3.4 الموقف التعليمي التعلّمي: التحكم في عزم وقيمة تيار البدء للمحركات الحثية ثلاثية الأطوار

3.4 الموقف التعليمي التعلّمي: التحكم في عزم وقيمة تيار البدء للمحركات الحثية ثلاثية الأطوار: وصف الموقف التعليمي التعلّمي: حضر أحد المزارعين إلى إحدى الورش الفنية، وطلب تركيب جهاز لتشغيل مضخة ماء غاطسة وحمايتها من زيادة التيار في أثناء بدء التشغيل. العمل الكامل:

• نوع المحرك الكهربائي المطلوب التحكم بتيار بدء عزمه.
• طبيعة عمل المحرك الكهربائي.
• مدى التحكم في تيار البدء.
• عدد ساعات عمل المحرك يومياً.

  أجمع البيانات عن:

• أنواع المحركات الكهربائية ثلاثية الأطوار.
• المواصفات الفنية للمحركات الكهربائية ثلاثية الأطوار.
• طرق التحكم بتيار البدء للمحركات الكهربائية ثلاثية الأطوار.
• طرق التحكم بعزم المحركات الكهربائية ثلاثية الأطوار.
• درجة حماية المحركات ⁦(IP)⁩. | - الحوار والمناقشة.
• التعلم التعاوني (العمل ضمن فريق). | - الوثائق:

  طلب المزارع. أوراق البيانات ⁦(Data sheet)⁩ الخاصة بالمحركات الكهربائية ثلاثية الأطوار.

• التكنولوجيا:

  الشبكة العنكبوتية، والمواقع الإلكترونية المحكمة. صور عن المحركات الكهربائية ثلاثية الأطوار. فيديو عن المحركات الكهربائية ثلاثية الأطوار. | 140

نوع المحرك الكهربائي المطلوب التحكم بتيار البدء، وعزمه. طبيعة عمل المحرك الكهربائي. مدى التحكم بتيار البدء، وعزمه. عدد ساعات عمل المحرك يومياً. أنواع المحركات الكهربائية ثلاثية الأطوار. المواصفات الفنية للمحركات الكهربائية ثلاثية الأطوار. طرق التحكم بتيار البدء للمحركات الكهربائية ثلاثية الأطوار. طرق التحكم بعزم المحركات الكهربائية ثلاثية الأطوار. درجة حماية المحركات ⁦(IP)⁩.

• أحدد خطوات العمل.
• أعد جدولاً زمنياً للتنفيذ. | - التعلم التعاوني (العمل ضمن فريق).
• البحث العلمي. | - الوثائق:

  أوراق البيانات ⁦(Data sheet)⁩ الخاصة بالمحركات الكهربائية. البيانات التي يتم جمعها.

• الإنترنت: (مواقع خاصة بالمحركات الكهربائية ذات مصداقية). |

سلامة التوصيلات الكهربائية. عدم تشغيل المحرك قبل التأكد من سلامة التوصيلات. استخدام الأدوات والعدّة المناسبة.

• تمديد كابلات وتجهيز نهايات الكوابل.
• تركيب جهاز ⁦Soft Starter⁩ في اللوحة، وتثبيته جيداً.
• توصيل الكابلات الرئيسة للجهاز.
• توصيل دارات التحكم بالجهاز.
• برمجة الجهاز وتجهيزه.
• التأكد من التوصيلات قبل التشغيل.
• اخذ القياسات، والتأكد منها.
• تشغيل المضخة، والتأكد من عملها. | - الحوار والمناقشة.
• التعلم التعاوني (مجموعات عمل). | - جهاز ⁦DMM⁩.
• قرطاسية.
• الإنترنت (مواقع خاصة بالمحركات الكهربائية ذات مصداقية). |

