إذا كان هناك محركان متطابقان يعملان بتردد ٥٠ هرتز، أحدهما يستخدم محول تردد والآخر لا يستخدمه، وكانت السرعة وعزم الدوران عند القيمة الاسمية للمحرك، فهل يمكن لمحول التردد توفير الطاقة؟ ما مقدار التوفير؟
الجواب: في هذه الحالة، يمكن لمحول التردد فقط تحسين معامل القدرة ولا يمكنه توفير الكهرباء.
1. إن تحويل التردد لا يمكن أن يوفر الكهرباء في كل مكان، وهناك العديد من المناسبات حيث قد لا يؤدي تحويل التردد بالضرورة إلى توفير الكهرباء.
2. كدائرة إلكترونية، يستهلك محول التردد نفسه أيضًا الطاقة (حوالي 2-5% من الطاقة المقدرة)
٣. من المعروف أن محولات التردد تعمل بتردد الطاقة، وتتميز بوظائف توفير الطاقة. لكن الشرط الأساسي هو:
أولاً، يتمتع الجهاز نفسه بوظيفة توفير الطاقة (دعم البرنامج)، والتي تتوافق مع متطلبات النظام أو العملية بأكملها؛
ثانياً، التشغيل المستمر على المدى الطويل.
علاوة على ذلك، سواءٌ أكان موفرًا للكهرباء أم لا، فهو بلا معنى. إن قيل إن محول التردد يعمل على توفير الطاقة دون أي شروط مسبقة، فهو محض مبالغة أو تكهنات تجارية. بمعرفة القصة كاملةً، ستستخدمه بذكاء لخدمتك. تأكد من مراعاة ظروف الاستخدام لتطبيقه بشكل صحيح، وإلا فسيكون مجرد تقليد أعمى، وتصديق سهل، وخداع.
غالبًا ما يكون لدينا المفاهيم الخاطئة التالية عند استخدام محولات التردد:
الاعتقاد الخاطئ الأول: استخدام محول التردد يمكن أن يوفر الكهرباء
تزعم بعض الأدبيات أن محولات التردد هي منتجات تحكم موفرة للطاقة، مما يعطي الانطباع بأن استخدام محولات التردد يمكن أن يوفر الكهرباء.
في الواقع، يكمن سرّ توفير محوِّلات التردد للكهرباء في قدرتها على تنظيم سرعة المحركات الكهربائية. فإذا كانت محوِّلات التردد منتجات تحكم موفرة للطاقة، فإن جميع معدات التحكم في السرعة تُعتبر كذلك. ويتميّز محوِّل التردد بكفاءة ومعامل قدرة أعلى بقليل من أجهزة التحكم في السرعة الأخرى.
يتم تحديد ما إذا كان محول التردد قادرًا على تحقيق توفير الطاقة من خلال خصائص تنظيم السرعة لحمله. بالنسبة للأحمال مثل مراوح الطرد المركزي ومضخات الطرد المركزي، يتناسب عزم الدوران مع مربع السرعة، وتتناسب الطاقة مع مكعب السرعة. طالما يتم استخدام تدفق التحكم في الصمام الأصلي ولا يعمل بكامل الحمل، فإن التغيير إلى عملية تنظيم السرعة يمكن أن يحقق توفيرًا للطاقة. عندما تنخفض السرعة إلى 80٪ من الأصلية، تكون الطاقة 51.2٪ فقط من الأصلية. يمكن ملاحظة أن تطبيق محولات التردد في مثل هذه الأحمال له أكبر تأثير في توفير الطاقة. بالنسبة للأحمال مثل منفاخات الجذور، يكون عزم الدوران مستقلاً عن السرعة، أي حمل عزم دوران ثابت. إذا تم تغيير الطريقة الأصلية لاستخدام صمام التهوية لإطلاق حجم الهواء الزائد لضبط حجم الهواء إلى عملية تنظيم السرعة، فيمكن أيضًا تحقيق توفير الطاقة. عندما تنخفض السرعة إلى 80٪ من قيمتها الأصلية، تصل الطاقة إلى 80٪ من قيمتها الأصلية. تأثير توفير الطاقة أقل بكثير من تأثير تطبيقات مراوح الطرد المركزي ومضخات الطرد المركزي. في أحمال الطاقة الثابتة، لا تعتمد الطاقة على السرعة. يؤدي حمل الطاقة الثابت في مصنع الأسمنت، مثل مقياس سير الخلط، إلى إبطاء سرعة السير عندما تكون طبقة المادة سميكة في ظروف تدفق معينة؛ أما عندما تكون طبقة المادة رقيقة، فتزداد سرعة السير. استخدام محولات التردد في مثل هذه الأحمال لا يوفر الكهرباء.
