إلى 7 مرات التيار المقنن. هذا لأن الدوار ثابت عند بدء التشغيل، وسعة الانزلاق s=1، مما يؤدي إلى تيار مُستحث كبير في ملفات الدوار.
عزم الدوران عند البدء نسبيًا منخفض، خاصة تحت الحمل الكامل، وقد يكون فقط 1.5 إلى 2 مرات عزم الدوران المقنن. يمكن تحسين أداء البدء باستخدام مبادئ بدء اللين أو مبدأ البدء النجمي-المثلثي لتقليل تيار البدء وزيادة عزم الدوران عند البدء.
عملية بدء المحرك الحثي غير متزامنة؛ حيث يتسارع المحرك تدريجيًا من حالة السكون إلى سرعة قريبة من السرعة المتزامنة ولكن دون الوصول إلى التزامن الدقيق.
المحرك المتزامن:
تعتمد خصائص بدء المحركات المتزامنة على نوعها. بالنسبة للمحركات المتزامنة ذات بدء ذاتي (مثل المحركات المتزامنة ذات المغناطيس الدائم أو المحركات المتزامنة مع ملفات بدء)، يمكنها البدء بطريقة غير متزامنة مثل المحركات الحثية ولكن يتم جذبها إلى التزامن بواسطة نظام الإثارة بينما تقترب من السرعة المتزامنة.
بالنسبة للمحركات المتزامنة التي لا تبدأ ذاتيًا، فإن الأجهزة الخارجية (مثل محول التردد أو المحركات المساعدة) عادة ما تكون مطلوبة لمساعدتها على البدء حتى تصل إلى السرعة المتزامنة، وبعد ذلك يمكنها الدخول في التشغيل المتزامن.
توفر المحركات المتزامنة عادة عزم دوران أعلى عند البدء، خاصة تلك المجهزة بنظام إثارة، والتي يمكنها توفير عزم دوران كبير أثناء البدء.
2. خصائص التشغيل المستقر
المحرك الحثي:
سرعة المحرك الحثي تناسب تردد التغذية ولكنها دائمًا أقل قليلاً من السرعة المتزامنة. تمثل سعة الانزلاق s الفرق بين السرعة الفعلية والسرعة المتزامنة، وتتراوح عادة بين 0.01 و0.05 (أي 1% إلى 5%). تؤدي سعة انزلاق صغيرة إلى كفاءة أعلى، ولكن ينخفض عزم الدوران الناتج بالتناسب.
تكون خاصية عزم الدوران-السرعة للمحرك الحثي على شكل قطع مكافئ، مع حدوث العزم الأقصى عند قيمة معينة من سعة الانزلاق (عادة الانزلاق الحرجة). عندما يزيد الحمل، تنخفض السرعة قليلاً، ولكن المحرك يحافظ على تشغيل مستقر.
يكون معامل القوة للمحرك الحثي منخفضًا عادة، خاصة تحت حمل خفيف أو بدون حمل، قد يصل إلى 0.7. مع زيادة الحمل، يتحسن معامل القوة.
المحرك المتزامن:
سرعة المحرك المتزامن تناسب تردد التغذية وتبقى ثابتة عند السرعة المتزامنة بغض النظر عن تغيرات الحمل. هذا يضمن سرعة مستقرة للغاية، مما يجعل المحركات المتزامنة مناسبة للتطبيقات التي تتطلب السيطرة الدقيقة على السرعة.
خاصية عزم الدوران-السرعة للمحرك المتزامن هي خط عمودي، مما يعني أنه يمكنه تقديم عزم دوران ثابت عند السرعة المتزامنة دون أي تغيير في السرعة. إذا تجاوز الحمل قدرة العزم الأقصى للمحرك، فسوف يفقد المحرك التزامنه ويوقف.
يمكن للمحرك المتزامن السيطرة على معامل القوة من خلال ضبط تيار الإثارة، مما يسمح له بالتشغيل في وضع سعوي أو حثي. تجعل هذه الخاصية المحركات المتزامنة مفيدة لتحسين معامل القوة للشبكة الكهربائية.
3. خصائص الاستجابة الديناميكية
المحرك الحثي:
تكون استجابة المحرك الحثي الديناميكية نسبيًا بطيئة، خاصة عند تغير الحمل فجأة. بسبب القصور الذاتي للدوار والحث الكهرومغناطيسي، هناك فترة تأخير للمحرك ليتكيف مع ظروف الحمل الجديدة. يمكن لهذا التأخير أن يسبب تذبذبات في السرعة، خاصة في التطبيقات ذات الحمل الثقيل أو البدء والإيقاف المتكرر.