  141

• الوثائق والنماذج التي عُبئت خلال أداء المهمة.
• إنجاز العمل في الوقت المحدد وفق طلب المزارع.
• إعادة العدد والأدوات المستخدمة لأمكنتها، وترتيب مكان العمل. | - البحث العلمي.
• التعلم التعاوني (مجموعات عمل).
• الحوار والمناقشة. | - طلب المزارع.
• الوثائق والتقارير.
• المواصفات الفنية.
• حاسوب.
• الإنترنت (مواقع خاصة بالمحركات الكهربائية ذات مصداقية). |

نوع المحرك الكهربائي المطلوب التحكم بتيار البدء، والعزم. طبيعة عمل المحرك الكهربائي. مدى التحكم بتيار البدء، والعزم. عدد ساعات عمل المحرك يومياً. أنواع المحركات الكهربائية ثلاثية الأطوار. المواصفات الفنية للمحركات الكهربائية ثلاثية الأطوار. طرق التحكم بتيار البدء للمحركات الكهربائية ثلاثية الأطوار. طرق التحكم بعزم المحركات الكهربائية ثلاثية الأطوار. درجة حماية المحركات ⁦(IP)⁩.

• أنشئ ملفاً خاصاً بالحالة (التحكم في عزم وقيمة تيار البدء للمحركات الحثية ثلاثية الأطوار).
• أجهز تقريراً فنياً للمزارع.
• أعد تقريراً كاملاً بالعمل. | - الحوار والمناقشة.
• التعلم التعاوني (مجموعات عمل). | - جهاز حاسوب.
• جهاز العرض ⁦LCD⁩.
• سجلات. |

• أعبئ نموذج التقييم.
• رضا المزارع (موافقة المزارع على تركيب جهاز تشغيل المضخة وحمايتها من زيادة التيار عند بدء التشغيل بما ينسجم مع المواصفات والمقاييس). | - الحوار والمناقشة.
• العصف الذهني. | - طلب المزارع.
• المواصفات والكتالوجات.
• نموذج العمل الخاص بالتقييم. |

  142 أسئلة: 1. أرسم دارة تحكم بطريقة توصيل عدد من المقاومات على التوالي مع ملفات الجزء الدوار، حيث تعمل دارة التحكم على إخراج المقاومات بالتدريج.

2. ما الفرق بين $\tau_{load}$، $\tau_{in}$؟
3. كيف يتم التقليل من تيار البدء عند تشغيل المحرك؟
4. أناقش الأضرار الناتجة عن تيار البدء العالي في أثناء تشغيل المحركات.

الصورة الآتية هي لجهاز كهربائي، يُستخدم في التحكم بالمحركات الكهربائية، أتمعنها جيداً، ثم أجيب عن الأسئلة التي تليها:

1. ما اسم هذا الجهاز؟
2. ما وظيفة هذا الجهاز؟
3. كيف يتم توصيل هذا الجهاز؟

   أتعلّم: التحكم في عزم تيار البدء للمحركات الحثية ثلاثية الأطوار.

يُعرّف العزم: بأنّه القوة المؤثرة على الجسم تأثيراً التوائياً، ينتج عنه دوران الجسم، ويُقاس بوحدة نيوتن.متر، ويُرمز له بالرمز $N.m$. ويُقسم العزم في المحرك إلى قسمين، هما:

1. العزم المتولّد في المحرك $\tau_{ind}$، ويُحسب من المعادلة الآتية:

$\tau_{ind} = \frac{P_{con}}{\omega_m}$ وبما أنّ السرعة الزاوية الميكانيكية متغيّرة بالنسبة للحمل على محور الدوران للمحرك، يُفضّل استبدال $\omega_m$ بالسرعة الزاوية التزامنية $\omega_s$، وتُستبدل $P_{con}$ بالقدرة المتولّدة في الفجوة الهوائية $P_g$ لتصبح المعادلة: $\tau_{ind} = \frac{P_g}{\omega_s}$ وتُحسب $\omega_s$ من المعادلة الآتية: $\omega_s = \frac{2\pi n_s}{60}$

2. عزم الحمل $\tau_{load}$، وهو العزم الخارج على محور الدوران، بعد التخلص من احتكاك كراسي التحميل والهواء في الثغرة الهوائية، ويُحسب من المعادلة الآتية:

يمثّل منحنى العزم العلاقة العكسية بين السرعة والعزم، فزيادة العزم على المحرك، تقلّل سرعته الميكانيكية، ويمثّل الشكل (1) الآتي تلك العلاقة، فكلّما ازداد العزم، تقل السرعة، حتى يصل المحرك إلى العزم الأقصى، وهو أكبر عزم يتحمله المحرك دون تباطئه وتوقفه، ويُسمى هذا القسم منطقة التشغيل المستقر:

أمّا إذا قلّت السرعة والانزلاق عن $S_m$، فيُسمى هذا القسم منطقة التشغيل غير المستقر، وفي هذه الحالة، تقل السرعة، ويتباطأ المحرك، حتى يتوقف. وفي الحالة المثالية، يتم اختيار عزم الحمل الكامل للمحرك نصف عزم البدء؛ لوضع هامش أمان في التحميل، وزيادة العمر الافتراضي للمحرك، ويبيّن الشكل (2) الآتي رسم منحنى العزم بالنسبة لعزم الحمل الكامل:

طرق تقليل تيار البدء:

تُستخدم هذه الطريقة؛ للتقليل من قيمة جهد المصدر الواصل إلى الجزء الساكن، وبالتالي التقليل من قيمة تيار البدء، فعند البدء، يأخد المحرك تغذيته من المحول الذاتي، وبعد دوران المحرك واستقراره، تقوم الملامسات المغناطيسية بتوصيل المحرك على جهد الشبكة، وتُستخدم هذه الطريقة عندما تكون ملفات المحرك موصولة داخلياً من الشركة المصنّعة، ويبيّن الشكل (3) الآتي دارة التحكم، ودارة القدرة لطريقة المحول الذاتي:

2. تغيير توصيلة ملفات الجزء الساكن من نجمة إلى مثلث (دلتا) في أثناء التشغيل:

   تُستخدم هذه الطريقة عندما يكون المحرك بستة أطراف، حيث تكون توصيلة المحرك عند بدء التشغيل نجمة، وتيار توصيلة النجمة أقل من تيار توصيلة المثلث بثلاثة أضعاف، فيكون تيار البدء أقل، وبعد استقرار دوران المحرك، يتم تغيير توصيلة الجزء الساكن إلى مثلث، ويمكن تغيير التوصيل يدوياً عن طريق مفتاح أسطواني، أو آلياً عن طريق مؤقت، وملامسات، والشكل (4) الآتي يبيّن طريقة تغيير التوصيلة باستخدام المؤقت:

1. تُستخدم هذه الطريقة عندما يكون الجزء الدوار من نوع الحلقات الانزلاقية، حيث يتم توصيل المقاومات مع الجزء الدوار عند البدء، وعند استقرار دوران المحرك، يتم إخراج المقاومات بالتدريج؛ لتجنّب زيادة المفاقيد في الجزء الدوار.
2. ومن ميزات هذه الطريقة، رفع عزم البدء، وتغيّر موقع العزم الأقصى، والشكل (5) الآتي يبيّن طريقة تغيير مقاومة الجزء الدوار:

كما يبيّن الشكل (6) الآتي تغيّر منحنى العزم عند تغيير المقاومة:

يُطلق على هذه الدارات اسم ⁦(Soft Starter)⁩؛ أي الإقلاع الناعم، أو البدء الناعم، وتُعد هذه الطريقة من أحدث الطرق في عملية إقلاع المحركات، إضافة إلى إمكانية برمجة زمن الإقلاع، وزمن التوقف، ويُضاف إليها دارات حماية للمحرك، من ضمنها الحماية من فقدان أحد الأطوار، أو انخفاض جهد الأطوار.