بالمقارنة مع أنظمة التحكم في سرعة التيار المستمر، تتمتع محركات التيار المستمر بكفاءة ومعامل قدرة أعلى من محركات التيار المتردد. كفاءة وحدات التحكم الرقمية في سرعة التيار المستمر تُضاهي كفاءة محولات التردد، بل وأعلى بقليل منها. لذا، من غير الصحيح الادعاء بأن استخدام محركات التيار المتردد غير المتزامنة ومحولات التردد يوفر طاقة أكبر من استخدام محركات التيار المستمر ووحدات التحكم، نظريًا وعمليًا.
الاعتقاد الخاطئ الثاني: يعتمد اختيار سعة المحول الترددي على القدرة المقدرة للمحرك
وبالمقارنة بالمحركات الكهربائية، فإن سعر محولات التردد مرتفع نسبيًا، لذا من المهم جدًا تقليل سعة محولات التردد بشكل معقول مع ضمان التشغيل الآمن والموثوق به.
تشير قوة محول التردد إلى قوة المحرك غير المتزامن ذي الأربعة أقطاب الذي يناسبه.
بسبب اختلاف عدد أقطاب المحركات ذات السعة المتساوية، يختلف التيار المقنن للمحرك. ومع زيادة عدد الأقطاب في المحرك، يزداد التيار المقنن للمحرك أيضًا. لا يمكن أن يعتمد اختيار سعة محول التردد على القدرة المقدرة للمحرك. وفي الوقت نفسه، بالنسبة لمشاريع التجديد التي لم تستخدم محولات التردد في الأصل، لا يمكن أن يعتمد اختيار سعة محولات التردد على التيار المقنن للمحرك. وذلك لأن اختيار سعة المحرك الكهربائي يجب أن يأخذ في الاعتبار عوامل مثل الحمل الأقصى ومعامل الفائض ومواصفات المحرك. غالبًا ما يكون الفائض كبيرًا، وغالبًا ما تعمل المحركات الصناعية بنسبة 50٪ إلى 60٪ من الحمل المقنن. إذا تم اختيار سعة محول التردد بناءً على التيار المقنن للمحرك، فسيكون هناك هامش كبير جدًا متبقيًا، مما يؤدي إلى هدر اقتصادي، ولا تتحسن الموثوقية نتيجة لذلك.
بالنسبة لمحركات القفص السنجابي، ينبغي اختيار سعة محول التردد بناءً على مبدأ أن يكون التيار المقنن لمحول التردد أكبر من أو يساوي 1.1 مرة من أقصى تيار تشغيل عادي للمحرك، مما يُحقق أقصى قدر من التوفير في التكاليف. في ظروف مثل بدء التشغيل تحت أحمال ثقيلة، أو بيئات ذات درجات حرارة عالية، أو تشغيل محرك ملفوف، أو محرك متزامن، وما إلى ذلك، ينبغي زيادة سعة محول التردد بشكل مناسب.
بالنسبة للتصاميم التي تستخدم محولات التردد منذ البداية، من البديهي اختيار سعة المحول بناءً على التيار المقنن للمحرك. وذلك لأنه لا يمكن تحديد سعة المحول بناءً على ظروف التشغيل الفعلية في ذلك الوقت. وبالطبع، لتقليل التكلفة، قد تكون سعة المحول غير مؤكدة في البداية، وبعد تشغيل الجهاز لفترة من الوقت، يمكن تحديدها بناءً على التيار الفعلي.
