1.4 الموقف التعليمي التعلمي: التعرف إلى تركيب المحرك الكهربائي، ومبدأ عمله

1.4 الموقف التعليمي التعلمي: التعرف إلى تركيب المحرك الكهربائي، ومبدأ عمله: وصف الموقف التعليمي التعلمي: حضر صاحب مصنع إلى إحدى الورش الفنية، وطلب التأكد من صلاحية محرك ثلاثي الأطوار في مصنعه، وإجراء الصيانة الدورية له.

1. أشرح مبدأ عمل المحرك الكهربائي ثلاثية الأطوار.
2. أرسم التوصيلات المختلفة لملفات الجزء الساكن من المحركات الكهربائية ثلاثية الأطوار.

   أتعلّم: تركيب المحرك الكهربائي، ومبدأ عمله.

أتمعن الصورة المجاورة جيداً، ثم أجيب عن الأسئلة الآتية:

1. ما نوع المحرك؟
2. من الرَّقم (1)، ما نوع توصيلة المحرك؟
3. ما وظيفة العنصر رقم (2)؟
4. ما وظيفة العنصر رقم (3)؟
5. ما وظيفة العنصر رقم (4)؟
6. العنصر رقم (5) هو عنصر كهربائي، كيف يُمَرر التيار الكهربائي له؟
7. ما وظيفة العنصر رقم (6)؟ أشرح وظيفته.

يعتمد مبدأ عمل المحرك الكهربائي على عمليتي التنافر والتجاذب المغناطيسيين، حيث يتفاعل المجال المغناطيسي في الجزء الساكن ⁦(Stator)⁩ من المحرك مع المجال المغناطيسي في الجزء الدوار ⁦(Rotor)⁩، ويؤدي ذلك إلى تولد عزم، ينتج عنه دوران الجزء الدوار، ويبيّن الشكل (1) الآتي اتجاهات المجال المغناطيسي داخل محرك بسيط:

يتم توليد المجال المغناطيسي في الجزء الساكن، عن طريق المغنطة الكهربائية، من خلال تمرير تيار كهربائي في ملفات الجزء الساكن؛ لينتج عن ذلك مجال مغناطيسي.

أما بالنسبة لتوليد المجال المغناطيسي في الجزء الدوار، فيعتمد على نوع الجزء الدوار:

1. الجزء الدوار ذو الحلقات الانزلاقية (الملفوف) (⁦Slip-Ring Rotor⁩ أو ⁦Wound Rotor⁩): يتم توليد المجال المغناطيسي فيه عن طريق المغنطة الكهربائية، ويُستعمل هذا النوع في محركات التيار المتناوب، ومحركات التيار المستمر.

2. الجزء الدوار ذو القفص السنجابي ⁦(Squirrel Cage Rotor)⁩: يتم توليد المجال المغناطيسي فيه عن طريق الحث المتبادل بين ملفين (الحث الكهرومغناطيسي)، ويُستعمل في محركات التيار المتناوب.

يعتمد مبدأ عمل المحرك الكهربائي ثلاثي الأطوار على تأثير القفص السنجابي بالمجال الدوار في الجزء الساكن، وتفاعل المجالين: المجال الأصلي المتكوّن في الجزء الساكن، والمجال المغناطيسي الناتج عن التأثير المتبادل في الجزء الدوار، حيث تتأثر قضبان القفص السنجابي بكثافة الفيض المغناطيسي المتغير في الجزء الساكن؛ فينتج عنه قوة دافعة كهربائية في القضبان، وعند قصر القضبان بحلقة نحاسية، يمر تيار كهربائي؛ ما يولّد مجالاً مغناطيسياً في الجزء الدوار، ولفهم المجال المغناطيسي الدوار، يجب معرفة تركيب الجزء الساكن.

هناك عدة طرق لترميز نهايات أطراف المحرك، ولكن أكثرها انتشاراً الطرق الآتية:

• يُرمز لبدايات الملفات ⁦U1, V1, W1⁩، ولنهايات الملفات ⁦U2, V2, W2⁩ على التوالي.
• يُرمز لبدايات الملفات ⁦U, V, W⁩، ولنهايات الملفات ⁦X, Y, Z⁩ على التوالي.
• يُرمز لبدايات الملفات ⁦a1, b1, c1⁩، ولنهايات الملفات ⁦a2, b2, c2⁩ على التوالي.
• ويرمز للأطوار ⁦L1, L2, L3⁩ أو ⁦R, S, T⁩ أو ⁦A, B, C⁩.

يتم وصل نهايات الملفات الثلاث بعضها مع بعض، ووصل البدايات مع مصدر التغذية ثلاثي الأطوار، وتُستعمل عند العزم المنخفض، أو بدء التشغيل، حيث يكون التيار منخفضاً، والشكل (5) الآتي يبيّن توصيلة النجمة:

يتم وصل نهاية الملف الأول مع بداية الملف الثاني، ونهاية الملف الثاني مع بداية الملف الثالث، ونهاية الملف الثالث مع بداية الملف الأول؛ للحصول على ثلاث نقاط، ويتم توصيل مصدر التغذية بها، كما هو مبيّن في الشكل (6) الآتي:

تُستعمل في تطبيقات العزم العالي، حيث تساوي القدرة في توصيلة دلتا ثلاثة أضعاف القدرة في توصيلة النجمة.

