تحديد حجم المحول لتشغيل المحرك: شرح انخفاض الجهد والتيار عند القفل والمقاومة

تحديد حجم المحول لتشغيل المحرك: شرح انخفاض الجهد والتيار عند القفل والمقاومة

 

أرسلت لنا مصنع معالجة أغذية في الخليج رسمًا تخطيطيًّا وحيد الخط في الربع الماضي، يضم ثلاثة محركات بقدرة ٢٠٠ حصان متصلة بمُحوِّل واحد سعته ١٠٠٠ كيلوفولت أمبير، وجميعها تبدأ التشغيل مباشرةً على الشبكة. وكانت قدرة المحوِّل مناسبة للحمل أثناء التشغيل العادي مع هامش احتياطي. لكن الفشل ظهر عند أول تشغيل للمحطة في اليوم: انخفض جهد حافلة ٤٨٠ فولت إلى حدٍّ كبير جدًّا فأدى إلى فتح مفاتيح التلامس على الخط، فلم تصل المحركات أبدًا إلى السرعة القصوى، وبقيت المحطة تنتظر قدوم كهربائي. ولم يكن هناك أي عطل فعلي. إنما تحديد حجم المحوِّل لتشغيل المحركات لم يُحسب قط.

وهذا النقص شائعٌ، وهو مكلفٌ. فلوحة بيانات المحرك تُخبرك بالقدرة بالحصان وبالتيار عند الحمل الكامل فقط. أما ما لا تُخبرك به هو الكيلوفولت أمبير الذي يجب أن يزوده المحوِّل خلال الثواني التي يتسارع فيها الدوار — وهذه القيمة، وليس حمل التشغيل العادي، هي التي تحدد عادةً ما إذا كانت الحافلة ستبقى مستقرة أم لا.

 

 

 

لماذا يُعد تشغيل المحرك مشكلةً تتعلَّق بالمحوِّل

 

المحرّك العامل والمحرّك عند التشغيل هما حمْلتان مختلفتان تحملان نفس اللوحة التعريفية. وعند التشغيل بسرعة، يستهلك محرّك التحريض تيارًا يقارب تيار الحمل الكامل عند معامل قدرة يتراوح بين ٠,٨٥ و٠,٩، ويكون الجزء الأكبر من الحمْلة عبارة عن طاقة فعلية. أما عند السكون، فإن مقاومة الدوار تنخفض بشكل كبير، فيقفز التيار إلى نحو ستة أضعاف تيار الحمل الكامل بالنسبة لمُحرّك من التصميم (B) وفق معيار (NEMA)، ويقل معامل القدرة ليصل إلى ما بين ٠,١٥ و٠,٣.

يستهلك المحرّك عند التشغيل تيارًا عَكْسيًّا شبه نقي. ومن منظور المحوِّل واللوحة الكهربائية، يبدو كأن مفاعلة كبيرة قد وُصِلت دفعة واحدة، والتيار العكسي هو بالضبط ما يُسبِّب انخفاض الجهد عبر مقاومة المحوِّل.

وهذا هو الجزء الذي يغفله معظم المشترين: فهذه ليست عيبًا في المحرّك، ولا شيء يمكن لمورد المحرّك إصلاحه باستخدام درجة عزل أفضل. بل إن هذا الانخفاض خاصية نظامية تعتمد على النسبة بين القدرة الظاهرية (kVA) اللازمة لتشغيل المحرّك والقدرة القصوى القصيرة للمحوِّل، مما يجعل تحديد حجم المحوِّل لتشغيل المحركات قرار التحديد متعلقًا بالجانب الخاص بالمحوِّل في الرسم الهندسي.

يُشكِّل الحدث المادي نفسه المعيار الذي يعتمده الطرفان. وتحدد وثيقة NEMA MG 1 لِكُل محرك رمز حرفٍ يعبّر عن استهلاك الكيلوفولت أمبير عند حالة التوقف القسري، كما تُعرِّف أداء التشغيل الأولي الذي يمكن للمستخدمين الاعتماد عليه — وهي مرجعٌ مفيدٌ حينما يتطوَّر سؤالٌ موجَّهٌ إلى المورِّد ليصبح سؤالاً عقديًّا. وتُسمَّى هذه الوثيقة برنامج معايير المحركات والمولِّدات وتُنشِرها الجهة المختصة.