في نظام الطحن الثانوي لمطحنة أسمنت بقطر 2.4 متر × 13 متر في إحدى شركات الأسمنت في منغوليا الداخلية، يوجد مُحدد مسحوق عالي الكفاءة من طراز N-1500 O-Sepa محلي الصنع، ومُجهز بمحرك كهربائي من طراز Y2-315M-4 بقدرة 132 كيلو واط. ومع ذلك، تم اختيار مُحول التردد FRN160-P9S-4E، وهو مناسب للمحركات رباعية الأقطاب بقدرة 160 كيلو واط. بعد التشغيل، يبلغ أقصى تردد تشغيل 48 هرتز، ويبلغ التيار 180 أمبير فقط، وهو أقل من 70% من التيار المُقدر للمحرك. يتمتع المحرك نفسه بسعة فائضة كبيرة. ومواصفات مُحول التردد أعلى بمستوى واحد من مواصفات محرك التشغيل، مما يُسبب هدرًا غير ضروري ولا يُحسّن الموثوقية.
يعتمد نظام التغذية في كسارة الحجر الجيري رقم 3 في مصنع أسمنت آنهوي تشاوهو على وحدة تغذية صفائحية 1500 × 12000، ويستخدم محرك التشغيل محرك تيار متردد Y225M-4 بقوة 45 كيلوواط وتيار 84.6 أمبير. قبل تحويل تنظيم سرعة تحويل التردد، تبيّن من خلال الاختبارات أنه عند تشغيل وحدة التغذية الصفائحية للمحرك بشكل طبيعي، يبلغ متوسط التيار ثلاثي الطور 30 أمبير فقط، أي ما يعادل 35.5% فقط من التيار المقنن للمحرك. لتوفير المال، تم اختيار محول التردد ACS601-0060-3، الذي تبلغ قوته 76 أمبير، وهو مناسب للمحركات رباعية الأقطاب بقوة 37 كيلوواط، مما يحقق أداءً ممتازًا.
يوضح هذان المثالان أنه بالنسبة لمشاريع التجديد التي لم تستخدم في الأصل محولات التردد، فإن اختيار سعة محول التردد على أساس ظروف التشغيل الفعلية يمكن أن يقلل الاستثمار بشكل كبير.
الاعتقاد الخاطئ رقم 3: لا يمكن لمحركات جنرال موتورز العمل إلا بسرعة منخفضة باستخدام محولات التردد التي تقل عن سرعة نقلها المقدرة
تنص النظرية الكلاسيكية على أن الحد الأقصى لتردد المحرك العام هو 55 هرتز. ويرجع ذلك إلى أنه عند الحاجة إلى تعديل سرعة المحرك لتتجاوز السرعة الاسمية للتشغيل، سيزداد تردد الجزء الثابت فوق التردد الاسمي (50 هرتز). عند هذه النقطة، إذا استمر اتباع مبدأ عزم الدوران الثابت للتحكم، سيتجاوز جهد الجزء الثابت الجهد الاسمي. لذلك، عندما يكون نطاق السرعة أعلى من السرعة الاسمية، يجب الحفاظ على جهد الجزء الثابت ثابتًا عند الجهد الاسمي. عند هذه النقطة، مع زيادة السرعة/التردد، سينخفض التدفق المغناطيسي، مما يؤدي إلى انخفاض عزم الدوران عند نفس تيار الجزء الثابت، وتليين الخصائص الميكانيكية، وانخفاض كبير في قدرة المحرك على تحمل الحمل الزائد.
ومن هذا يمكننا أن نرى أن الحد الأعلى لتردد المحرك العالمي هو 55 هرتز، وهو شرط أساسي:
1. لا يمكن أن يتجاوز جهد الجزء الثابت الجهد المقدر؛
2. يعمل المحرك بالقدرة المقدرة؛
3. حمل عزم الدوران الثابت.
