ما هي المحركات ثلاثية الطور؟ الأنواع والاستخدامات وكيفية عملها

محركات ثلاثية الطور هي محركات كهربائية ذات تيار متناوب (AC) تعمل على مصدر طاقة ثلاثي الطور. في أبسط تعريف، ما هي المحركات ثلاثية الطور ؟ وهي عبارة عن آلات دوارة تقوم بتحويل الطاقة الكهربائية إلى طاقة ميكانيكية باستخدام ثلاثة تيارات متناوبة منفصلة، ​​يتم إزاحة كل مرحلة بمقدار 120 درجة كهربائية. ينتج هذا الإدخال ثلاثي الطور مجالًا مغناطيسيًا سلسًا دون الحاجة إلى تشغيل مكثفات أو ملفات مساعدة إضافية، مما يجعل هذه المحركات هي الاختيار السائد للتطبيقات الصناعية وعالية الطاقة في جميع أنحاء العالم. وفقا لوزارة الطاقة الأمريكية، تمثل الأنظمة ثلاثية المراحل التي تعمل بمحركات ما يقرب من 70٪ من إجمالي الكهرباء المستهلكة في المنشآت الصناعية، مما يؤكد مدى أهميتها في التصنيع الحديث، ومعالجة المياه، والبنية التحتية لأنظمة التدفئة والتهوية وتكييف الهواء.

كيف تولد المحركات ثلاثية الطور قوة الدوران

السمة المميزة لـ أ محرك 3 فاز تتمثل قدرتها على إنشاء مجال مغناطيسي دوار من التوقيت المتدرج لمراحل الإمداد الثلاثة، والذي يحفز عزم الدوران بشكل مباشر في الدوار دون نبض. داخل الجزء الثابت، توجد ثلاث مجموعات من اللفات موضوعة فعليًا على مسافة 120 درجة. عندما يتم توصيل كل ملف بمرحلة واحدة من التغذية، يصل التيار في كل ملف إلى ذروته في لحظة مختلفة. يبدو أن المجال المغناطيسي الناتج يدور بشكل مستمر حول قلب الجزء الثابت. في نظام 60 هرتز، يدور هذا المجال بسرعة متزامنة تبلغ 3600 دورة في الدقيقة لمحرك ثنائي القطب أو 1800 دورة في الدقيقة لمحرك رباعي الأقطاب. يتم سحب الجزء الدوار، سواء كان يحتوي على قضبان موصلة أو مغناطيس دائم، بواسطة هذا المجال الدوار. إن الفارق بين سرعة المجال وسرعة الدوار هو ما ينتج عزم دوران قابل للاستخدام. في المحركات التحريضية، يتراوح هذا الانزلاق عادةً بين 1% و5% عند التحميل الكامل، وهو رقم تم التحقق منه بواسطة معايير الاختبار IEC 60034-1.

لأن المجال المغناطيسي لا ينهار أبدًا إلى الصفر كما يحدث في محرك أحادي الطور، أ محرك 3 فاز ينتج عزم دوران ثابت ويبدأ من تلقاء نفسه. تعمل قدرة التشغيل الذاتي المتأصلة هذه على التخلص من فقدان الطنين والاهتزاز والكفاءة الذي تتعرض له المحركات أحادية الطور دون بدء اللفات أو المكثفات.

الفئات الرئيسية للمحركات ثلاثية الطور

تنقسم جميع المحركات ثلاثية الطور إلى فئتين عريضتين - المحركات الحثية والمحركات المتزامنة - تم تحسين كل منها لمتطلبات السرعة وعزم الدوران المختلفة. يعد فهم مبدأ التشغيل لكل نوع أمرًا ضروريًا عند اختيار المحرك أو استكشاف الأخطاء فيه وإصلاحها.