 

قراءة حمل التشغيل من لوحة بيانات المحرك

 

ويُعَد الرمز الحرفِي أسرع وسيلة للحصول على استهلاك الكيلوفولت أمبير عند حالة التوقف القسري بدون الحاجة إلى ورقة بيانات المحرك.

وهو يحوِّل القدرة بالحصان الآلي مباشرةً إلى استهلاك الكيلوفولت أمبير عند حالة التوقف القسري، ويظهر هذا الرمز على لوحة بيانات كل محركٍ وفق معايير NEMA.

 

الرمز الحرفِي	استهلاك الكيلوفولت أمبير عند حالة التوقف القسري لكل حصان آلي
هـ	٤٫٥ – ٤٫٩٩
ف	٥٫٠ – ٥٫٥٩
جي	٥٫٦ – ٦٫٢٩
ح	٦٫٣ – ٧٫٠٩
ج	٧٫١ – ٧٫٩٩
ك	٨٫٠ – ٨٫٩٩

 

تمتد الدرجة من أ إلى ف، وتزداد مع كل حرف، لذا فإن محركاً رمزه ك يطلب نحو ٦٠٪ أكثر من المحول مقارنةً بمحرك رمزه ف ذي نفس التصنيف. ويبلغ الطلب عند التشغيل لوحدة سعة ٢٠٠ حصان ورمزها ف ما بين ١٠٠٠ و١١١٨ كيلوفولت أمبير؛ أما نفس وحدة الـ٢٠٠ حصان ورمزها ك فتصل طاقتها عند التشغيل إلى ما بين ١٦٠٠ و١٧٩٨ كيلوفولت أمبير. اقرأ الحرف مباشرةً من اللوحة الإسمية الفعلية لا من الكتالوج، لأنه العدد الوحيد الذي يؤثر في نتيجة تحديد الحجم بمفرده.

ويجب إدراج ثلاثة تفاصيل إضافية بجانبه:

• عدد مرات التشغيل في الساعة. ويُعد كل تشغيل حدثاً حرارياً سواء في المحرك أو في لفات المحول. وتنشر شركات تصنيع المحركات منحنىً يوضح العدد المسموح به من عمليات التشغيل في الساعة، ويجب أن يتحمل المحول نفس هذه الأحمال.
• خصائص عزم التحميل. تبدأ المضخة الطردية تقريبًا دون تحميل؛ أما الناقل المحمل أو الضاغط ذي الإزاحة الإيجابية أو المروحة عالية العطالة فقد تبقى في نطاق التسارع مدة كافية لتؤثر.
• طريقة التشغيل. التشغيل المباشر على الشبكة، والمحول الذاتي، ووصلة النجمة-المثلث، وجهاز التحكم اللطيف في التشغيل، ومحرك التردد المتغير — كلٌّ منها يُحدث ملفًّا مختلفًا للتيار على المحول.

 

تحديد سعة المحول لتشغيل المحرك: الحساب الذي يجب أن يتضمَّنه كل طلب عرض أسعار.

 

الحساب الأولي قصير بما يكفي ليُنفَّذ يدويًّا. وسعة القصر للمحول تساوي كيلوفولت أمبير الخاص به مقسومةً على مقاومته النسبية؛ ونسبة كيلوفولت أمبير التشغيل للمحرك إلى تلك السعة، مع التعبير عنها كنسبة مئوية، تعطي انخفاض الجهد التقريبي:

%انخفاض الجهد ≈ (كيلوفولت أمبير تشغيل المحرك × %Z للمحول) ÷ كيلوفولت أمبير المحول

تم تطبيق الحساب على حالة محطة الضخ عند مقاومة نسبية قدرها ٥,٧٥٪، مع تشغيل محرك واحد بقدرة ٢٠٠ حصان من الفئة فـ (F) بينما يعمل المحركان الآخران:

 