في الحالة المذكورة أعلاه، أثبتت النظرية والتجارب أنه إذا تجاوز التردد 55 هرتز، فإن عزم دوران المحرك سينخفض، وستصبح الخصائص الميكانيكية أكثر ليونة، وستقل قدرة التحميل الزائد، وسيزداد استهلاك الحديد بسرعة، وسيكون التسخين شديدًا.
يعتقد المؤلف أن ظروف التشغيل الفعلية للمحركات الكهربائية تشير إلى إمكانية تسريع المحركات متعددة الأغراض باستخدام محولات التردد. هل يمكن زيادة سرعة التردد المتغير؟ ما مقدار الزيادة؟ يتحدد ذلك بشكل أساسي بالحمل الذي يسحبه المحرك الكهربائي. أولًا، من الضروري تحديد معدل الحمل. ثانيًا، من الضروري فهم خصائص الحمل وإجراء الحسابات بناءً على حالة الحمل المحددة. فيما يلي تحليل موجز:
في الواقع، بالنسبة للمحرك العالمي 380 فولت، يُمكن تشغيله لفترة طويلة عندما يتجاوز جهد الجزء الثابت 10% من الجهد المُصنّف، دون التأثير على عزل المحرك وعمره الافتراضي. يرتفع جهد الجزء الثابت، ويزداد عزم الدوران بشكل ملحوظ، وينخفض تيار الجزء الثابت، وتنخفض درجة حرارة اللفائف.
2. معدل تحميل المحرك الكهربائي عادة ما يكون من 50% إلى 60%
عمومًا، تعمل المحركات الصناعية بنسبة تتراوح بين 50% و60% من قدرتها الاسمية. وحسب الحسابات، عندما تكون قدرة خرج المحرك 70% من قدرتها الاسمية، ويزداد جهد الجزء الثابت بنسبة 7%، ينخفض تيار الجزء الثابت بنسبة 26.4%. في هذه الحالة، حتى مع التحكم المستمر في عزم الدوران واستخدام محول تردد لزيادة سرعة المحرك بنسبة 20%، لا يرتفع تيار الجزء الثابت فحسب، بل ينخفض أيضًا. على الرغم من أن فقدان الحديد في المحرك يزداد بشكل حاد بعد زيادة التردد، إلا أن الحرارة الناتجة عنه ضئيلة مقارنةً بالحرارة التي تنخفض بانخفاض تيار الجزء الثابت. وبالتالي، ستنخفض درجة حرارة لفات المحرك بشكل ملحوظ.
3. هناك خصائص تحميل مختلفة
يخدم نظام تشغيل المحرك الكهربائي الحمل، ولكل حمل خصائص ميكانيكية مختلفة. يجب أن تستوفي المحركات الكهربائية متطلبات الخصائص الميكانيكية للحمل بعد التسارع. ووفقًا للحسابات، فإن أقصى تردد تشغيل مسموح به (fmax) لأحمال عزم الدوران الثابتة عند معدلات حمل مختلفة (k) يتناسب عكسيًا مع معدل الحمل، أي fmax = fe/k، حيث fe هو تردد القدرة المقنن. بالنسبة لأحمال القدرة الثابتة، يقتصر أقصى تردد تشغيل مسموح به لمحركات جنرال موتورز بشكل أساسي على القوة الميكانيكية لدوار المحرك وعموده. ويرى المؤلف أنه من المستحسن عمومًا تحديده في حدود 100 هرتز.