المحرك التعريفي على شكل قفص السنجاب

وهذا هو الأكثر شيوعاً إلى حد بعيد محرك 3 فاز في الصناعة، حيث تمثل أكثر من 90% من جميع المحركات الكهربائية المثبتة. يتكون الجزء الدوار من قضبان من الألومنيوم أو النحاس مختصرة من كلا الطرفين بواسطة حلقات نهائية، تشبه قفص السنجاب. عندما يمر المجال الدوار للجزء الثابت عبر هذه القضبان، فإنه يستحث تيارًا يولد مجالًا مغناطيسيًا معاكسًا لمجال الجزء الثابت، ويدور الجزء المتحرك. لا توجد فرش، ولا حلقات انزلاقية، ولا مغناطيس دائم، مما يجعل محرك القفص السنجابي متينًا للغاية وفعالاً من حيث التكلفة. تصل تقييمات الكفاءة للتصميمات الحديثة ذات الكفاءة المتميزة إلى 96% للوحدات التي تزيد قوتها عن 50 حصانًا، كما تم تصنيفها بموجب معيار الكفاءة المتميز IE3.

المحرك التعريفي للجرح الدوار

بدلاً من القفص، يحمل الجزء المتحرك ملفات ثلاثية الطور متصلة بمقاومات خارجية من خلال حلقات الانزلاق. من خلال تغيير مقاومة الدوار، يمكن للمشغل التحكم في تيار البدء وعزم الدوران. يتم استخدام هذا التصميم عند الحاجة إلى بداية ناعمة وعزم دوران مرتفع، كما هو الحال في أنظمة النقل الكبيرة أو الرافعات. ومع ذلك، فإن حلقات الانزلاق والفرش تتطلب صيانة أكثر من الدوار القفصي، مما يجعل هذا المحرك أقل شيوعًا في التركيبات الجديدة.

محرك متزامن

متزامن محرك 3 فاز يعمل بسرعة المجال المغناطيسي الدوار تمامًا، بدون انزلاق. يحمل الدوار إما مغناطيسًا دائمًا أو مجال جرح متحمسًا بواسطة مصدر التيار المستمر. نظرًا لأن الدوار يقفل على المجال الدوار، فإن المحرك يوفر تنظيمًا دقيقًا للسرعة ويمكنه أيضًا العمل عند عامل طاقة رائد، حيث يعمل كجهاز تصحيح عامل الطاقة للمنشأة. يتم بشكل متكرر تركيب محركات متزامنة كبيرة تزيد قوتها عن 1000 حصان في محطات الضاغط ومراوح تهوية المناجم لتحسين جودة الطاقة الإجمالية للشبكة المتصلة بها.

المحركات ثلاثية الطور مقابل المحركات أحادية الطور: مقارنة مباشرة

عند مقارنة محرك ثلاثي الطور بمحرك أحادي الطور بقوة حصانية مكافئة، تكون الوحدة ثلاثية الطور دائمًا أصغر حجمًا وأخف وزنًا وأكثر كفاءة وأكثر موثوقية. يلخص الجدول أدناه الاختلافات الرئيسية التي تفسر سبب سيطرة ثلاث مراحل على الإعدادات الصناعية.

الكفاءة وتأثير الطاقة للمحركات ثلاثية الطور

تُترجم الكفاءة الفائقة للمحركات ثلاثية الطور إلى توفير في تكاليف الطاقة يمكن قياسه، وغالبًا ما يتم استرداد سعر شراء المحرك خلال عام أو عامين من التشغيل المستمر. بموجب تصنيف الكفاءة الدولي IEC 60034-30-1، فإن معيار IE3 ذو الكفاءة المتميزة بقدرة 15 كيلووات (20 حصان) محرك 3 فاز يحقق كفاءة بنسبة 93.6% عند التحميل الكامل، في حين أن محرك IE1 الأقدم ذي الكفاءة القياسية بنفس الحجم قد يصل إلى 88.5% فقط. أكثر من 6000 ساعة تشغيل سنويًا وتكلفة كهرباء تبلغ 0.10 دولارًا لكل كيلووات في الساعة، وهذا الفرق البالغ 5.1 نقطة مئوية يوفر حوالي 600 دولار سنويًا لكل محرك. وفي مصنع يقوم بتشغيل 50 محركًا من هذا النوع، يتجاوز التوفير السنوي 30 ألف دولار. تشرح هذه الأرقام، المستمدة من أداة حساب MotorMaster التابعة لوزارة الطاقة الأمريكية، سبب فرض العديد من الحكومات معايير الكفاءة المتميزة لمبيعات المحركات الصناعية الجديدة.

