مجموعة متناسقة من المولدات والمحركات الكهربائية

في الآونة الأخيرة، توجه إلينا عميل. وهم ينفّذون مشروع مصنع معالجة في الخارج. وسعة شبكة الكهرباء المحلية غير كافية، كما أن إمدادات الطاقة غير مستقرة. ولذلك، يحتاجون إلى جلب مجموعة مولداتهم الخاصة لتكون مصدر التغذية الرئيسي. وأكبر مشكلة تواجه العميل هي وجود عدة محركات كهربائية في المصنع، ومنها الكسارات والمراوح وحزام النقل. ويخشى العميل من أن يكون حجم المولد صغيرًا جدًّا فلا يوفّر الطاقة الكافية، أو كبيرًا جدًّا فيُعتبر هدرًا للمال. ويسألني عن كيفية مطابقة المولد مع المحركات الكهربائية.

هذه المشكلة شائعة جدًا في المشاريع الصناعية، وهي تتعلق بملاءمة المولدات والمحركات الكهربائية. فإذا تم مطابقة المولد وفقًا فقط للقدرة المُصنَّفة للمحرك الكهربائي، فسوف تنشأ مشكلة. والسبب الجوهري هو أن التيار اللحظي الناتج عند بدء تشغيل المحرك يكون أكبر بكثير من التيار أثناء التشغيل العادي.

عند بدء تشغيل المحرك، يلزم التغلب على القصور الذاتي الدوراني للدوار ومقاومة الحمولة لتسريع المحرك من السرعة الساكنة إلى السرعة المُصنَّفة. وفي هذه العملية، يرتفع تيار الستاتور الخاص بالمحرك ارتفاعًا حادًّا. وعند بدء تشغيل المحرك غير المتزامن ثلاثي الطور مباشرةً، فإن تيار البدء يكون عادةً ما بين ٥ إلى ٧ أضعاف التيار المُصنَّف. أي أن متطلبات التيار لمصدر الطاقة الخاص بمحرك قدرته ٣٠ كيلوواط قد تصل إلى ١٥٠–٢١٠ أمبير عند لحظة البدء المباشر، وبالتالي تكون متطلبات القدرة المقابلة أعلى بكثير من القدرة المُصنَّفة للمحرك.

عندما يكون مولد عندما يتعرض المجموعة لهذا التأثير، فإن المؤشرات الرئيسية هي معدل ضبط الجهد العابر وزمن الاستعادة. وتحت تأثير التيار العالي، سينخفض الجهد عند طرف المولد فجأةً. وإذا انخفض كثيرًا أو استعاد قيمته ببطءٍ شديد، فقد يؤدي ذلك إلى عدم استقرار القاطع الكهربائي، وحدوث تشغيل خاطئ للأجهزة الواقية، وإيقاف المولد مباشرةً. ولذلك فإن توافق المولدات والمحركات الكهربائية هو في جوهره تحقيق توازن بين قدرة المولد على إنتاج الطاقة العابرة ومتطلبات المحرك من الصدمات.

وتؤثر طريقة بدء تشغيل المحرك الكهربائي تأثيرًا كبيرًا على اختيار المولد.

إن صدمة التشغيل المباشر هي الأكبر، ومُضاعف تيار التشغيل مرتفع، وهي مناسبة للمحركات ذات القدرة الصغيرة أو المعدات التي تتطلب عزم تشغيل عالي. وباستخدام التشغيل المباشر، فإن مولد عادةً ما تكون القدرة 2.5 إلى 3.5 مرةً من قدرة المحرك. ويعتمد المضاعف المحدد على أداء نظام إثارة المولد. وتكون الاستجابة العابرة للوحدة المزودة بإثارة مغناطيس دائم أو بتعديل رقمي للإثارة أفضل، ويمكن خفض هذا المضاعف بشكل مناسب.

تُعد طريقة بدء التشغيل بتخفيض الجهد إحدى الطرق الشائعة المستخدمة لتقليل التأثيرات، وتشمل بدء التشغيل بنظام النجمة-المثلث، وبدء التشغيل بتخفيض الجهد باستخدام محول ذاتي التوصيل، وغيرها. ويمكن لطريقة بدء التشغيل بالنجمة-المثلث خفض تيار التشغيل إلى حوالي ثلث تيار التشغيل المباشر، لكن عزم الدوران عند التشغيل ينخفض أيضًا وفقًا لذلك، وهي مناسبة للأجهزة التي تبدأ تشغيلها بدون حمل أو تحت حمل خفيف. وبهذه الطريقة، تُكوَّن عادةً قدرة المولد بنسبة تتراوح بين 1.5 و2 مرة من قدرة المحرك.