نطاق سيطرة السرعة للمحرك الحثي محدود، عادة ما يتم تحقيقه بتغيير تردد التغذية (مثل استخدام محول التردد المتغير). ومع ذلك، يمكن أن يؤدي ذلك إلى تقليل العزم، خاصة عند السرعات المنخفضة.
المحرك المتزامن:
تكون استجابة المحرك المتزامن الديناميكية أسرع، خاصة عند تغير الحمل. بما أن سرعة المحرك دائمًا متزامنة مع تردد التغذية، فإنه يمكنه الحفاظ على سرعة مستقرة حتى تحت تغيرات الحمل. بالإضافة إلى ذلك، تكون استجابة العزم للمحرك المتزامن سريعة، مما يوفر العزم اللازم في وقت قصير.
يمكن للمحرك المتزامن ضبط العزم ومعامل القوة بتغيير تيار الإثارة، مما يوفر السيطرة الأكثر مرونة. يمكن أيضًا استخدام طرق السيطرة المتقدمة مثل السيطرة المتجهة أو السيطرة المباشرة على العزم (DTC) لتحقيق السيطرة الدقيقة على السرعة والعزم.
4. قدرة التحميل الزائد والحماية
المحرك الحثي:
للمحرك الحثي قدرة تحميل زائد معينة ويمكنه تحمل 1.5 إلى 2 مرة الحمل المقنن لمدة قصيرة. ومع ذلك، يمكن أن يؤدي التحميل الزائد المستمر إلى ارتفاع درجة الحرارة والتلف في المواد العازلة. لذلك، يتم تجهيز المحركات الحثية عادة بأجهزة حماية ضد التحميل الزائد، مثل أجهزة الحماية الحرارية أو أجهزة استشعار الحرارة، لمنع ارتفاع درجة الحرارة.
تعتمد قدرة التحميل الزائد للمحرك الحثي على تصميمه. على سبيل المثال، المحركات الحثية ذات الدوار الملفوف عادة ما يكون لها أداء أفضل ضد التحميل الزائد مقارنة بالمحركات الحثية ذات الدوار الغرزي لأن تيار الدوار يمكن تنظيمه باستخدام مقاومات خارجية.
المحرك المتزامن:
للمحرك المتزامن قدرة تحميل زائد قوية، خاصة تلك المجهزة بنظام الإثارة، والتي يمكنها التعامل مع 2 إلى 3 مرات الحمل المقنن لمدة قصيرة. ومع ذلك، يمكن أن يؤدي التحميل الزائد المستمر أيضًا إلى ارتفاع درجة الحرارة.
يتم حماية المحركات المتزامنة بعدة طرق، بما في ذلك حماية التيار الزائد، وحماية فقدان الخطوة، وحماية أعطال الإثارة. تعمل حماية فقدان الخطوة على منع المحرك من فقدان التزامنه تحت الحمل الزائد، بينما تضمن حماية أعطال الإثارة عمل نظام الإثارة بشكل صحيح.
5. سيناريوهات التطبيق
المحرك الحثي:
يستخدم المحركات الحثية على نطاق واسع في الصناعة والزراعة والأجهزة المنزلية، خاصة في التطبيقات التي لا تتطلب سيطرة دقة عالية على السرعة. أمثلة على ذلك المراوح، والمضخات، والمضاغط.
بسبب بساطة هياكلها، وتكلفةها المنخفضة، وسهولة صيانتها، تكون المحركات الحثية الخيار المفضل للكثير من التطبيقات.
المحرك المتزامن:
يكون المحرك المتزامن مناسبًا للتطبيقات التي تتطلب سيطرة دقة عالية على السرعة، مثل الآلات الدقيقة، والمولدات، والمضاغط الكبيرة. قدرته على الحفاظ على سرعة ثابتة وتقديم معامل قوة عالٍ يجعله قيمة في أنظمة الطاقة لتحسين كفاءة الشبكة.
يستخدم المحرك المتزامن أيضًا بشكل واسع في التطبيقات التي تتطلب سيطرة دقة عالية على السرعة والاستجابة الديناميكية السريعة، مثل أنظمة الخدمة والروبوتات.
ملخص
المحرك الحثي: تيار بدء عالٍ، عزم دوران بدء منخفض نسبيًا، سرعة أقل قليلاً من السرعة المتزامنة، استجابة ديناميكية بطيئة، مناسب للتطبيقات الصناعية والمنزلية العامة.
المحرك المتزامن: خصائص البدء تعتمد على النوع، سرعة متزامنة دقيقة، استجابة ديناميكية سريعة، مناسب للتطبيقات التي تتطلب سيطرة دقة عالية على السرعة وتحسين معامل القوة.