يلعب عامل الطاقة أيضًا دورًا مهمًا. في حين أن المحرك أحادي الطور يعمل عادة عند عامل قدرة يتراوح من 0.7 إلى 0.8، فإن المحرك المحمل بشكل صحيح محرك 3 فاز يحافظ على معامل القدرة بين 0.85 و 0.92. ويعني عامل الطاقة الأعلى أنه يتم سحب تيار تفاعلي أقل من الشبكة للحصول على نفس الناتج الميكانيكي المفيد، مما يقلل الخسائر في نظام التوزيع بأكمله ويحتمل تجنب عقوبات المنفعة لعامل الطاقة المنخفض.

حيث يتم استخدام محركات 3 مراحل كل يوم

محركات ثلاثية الطور drive nearly every continuous-process load in industry, from water pumps and HVAC compressors to conveyor belts and machine tool spindles. تشمل الصناعات الرئيسية وأحجام محركاتها النموذجية ما يلي:

• المياه البلدية ومياه الصرف الصحي: تعتمد المضخات الغاطسة والمضخات المعززة بقدرة تتراوح من 10 حصان إلى أكثر من 500 حصان، والتي تعمل 24 ساعة يوميًا، بشكل حصري على المحركات الحثية ثلاثية الطور لموثوقيتها وعزم الدوران العالي عند البدء.
• التدفئة والتهوية وتكييف الهواء والتبريد: تستخدم ضواغط التبريد ومراوح برج التبريد ووحدات معالجة الهواء الكبيرة محركات ثلاثية الطور تتراوح قوتها من 3 حصان إلى مئات الأحصنة. غالبًا ما يحتوي مبرد الطرد المركزي في المباني التجارية على محرك متزامن بقوة 200 حصان إلى 500 حصان.
• التصنيع ومعالجة المواد: تستفيد الناقلات، والخلاطات، وأجهزة البثق، ومغازل أدوات الآلات CNC من عزم الدوران الثابت ونطاق السرعة الواسع الممكن مع محرك ثلاثي الطور مدفوع بمحرك متغير التردد.

كيفية قراءة لوحة اسم المحرك ثلاثي الطور

تحتوي لوحة اسم المحرك ثلاثي الطور على جميع البيانات اللازمة لتحديد المحرك وتثبيته وحمايته بشكل صحيح، وقد يؤدي سوء تفسير قيمة واحدة إلى الإرهاق أو فقدان الكفاءة. تشمل المعلمات الرئيسية الجهد المقنن واتصال اللف. المحرك المدرج على أنه 230/460 فولت يعني أنه يمكن توصيله في دلتا لإمداد ثلاثي الطور 230 فولت أو في الاتجاه لإمداد 460 فولت. يخبر تيار التحميل الكامل المدرج المثبت بحجم مرحل التحميل الزائد الذي يجب استخدامه. يشير عامل الخدمة، عادةً 1.15 للمحركات ذات الأغراض العامة، إلى أن المحرك يمكن أن يعمل بشكل مستمر عند حمل زائد بنسبة 15% ضمن الحد الأقصى لدرجة حرارة فئة العزل دون حدوث ضرر. تحدد فئة العزل، عادةً الفئة F (درجة حرارة الملف القصوى 155 درجة مئوية) أو الفئة H (180 درجة مئوية)، الارتفاع الحراري الآمن. أخيرًا، يحدد تصنيف الكفاءة وحجم إطار NEMA أو IEC أبعاد التثبيت الميكانيكية، مما يضمن تثبيت مسامير المحرك البديلة مباشرة في البصمة الحالية.