المحولة	قدرة القصر	الكيلوفولت أمبير الابتدائي	انخفاض الجهد المحسوب
500 كيلو فولت أمبير	٨٬٦٩٦ كيلوفولت أمبير	١٠٦٠ كيلوفولت أمبير	12.2%
٧٥٠ كيلوفولت أمبير	١٣٠٤٣ كيلوفولت أمبير	١٠٦٠ كيلوفولت أمبير	8.1%
١٠٠٠ كيلوفولت أمبير	١٧٣٩١ كيلوفولت أمبير	١٠٦٠ كيلوفولت أمبير	6.1%

 

يبرز ثلاث نقاط. أولاً، تنخفض الجهد بشكل شبه خطي تقريبًا مع زيادة سعة المحول بالكيلوفولت أمبير، لذا فإن قرار تحديد السعة هو في الواقع قرار تحديد مدى الانخفاض. ثانيًا، المقاومة الداخلية تُعد عامل ضبط مستقل: فعند سعة ٥٠٠ كيلوفولت أمبير، يؤدي خفض المقاومة من ٥,٧٥٪ إلى ٤,٠٪ إلى تقليل الانخفاض إلى نحو ٨,٥٪ دون الحاجة إلى شراء وحدة أكبر. ثالثًا، هذه الفحوصات تُعد مجرد تقييم أولي وليس بديلًا عن دراسة تفصيلية. فهي تتجاهل مقاومة مصدر شركة التوزيع الكهربائية والمحركات العاملة مسبقًا على نفس الخط، وكلٌّ من هذين العاملين يزيدان من الانخفاض الفعلي — لذا يجب ترك هامش أمان عند تفسير النتيجة بدل اعتبارها القيمة النهائية.

طبِّق نفس الحسابات على كل محرك يمكن أن يبدأ تشغيله أثناء تشغيل المصنع عند أقصى حمل له، ثم كرر ذلك لأسوأ مجموعة محتملة من المحركات التي قد تبدأ تشغيلها معًا. وتقوم شركات التوزيع الكهربائية والاستشاريون بإجراء الدراسة الكاملة؛ أما مورِّد المحولات الذي لا يستطيع إعادة إنتاج هذه الفحوصات البسيطة فهو يقدّم فقط قيمة سعة بالكيلوفولت أمبير، وليس حلًّا نظاميًّا متكاملًا.

 

ما مدى الانخفاض المسموح به؟ وما العوامل الفعلية التي تؤدي إلى انقطاع التشغيل؟

 

الهدف التوجيهي الذي تستخدمه معظم المشاريع الصناعية في هذه الفحوصات الأولية هو انخفاض الجهد من ١٠٪ أو أقل عند طرفي المحرك أثناء التشغيل. وفي حالة التغذية المخصصة التي لا تشترك فيها أي أحمال حساسة في نفس الحافلة، يُسمح أحيانًا بنسبة ١٥٪، لكن اتخاذ هذا القرار يتطلب موافقة خطية من مهندس الكهرباء المسؤول عن المصنع بدلًا من اكتشافه لاحقًا أثناء مرحلة التشغيل والاختبار.

والسبب في أن الحد المسموح به أضيق مما تحتاجه المحركات هو أن المحرك نادرًا ما يكون أول جهاز يتأثر سلبًا:

• غالبًا ما تكون المفاتيح الكهرومغناطيسية (Contactor) مُصنَّفة للعمل بشكل مستمر حتى انخفاض جهد ملف التحكم إلى حوالي ٨٥٪ من قيمته القياسية، وبالتالي فإن هبوطًا بنسبة ١٥٪ قد يؤدي إلى فتح مفتاح تشغيل (Starter) بينما تظل المحرك قادرًا على الاستمرار في العمل.
• أما محولات التردد المتغير (VFD) ووحدات إمداد الطاقة (Power Supplies) فهي تتحمل الهبوط المؤقت في الجهد فقط لمدة زمنية محددة تعتمد على زمن الاحتفاظ بالطاقة في حافل التيار المستمر (DC Bus Hold-up Time).
• وتُضبط ريلايات الحماية من انخفاض الجهد (Undervoltage Relays) الخاصة بالمعدات الأخرى غالبًا لتفعيل الانقطاع عند هبوط يتجاوز ٢٠٪، ما قد يحوِّل عملية تشغيل واحدة إلى انقطاع عام في كامل المنشأة.
• كما يمكن أن تفرض حدود وميض الشبكة العامة (Utility Flicker Limits) قيودًا على عمليات التشغيل المتكررة عند خدمة مشتركة، حتى لو كانت جميع الأحمال الموجودة في الموقع تتحمل الهبوط المذكور.