مثال للتطبيق:
في أحد المصانع، يعمل ناقل دلو السلسلة بعزم دوران ثابت، ونتيجةً لزيادة الإنتاج، يلزم زيادة سرعة محركه بنسبة 20%. طراز المحرك هو Y180L-6، بقوة مُصنّفة 15 كيلوواط، وجهد مُصنّف 380 فولت، وتيار مُصنّف 31.6 أمبير، وسرعة مُصنّفة 980 دورة/دقيقة، وكفاءة 89.5%، ومعامل قدرة 0.81، وتيار تشغيل يتراوح بين 18 و20 أمبير، وقوة تشغيل قصوى 7.5 كيلوواط في الظروف العادية، ومعدل تحميل 50%. بعد تثبيت محول التردد CIMR-G5A4015، يكون تردد التشغيل 60 هرتز، وتزداد السرعة بنسبة 20%، ويتم ضبط أقصى جهد خرج لمحول التردد على 410 فولت، ويبلغ تيار تشغيل المحرك 12-15 أمبير، والذي ينخفض بنحو 30%، وتنخفض درجة حرارة لف المحرك بشكل كبير.
الاعتقاد الخاطئ الرابع: إهمال الخصائص الجوهرية لمحولات التردد
عادةً ما يقوم الموزع بتصحيح أخطاء محول التردد، دون أي مشاكل. تركيب محول التردد بسيط نسبيًا، وعادةً ما يقوم به المستخدم. بعض المستخدمين لا يقرأون دليل المستخدم الخاص بمحول التردد بعناية، ولا يلتزمون بدقة بالمتطلبات الفنية للتركيب، ويتجاهلون خصائص محول التردد نفسه، ويقارنونه بالمكونات الكهربائية العامة، ويتصرفون بناءً على افتراضات وخبرات سابقة، مما يُعرّضهم لمخاطر خفية من الأعطال والحوادث.
وفقًا لدليل مستخدم محول التردد، يجب أن يكون الكابل المتصل بالمحرك كابلًا محميًا أو مدرّعًا، ويفضل وضعه في أنبوب معدني. يجب أن تكون أطراف الكابل المقطوع مرتبة قدر الإمكان، وأن تكون الأجزاء غير المحمية قصيرة قدر الإمكان، وألا يتجاوز طول الكابل مسافة معينة (عادةً 50 مترًا). عندما تكون مسافة التوصيل بين محول التردد والمحرك طويلة، فإن تيار التسرب التوافقي العالي من الكابل سيؤثر سلبًا على محول التردد والمعدات المحيطة به. يجب توصيل سلك التأريض العائد من المحرك الذي يتحكم فيه محول التردد مباشرةً بطرف التأريض المقابل له. يجب ألا يكون سلك تأريض محول التردد مشتركًا مع آلات اللحام ومعدات الطاقة، ويجب أن يكون قصيرًا قدر الإمكان. بسبب تيار التسرب الناتج عن محول التردد، إذا كان بعيدًا جدًا عن نقطة التأريض، فسيكون جهد طرف التأريض غير مستقر. يجب أن تكون مساحة المقطع العرضي الدنيا لسلك تأريض محول التردد أكبر من أو تساوي مساحة المقطع العرضي لكابل مصدر الطاقة. لمنع حدوث أي تداخل في كابلات التحكم، يجب استخدام أسلاك ملتوية محمية أو أسلاك مزدوجة السلسلة. مع ذلك، يُرجى الحرص على عدم ملامسة كابل الشبكة المحمي لخطوط الإشارة الأخرى وأغلفة المعدات، ولفّه بشريط عازل. لتجنب التأثر بالضوضاء، يجب ألا يتجاوز طول كابل التحكم 50 مترًا. يجب وضع كابل التحكم وكابل المحرك بشكل منفصل، باستخدام صواني كابلات منفصلة، مع إبقاء المسافة بينهما قدر الإمكان. عند تقاطعهما، يجب وضعهما عموديًا. لا تضعهما أبدًا في نفس خط الأنابيب أو صينية الكابلات. مع ذلك، لم يلتزم بعض المستخدمين بالمتطلبات المذكورة أعلاه بدقة عند وضع الكابلات، مما أدى إلى تشغيل المعدات بشكل طبيعي أثناء تصحيح الأخطاء بشكل فردي، ولكنه تسبب في تداخل خطير أثناء الإنتاج العادي، مما جعلها غير قادرة على العمل.