الأسئلة المتداولة حول المحركات ثلاثية الطور

هل يمكن تشغيل محرك ثلاثي الطور بمصدر أحادي الطور؟

نعم، ولكن فقط مع محول طور خارجي أو محرك تردد متغير مصمم لإنشاء مخرجات ثلاثية الطور من مدخلات أحادية الطور. إن مجرد توصيل اثنين من الخيوط الثلاثة بخط أحادي الطور لن يؤدي إلى تشغيل المحرك وسيؤدي إلى ارتفاع درجة حرارة اللفات بسرعة. يمكن لمحول الطور الثابت تشغيل المحرك ولكنه يوفر حوالي ثلثي القدرة الحصانية المقدرة فقط. إن محول الطور الدوار أو VFD المقدر للإدخال أحادي الطور هو الحل المناسب لتشغيل محرك 3 فاز حيث لا تتوفر طاقة المرافق ثلاثية الطور.

ماذا يعني رقم "الأقطاب" في محرك ثلاثي الطور؟

يحدد عدد الأقطاب السرعة المتزامنة للمجال المغناطيسي الدوار. يدور محرك ثنائي القطب بسرعة 3600 دورة في الدقيقة تقريبًا عند إمداد تردده 60 هرتز، ومحرك رباعي الأقطاب عند 1800 دورة في الدقيقة، ومحرك ذو 6 أقطاب عند 1200 دورة في الدقيقة. تكون سرعة الدوار الفعلية أقل قليلاً بسبب الانزلاق في المحركات الحثية. يعد تحديد عدد الأعمدة أحد اختيارات التصميم الأساسية التي تطابق سرعة المحرك مع الحمل المدفوع دون استخدام علبة التروس.

لماذا لا تحتاج المحركات ثلاثية الطور إلى سلك محايد؟

يحمل الحمل المتوازن ثلاثي الطور تيارات متساوية في جميع الموصلات ثلاثية الطور، والتي يكون مجموعها صفرًا في أي لحظة. لذلك، لا يتدفق أي تيار رجعي عبر الوضع المحايد، ويتم توصيل المحرك بالموصلات الساخنة الثلاثة فقط. تتيح هذه الخاصية لكابل الإمداد أن يكون عبارة عن دائرة مكونة من 3 أسلاك، مما يوفر تكلفة المواد ويقلل الوزن عند تشغيل الكابلات الطويلة.

كيف يمكنك عكس اتجاه محرك ثلاثي الطور؟

يؤدي تبديل أي اثنين من أسلاك إمداد الطاقة الثلاثة إلى عكس تسلسل الطور ويتسبب في دوران المجال المغناطيسي الدوار في الاتجاه المعاكس. يتم ذلك عادةً باستخدام موصل عكسي للمحرك أو عن طريق برمجة VFD لعكس دوران مرحلة الإخراج، ولا يتم ذلك أبدًا عن طريق إعادة توصيل المحرك فعليًا أثناء تطبيق الطاقة.

ما هو العمر الافتراضي النموذجي لمحرك ثلاثي الطور يتم صيانته جيدًا؟

في الظروف النظيفة والجافة مع تشحيم المحامل المناسب، يمكن للمحرك التعريفي الصناعي ذو القفص السنجابي أن يعمل بشكل موثوق لمدة تتراوح من 20 إلى 30 عامًا. يزداد معدل الفشل بشكل حاد إذا تجاوزت درجة حرارة الملف باستمرار حد فئة العزل بما لا يقل عن 10 درجات مئوية. تشير قاعدة أرهينيوس لمتوسط ​​العمر المتوقع للعزل الكهربائي إلى أن كل ارتفاع بمقدار 10 درجات مئوية فوق درجة الحرارة المقدرة يقلل من عمر العزل إلى النصف، مما يجعل الحماية الصحيحة من التحميل الزائد أمرًا بالغ الأهمية لعمر المحرك الطويل.

بمجرد أن تفهم ما هي المحركات ثلاثية الطور والفيزياء التي تحرك دورانها الذاتي وعزم الدوران الثابت، يصبح من الواضح لماذا لا يمكن استبدالها في كل قطاع من قطاعات الصناعة تقريبًا. تستمر كفاءتها ومتانتها وبنيتها البسيطة في جعلها الخيار الافتراضي عندما تتوفر طاقة ثلاثية الطور، كما تعمل التطورات في تكنولوجيا القيادة على زيادة دقتها وإمكاناتها في توفير الطاقة إلى أبعد من ذلك.