أما حماية المحرك أثناء التشغيل فهي موضوع مستقل بذاته، والمصدر المرجعي المعتمد في هذا المجال هو المعيار IEEE 3004.8، الممارسة الموصى بها لحماية المحركات في أنظمة الطاقة الصناعية والتجارية والتي تشمل حماية بدء التشغيل ونقل الحافلة وانخفاض الجهد لكلٍّ من المحركات التي تُشغَّل بالملحقات الكهربائية (كونتاكتور) وأولئك الذين يُشغَّلون بالقواطع الكهربائية.

 

القرارات التصميمية التي تعالج فعليًّا الانخفاض المفاجئ في الجهد

 

وبمجرد عرض الأرقام، ترتَّب الخيارات تلقائيًّا وفقًا للتكلفة والآثار الجانبية.

• اشترِ كيلوفولت أمبيرًا أكثر. علاقة طردية مباشرة وبسيطة، كما أنها ترفع أيضًا تيار القصر المتاح، ما قد يستلزم مراجعة تصنيفات المعدات اللاحقة.
• حدِّد مقاومة أقل. فعّالة، لكن انخفاض النسبة المئوية للمقاومة (%Z) يعني ارتفاع تيار القصر وزيادة القوى الميكانيكية المؤثرة على اللفائف أثناء حدوث قصر كهربائي. لذا، حدد هذه القيمة كهدفٍ له نطاق تسامح معيَّن، وليس كرغبة عامة.
• خصِّص محولًا منفصلًا للمحرك الكبير. العزل غالبًا أرخص من زيادة حجم وحدة مشتركة، كما أنه يمنع انقطاع تشغيل المضخة عن التأثير سلبًا على خط الإنتاج.
• اختر طريقة التشغيل بدقة. يُقلِّل مبدئ الترانسفورمر الذاتي على تاب ٦٥٪ تيار الخط إلى نحو ٤٢٪ من التيار عند التشغيل المباشر، لأن العزم وتيار الخط يتناسبان مع مربع الجهد المطبَّق. أما نظام الاتصال النجمي-الثلاثي فيوفِّر نحو ثلث تيار التشغيل المباشر. ويوفِّر المبدئ اللطيف أو المحرك الكهربائي أملسَ منحنى تشغيل، لكنه يضيف بدوره اعتبارات خاصة به تتعلَّق بالتوافقيات وحماية الترانسفورمر.
• تفقَّد قدرة التحمُّل الحراري، وليس الانخفاض فقط. تؤدي عمليات التشغيل المتكرِّرة إلى ارتفاع درجة حرارة لفائف المحرك. فقد يجتاز الترانسفورمر حساب التشغيل الوحيد، ومع ذلك يفشل في تلبية المواصفة التي تتطلَّب ست عمليات تشغيل في الساعة عند أقصى درجة حرارة محيطة.
• لا تتوقَّع أن تساعد كفاءة المحرك في هذه الحالة. توفر محركات NEMA Premium خسائر تشغيل أقل — ولذلك تحتفظ وزارة الطاقة الأمريكية ببرنامجها للموارد — أنظمة المحركات ولكنها لا تقلِّل من استهلاك الكيلوفولت أمبير عند حالة التوقف القسري أداء التشغيل وكفاءة التشغيل هما مواصفتان منفصلتان مذكورتان على لوحة البيانات.

لاحظ الفرق عن تيار التحميل الأولي. إن تيار التشغيل المفاجئ الناتج عن تشغيل المحول غير المحمل هو ظاهرة منفصلة لها تأثيراتها الخاصة على المواصفات، وهي موضَّحة في دليلنا الخاص بـ تيار إدخال المحول . وكلا الظاهرتين تظهران في نفس المشروع؛ ولا تُحل إحداهما الأخرى.