في الوقت الراهن، تُستخدم مبدئات التشغيل اللينة على نطاق واسع. ومن خلال تنظيم الجهد باستخدام السيليكون القابل للتحكم، يمكن رفع الجهد بشكل سلس. ويمكن التحكم في تيار التشغيل ليتراوح بين ضعفين وثلاثة أضعاف التيار المقنن. وتتم عملية التشغيل بشكل مستقر، كما أن تأثيرها على المولد كهربائي ضئيل. وعند تركيب مبتدئ لين، يجب أن تكون قدرة المولد الكهربائي ما بين ١,٢ و١,٥ مرة من قدرة المحرك.

إن محرك العاكس الترددي هو الطريقة التي تؤدي إلى أقل تأثير عند التشغيل. إذ لا يتجاوز تيار التشغيل عمومًا التيار المقنن للمحرك، ولا يكون هناك تقريبًا أي تأثير على المولد الكهربائي. ومع ذلك، وباعتباره حملًا غير خطي، فإن العاكس الترددي يولّد ترددات توافقية (توافقيات). ولذلك، يجب عند الاختيار الانتباه إلى أداء جهاز تنظيم الجهد التلقائي (AVR) الخاص بالمولد، وتركيب مرشح للتوافقيات عند الحاجة.

وبالإضافة إلى طريقة التشغيل، فإن طبيعة الحمولة تُعَدّ أيضًا عاملًا بالغ الأهمية. فالمعدات التي تبدأ التشغيل تحت حملٍ ثقيل — مثل ضواغط الهواء والكاسرات ومضخات المياه — تحمل حمولةً أثناء عملية التشغيل، مما يُحدث تأثيرًا أكبر مقارنةً بالتشغيل دون حمل. وفي حالة تشغيل عدة محركات في الوقت نفسه، لا يمكن ببساطة جمع القدرة الكهربائية لكل محرك معًا؛ بل يجب أخذ معامل التشغيل المتزامن في الاعتبار والتحقق من أسوأ ظروف التشغيل — كحالة بدء تشغيل عدة محركات في آنٍ واحد.

كما يجب أخذ العوامل البيئية في الاعتبار. فعند كل ارتفاعٍ قدره ١٠٠٠ متر عن مستوى سطح البحر، تنخفض القدرة الخارجة للمولِّد بنسبة تقارب ١٠٪، وذلك بسبب ندرة الهواء التي تؤثر على تبديد الحرارة وعملية الاحتراق. وعندما تتجاوز درجة حرارة الجو المحيط ٤٠°م، يجب أيضًا خفض القدرة المُخرَجة. أما في البيئات الخاصة مثل المناطق الساحلية والصحراوية، فيجب رفع درجة الحماية ومستوى مقاومة التآكل وفقًا لذلك.

عدنا إلى مصنع العميل المعالج، وساعدناه في تصنيف المعدات التالية: كسارة بقدرة 45 كيلوواط، تبدأ تحت حمل ثقيل ومزودة بمحول تردد؛ ومروحة بقدرة 22 كيلوواط، تبدأ بدون حمل وتستخدم بدءًا لينًا (Soft Starter)؛ وعدة محركات ناقلة ذات قدرة صغيرة تبدأ مباشرةً. وفي الوقت نفسه، بلغ معامل التشغيل 0.8، مع أخذ ترتيب التشغيل في الاعتبار في أسوأ ظروف العمل، وتم في النهاية تزويد المنشأة بمجموعة مولد كهربائي بقدرة 120 كيلوواط، مزودة بتوليد مغناطيسي دائم وتنظيم رقمي للجهد. وقد أفاد العميل بعد إجراء الاختبارات والضبط أن المعدات تبدأ تشغيلها بسلاسة، وأن تقلبات الجهد ضمن الحدود المقبولة، وأن التشغيل مستقر.

بشكل عام، يكمن المفتاح في مطابقة مولد والمحرك هو التقييم الدقيق لتأثير بدء التشغيل للمحرك والتطابق المعقول لقدرة المولد على الاستجابة العابرة. وتشمل عوامل بدء التشغيل وضع التشغيل، وطبيعة الحمل، والظروف البيئية، والتنسيق بين عدة آلات، وهي جميعها عوامل لا غنى عنها. فإذا كان الاختيار سليماً، فستكون المشكلات التي تظهر في الموقع أقل عدداً.