إذا أظهر مقياس درجة حرارة الهواء الثانوي لمصنع الأسمنت قراءات غير طبيعية فجأة: القيمة المشار إليها منخفضة بشكل كبير وتتقلب بشكل كبير. لقد كان يعمل بشكل جيد للغاية قبل ذلك. تم فحص المزدوجات الحرارية وأجهزة إرسال درجة الحرارة والأجهزة الثانوية، ولم يتم العثور على أي مشاكل. ما هي ذات الصلة؟ عندما تم نقل الجهاز إلى نقطة قياس أخرى، كان يعمل بشكل طبيعي تمامًا. ومع ذلك، عندما تم استبدال أجهزة مماثلة من نقاط قياس أخرى هنا، حدثت الظاهرة نفسها أيضًا. لاحقًا، تم اكتشاف أنه تم تركيب محول تردد جديد على محرك مروحة التبريد رقم 3 في مبرد الشبكة، ولم يظهر مقياس درجة حرارة الهواء الثانوي قراءات غير طبيعية إلا بعد وضع محول التردد في الاستخدام. أوقف محول التردد وأعد مقياس درجة حرارة الهواء الثانوي إلى وضعه الطبيعي على الفور؛ عند إعادة تشغيل محول التردد، أظهر مقياس درجة حرارة الهواء الثانوي قراءات غير طبيعية مرة أخرى. بعد تكرار الاختبار عدة مرات، تم تحديد أن التداخل من محول التردد هو السبب المباشر للعرض غير الطبيعي على مقياس درجة حرارة الهواء الثانوي. المروحة عبارة عن مروحة طرد مركزي، استخدمت في البداية صمامات لضبط حجم الهواء، ثم تحولت لاحقًا إلى تنظيم سرعة التردد المتغير لضبط حجم الهواء. نظرًا لكثرة الغبار والبيئة القاسية في الموقع، تم تركيب محول التردد في غرفة تحكم مركز التحكم في المحركات (MCC). لتسهيل عملية التركيب، يُوصل محول التردد بالجانب السفلي من الموصل الرئيسي للمروحة، ويستخدم كابل خرج محول التردد كابل طاقة محرك المروحة. كابل طاقة محرك المروحة عبارة عن كابل مغلف بطبقة مدرعة غير فولاذية معزول بمادة PVC، ومُمد بالتوازي مع كابل إشارة مقياس درجة حرارة الهواء الثانوي في طبقات جسر مختلفة من خندق الكابل نفسه. يتضح أن ظاهرة التداخل تحدث تحديدًا لأن كابل خرج محول التردد لا يستخدم كابلات مدرعة أو يمر عبر أنابيب حديدية. يجب إيلاء هذا الدرس اهتمامًا خاصًا لمشاريع التجديد التي لم تستخدم محولات التردد في الأصل.
يجب توخي الحذر الشديد عند صيانة محولات التردد يوميًا. يقوم بعض الكهربائيين بتشغيل محول التردد فورًا للصيانة فور اكتشاف عطل وتعطله. هذا خطير للغاية وقد يؤدي إلى حوادث صعق كهربائي. فحتى في حالة توقف محول التردد عن العمل أو انقطاع التيار الكهربائي، قد يظل الجهد الكهربائي موجودًا على خط دخل الطاقة، وطرف التيار المستمر، وطرف المحرك بسبب وجود المكثفات. بعد فصل المفتاح، يجب الانتظار لبضع دقائق حتى يفرغ محول التردد تمامًا قبل بدء العمل. يلجأ بعض الكهربائيين إلى إجراء اختبارات عزل فورية على المحرك الذي يعمل بنظام التردد المتغير باستخدام طاولة اهتزاز عند ملاحظة تعطل النظام، وذلك لتحديد ما إذا كان المحرك قد احترق. هذا أيضًا خطير للغاية، إذ قد يتسبب بسهولة في احتراق محول التردد. لذلك، قبل فصل الكابل بين المحرك ومحول التردد، يجب عدم إجراء اختبار عزل على المحرك، أو على الكابل المتصل به.