يدور المجال المغناطيسي في الجزء الساكن من المحرك بسرعة ثابتة، تُسمى السرعة التزامنية، ويُرمز لها بالرمز ⁦ns⁩، ويمكن حسابها وفق المعادلة الآتية: $\omega_s = \frac{4\pi f_e}{P}$ أو $n_s = \frac{120 f_e}{P}$ حيث إن: ⁦ns⁩: السرعة التزامنية، وتُقاس بوحدة ⁦rpm. ws⁩: السرعة الزاوية التزامنية، وتُقاس بوحدة ⁦rad/s. fe⁩: التردد الكهربائي للمصدر، ويُقاس بوحدة ⁦Hz. P⁩: عدد الأقطاب.

ويمثل معامل الانزلاق النسبة بين سرعة الانزلاق والسرعة التزامنية، بحيث تنتج سرعة الانزلاق من سرعة رد فعل الجزء الدوار على تغير الأقطاب في الجزء الساكن. ويُمكن حساب معامل الانزلاق وفق المعادلة الآتية: $S = \frac{n_{slip}}{n_s} = \frac{\omega_s - \omega_m}{\omega_s} = \frac{n_s - n_m}{n_s}$ حيث إن: ⁦S⁩: معامل الانزلاق. ⁦ws⁩: السرعة الزاوية الميكانيكية. ⁦nslip⁩: سرعة الانزلاق. ⁦nm⁩: السرعة الميكانيكية للجزء الدوار.

مثال (1): محرك حثي ثلاثي الأطوار، له أربعة أقطاب، يغذيه مصدر، جهده ⁦380 V⁩، وتردده ⁦50 Hz⁩، إذا كان معامل الانزلاق له 3% عند الحمل الكامل، أحسب:

• أ. السرعة التزامنية للمحرك.
• ب. سرعة الجزء الدوار.

الحل:

• أ. بالتعويض المباشر في معادلة السرعة التزامنية:

• ب. تُحسب سرعة الجزء الدوار من المعادلة الآتية:

$S = \frac{n_s - n_m}{n_s}$ أستنتج العلاقة الآتية: $n_m = n_s(1 - S) = 1500(1 - 0.03) = 1455 rpm$ مثال (2): محرك حثي ثلاثي الأطوار ذو ستة أقطاب، يدور بسرعة ⁦950 rpm⁩، يُغذى كهربائياً بوساطة مولّد توافقي (تزامني) له أربعة أقطاب، ويدور بسرعة ⁦1500 rpm⁩، ما قيمة معامل الانزلاق للمحرك؟

الحل: أحسب التردد الكهربائي للمصدر المغذي للمحرك. بما أن المصدر هو مولّد توافقي، أستخدم معادلة السرعة التزامنية الآتية: $n_s = \frac{120 f_e}{P} \Rightarrow f_e = \frac{n_s P}{120} = \frac{1500 \times 4}{120} = 50 Hz$

حساب السرعة التزامنية للمحرك: $n_s = \frac{120 f_e}{P} = \frac{120 \times 50}{6} = 1000 rpm$ $S = \frac{n_s - n_m}{n_s} = \frac{1000 - 950}{1000} = 0.05 \rightarrow 5\%$

ويُمكن تشغيل محرك حثي ثلاثي الأطوار، وفحصه من مصدر أحادي الطور، بتوصيل خط الطور إلى الملف الأول، وتوصيل الخط المتعادل إلى الملف الثاني، وإضافة مواسع بين خط الطور والملف الثالث، حيث تعتمد قيمة المواسع على قيمة المفاعلة الحثية لملفات المحرك؛ لعمل فرق طور كهربائي بين الملفات، إضافة إلى إمكانية عكس اتجاه دورانه، عن طريق توصيل خط الطور إلى الجهة الأخرى من المواسع.

وفي الوضع العام، يمكن توصيل مواسع، قيمته ⁦50 μF⁩ لمحرك، قدرته ⁦1 HP⁩، والشكل (7) الآتي يبيّن طريقة توصيل محرك ثلاثي الأطوار من مصدر أحادي الطور، وعكس اتجاه دورانه:

يمكن التحكم بتشغيل وعكس اتجاه دوران محرك ثلاثي الأطوار يتم تشغيله من مصدر أحادي الطور، باستخدام المفاتيح التلامسية، كما في الشكل (8) الآتي، كما يمكن استخدام مفتاح اسطواني للغرض نفسه.

ويبيّن الشكل (9) الآتي دارة التحكم في تشغيل محرك كهربائي ثلاثي الأطوار:

باستخدام المفاتيح الاسطوانية أصمم دارة تشغيل وعكس دوران محرك ثلاثي الأطوار يتم تشغيله من مصدر أحادي الطور. ويمكن عكس اتجاه دوران المحرك الحثي ثلاثي الأطوار، بعكس توصيل أحد الأطوار مكان طور آخر، والشكل (10) الآتي يبيّن دارة التحكم والقدرة لعكس اتجاه دوران محرك ثلاثي الأطوار باستخدام المفاتيح التلامسية.

1. مِمَّ يتكون المحرك الكهربائي الحثي ثلاثي الأطوار؟
2. كيف يعمل المحرك الكهربائي الحثي ثلاثي الأطوار؟
3. ما الفرق بين توصيلة النجمة، وتوصيلة المثلث؟
4. ما العوامل المؤثرة على قيمة السرعة التزامنية؟
5. ما قيمة السرعة التزامنية لمحرك له أربعة أقطاب، وتردد المصدر الذي يغذيه ⁦50 Hz⁩؟