 

كيف تتعامل شركة ريان إلكتريك مع مشاريع أحمال المحركات

 

تأسست شركة ريان إلكتريك (ريان إلكتريك جيانغسو المحدودة) في عام ٢٠٠٧ وتُعتبر شريكًا رسميًّا في مشروع مشترك مع شركة إيتن منذ عام ٢٠٢٣. وعادةً ما تصل مشاريع الصناعات التي تعتمد اعتمادًا كبيرًا على المحركات على هيئة طلب لمحول قوة أو محول توزيع، مع تحديد قيمة مقاومة داخلية مستهدفة وواجب تشغيل أولي مرفق به، وهذه هي الجزء الذي يركز عليه مهندسونا عند إعداد العرض السعري. محول الطاقة طلب لمحول قوة

معظم العمل يتم في المرحلة الأولى. فنحن نطلب جدول المحركات — أي القدرة بالحصان، والحرف الرمزي، والجهد، وطريقة التشغيل — قبل أن نقدِّم القيمة الاسمية بالكيلوفولت أمبير، لأن اختيار المقاومة الداخلية وتصميم اللفات يعتمدان على ذلك. تحديد حجم المحوِّل لتشغيل المحركات حساب، وليس من صفحة كتالوج. وعندما يحتاج مشروعٌ ما إلى نطاق مقاومة محدَّد أو مدى تغيير غير معتاد للجهد أو ثانوية ذات جهدين، فإن هذا التصميم يمر عبر نفس عملية الهندسة المخصصة التي نستخدمها في محولات المُستقيمات وأفران الصهر. وتشمل شهادات التصديق: UL وCSA وIEEE وDEKRA وCNAS وCE، ويُرفق بكل وحدة بيانات الاختبارات الروتينية — مثل النسبة ومقاومة اللفائف والمقاومة والخسارة عند التشغيل بدون حمل والخسارة عند التشغيل تحت الحمل واختبارات العزل الكهربائي — لكي يتمكَّن فريق التشغيل من التحقق من قيمة المقاومة الفعلية المورَّدة مقارنةً بالقيمة التي اعتمدت عليها دراسة التحميل.

 

 

 

ما يجب تضمينه في طلب العرض (RFQ)

 

خمسة عناصر تحوِّل الاستفسار العام إلى مواصفات قابلة للعرض السعري لمحول كهربائي:

• جدول المحركات مع حصان القوة وحرف رمز NEMA والجهد وحرف التصميم أو فئة التشغيل الأولي حسب IEC.
• طريقة التشغيل الأولي والملف الناتج للتيار على الخط.
• عدد عمليات التشغيل الأولي المسموح بها في الساعة ودرجة حرارة البيئة المُصمَّم لها.
• مقدار هبوط الجهد المقبول، وما إذا كانت دراسة تشغيل المحرك قد أُجريت مسبقًا أم لا.
• التيار العطل المتاح عند الطرف الأولي، بحيث يمكن تنسيق قيم المقاومة والقدرة القاطعة معًا.

أرسل تلك الخمسة، وعندئذٍ يتوقف اقتباس المحول عن كونه مقارنة سعرية بين الافتراضات. وإذا كانت لديك جدول محركات ومخطط أحادي الخط، فأرسلهما إلينا عبر صفحتنا الخاصة بالتواصل وستُرجع فريق الهندسة الخاص بنا توصيةً بالسعة بوحدة الكيلوفولت أمبير وقيمة المقاومة مع عرض حساب الانخفاض.

حول المؤلف — أعدَّ هذا الدليل فريق هندسة المحولات ذات الجهد المتوسط في شركة جيانغسو ريان إلكترك المحدودة، وهي شركة مصنِّعة مقرها نانتونغ وتتخصص في المحولات الجافة والمحولات الغاطسة بالزيت والمحولات المركبة على القواعد والمحطات الفرعية المدمجة، كما أنها شريك مشروع مشترك رسمي مع شركة إيتن منذ عام ٢٠٢٣. ويدعم الفريق المشاريع الصناعية ومشاريع المرافق والبنية التحتية بدءًا من مراجعة المواصفات وحتى اختبار القبول بالمصنع، ويعمل على تصاميم المحولات ضمن نطاق الجهد من ١٠ كيلوفولت إلى ١١٠ كيلوفولت.