يتم التحكم في فصل المحركات، ووصلها عن طريق ثايرستورات، حيث تتحكم الثايرستورات في مقدار القدرة المتدفقة للمحرك، عن طريق دارات إلكترونية، ويمكن برمجتها للتحكم في زاوية قدح الثايرسترات. ويختلف تركيب البادئات الناعمة من شركة إلى أخرى، فمنها ما يحتوي على ملامسات داخلية، ومنها ما يحتاج إلى ملامسات خارجية، يتم توصيلها مع البادئ على التوازي، ويُطلق على هذه الملامسات اسم ⁦(Bypass contactor)⁩، وتأخد اشارة عملها من البادئ عند استقرار تشغيل المحرك، ويمر التيار فيها، وتُسمى أيضاً الطريق الجانبي، ويبيّن الشكل (7) الآتي دارة إقلاع (بدء) ناعم:

وفي البادئات التي تحتاج إلى توصيل ملامسات خارجية معها، يحتوي البادئ على تسع نقاط للتوصيل؛ ثلاث منها للمصدر، وثلاث للمحرك، وثلاث يتم توصيلها مع الملامسات؛ ويرجع ذلك لوجود محوّلات للتيار، تقوم بقياس قيمة التيار المار فيها للمحرك، فإذا انخفض عن حد معيّن، يقوم البادئ بإيقاف المحرك، إضافة لذلك، يجب اختيار البادئ المناسب للمحرك؛ لأن المحوّلات مصممة على تيار معيّن، فإذا قلّ عن ذلك، لا يمكن تشغيل البادئ، ويحدث خطأ في عملية التشغيل، ويتم على إثرها إيقاف المحرك. كما يحتوي البادئ على مرحلات، يمكن الاستفادة منها في تشغيل الملامسات الخارجية، إضافة إلى مصدر للجهد، ويمكن الاستفادة منه؛ لتغذية مداخل التحكم بأمر التشغيل والإيقاف، كما يحتوي على وحدة للإدخال والبرمجة، مكوّنة من كبسات، قد تحتوى على شاشة، والشكل (8) الآتي يبيّن بعض أنواع البادئات:

ويجب فصل القاطع الرئيس المغذي للبادئ في أثناء الفحص والصيانة؛ بسبب وجود دارة قصر في بعض البادئات، حيث تُصمّم بعض الشركات البادئ، بحيث يمر الطوران الأول والثالث في الثايرستورات، أمّا الطور الثاني، فيكون موصولاً بشكل مباشر، دون قطع؛ للتخفيف من حجم البادئ، وسعره. ميزات استخدام جهاز البدء الناعم:

1. إنقاص تيار البدء إلى قيم تتحملها ملفات المحرك، ففي طريقة التحويل من نجمة إلى مثلث، تتكون تيارات عابرة ⁦(Transient Current)⁩ ذات قيم عظمى عالية جداً.
2. المحافظة على ثبات جهد الشبكة؛ لأن تيار البدء العالي يؤدي إلى خفض جهد الشبكة؛ ما يسبّب مشاكل لبقية الأحمال.
3. توفير الطاقة الكهربائية خلال فترات البدء، ويمكن لبعض أجهزة البدء الناعم توفير الطاقة طول فترة تشغيل المحرك.
4. استخدام مساحة مقطع أصغر للكابلات المغذّية للمحرك.
5. يتم التوفير في الكوابل، مقارنة بطريقة التحويل من نجمة إلى مثلث.
6. نادراً ما يحتاج إلى صيانة؛ لأنّه لا يحتوي على أجزاء متحركة، كالملامسات.
7. يساعد على بدء دوران المحرك، دون حدوث إجهادات ميكانيكية، أو كهربائية للمحرك، أو الأحمال.

   ويُستخدم في التطبيقات التي تحتاج إلى تشغيل وإيقاف هادئين، مثل الأحزمة الناقلة ⁦(Conveyor Belts)⁩ المستخدمة في خطوط النقل والتعبئة، كما يُستخدم في الروافع، والمضخات، والضاغطات؛ لتجنّب ظاهرة الطرق ⁦(Hammering)⁩ داخل المواسير. الأسئلة:

1. أرسم منحنى العزم في المحركات، وأحدد أقسامه.
2. ما ميزات استخدام جهاز البدء الناعم؟