كيف تعمل المحركات الكهربائية: الاختيار والحسابات واستكشاف الأخطاء وإصلاحها

كيف تعمل المحركات الكهربائية ذات التيار المتردد

تقوم المحركات الكهربائية ذات التيار المتردد بتحويل الطاقة الكهربائية ذات التيار المتردد إلى دوران ميكانيكي من خلال الحث الكهرومغناطيسي. يعتمد مبدأ التشغيل على عنصرين أساسيين: الجزء الثابت (التجميع الخارجي الثابت للملفات النحاسية الملفوفة) و الدوار (مجموعة العمود الداخلي الدوار). عندما يتم تطبيق جهد التيار المتردد على ملفات الجزء الثابت، فإنه ينتج مجال مغناطيسي دوار. يستجيب الجزء الدوار - سواء كان قفصًا سنجابيًا، أو دوارًا ملفوفًا، أو مجموعة مغناطيس دائم - لهذا المجال الدوار ويتم سحبه إلى الحركة.

في المحرك التحريضي (النوع الأكثر شيوعًا للتيار المتردد)، يقوم حقل الجزء الثابت الدوار بتحريض تيار في موصلات الجزء الدوار وفقًا لقانون فاراداي للتحريض الكهرومغناطيسي. يخلق هذا التيار المستحث مجالًا مغناطيسيًا خاصًا به، والذي يتفاعل مع مجال الجزء الثابت لإنتاج عزم الدوران. لا يلحق الجزء المتحرك أبدًا بمجال دوران الجزء الثابت - يُسمى الفرق في السرعة زلة ، عادة 2-5% من السرعة المتزامنة. وهذا الانزلاق هو الذي يحافظ على التيار المستحث وبالتالي عزم الدوران. عند السرعة المتزامنة تمامًا، سيتوقف الحث وينخفض ​​عزم الدوران إلى الصفر.

يتم تحديد السرعة المتزامنة (بالدورة في الدقيقة) من خلال تردد العرض وعدد الأقطاب المغناطيسية: ن = (120 × و) ÷ ص ، حيث f هو التردد بالهرتز و P هو عدد الأقطاب. يعمل محرك ذو 4 أقطاب مزود بمصدر 60 هرتز بسرعة متزامنة تبلغ 1800 دورة في الدقيقة. مع الانزلاق النموذجي، تبلغ سرعة العمود الفعلية حوالي 1725-1760 دورة في الدقيقة.

كيف يعمل محرك ثلاثي الطور

المحركات ثلاثية الطور هي العمود الفقري للتطبيقات الصناعية. إنها تعمل على نفس مبدأ الحث مثل المحركات أحادية الطور، ولكن مع ميزة حاسمة: ثلاثة جهود متناوبة منفصلة، ​​يزاح بعضها عن بعض بمقدار 120 درجة، يتم تغذيتها إلى ثلاث مجموعات من ملفات الجزء الثابت مرتبة بشكل متناظر حول تجويف الجزء الثابت. وهذا ينتج أ المجال المغناطيسي الدوار بشكل طبيعي بدون أي مكونات بدء مساعدة - تولد المراحل الثلاث بطبيعتها دورانًا سلسًا ذاتي التشغيل من لحظة تطبيق الطاقة.

والنتيجة هي محرك يبدأ تشغيله بشكل موثوق تحت الحمل، ويعمل بتموجات عزم دوران منخفضة جدًا (يبلغ مجموع الشكل الموجي ثلاثي الطور إجماليًا ثابتًا تقريبًا)، ويوفر كفاءة وكثافة طاقة أعلى من التصميم المكافئ أحادي الطور. تمثل المحركات ثلاثية الطور تقريبًا 70% من إجمالي استهلاك الكهرباء الصناعية عالميًا، ويرجع ذلك أساسًا إلى هذا المزيج من الموثوقية والكفاءة (عادةً 90-97% عند التحميل الكامل في فئات كفاءة IE3/IE4)، والتحكم المباشر في السرعة عبر محركات الأقراص ذات التردد المتغير (VFDs).

لا تحتوي المحركات الحثية ذات القفص السنجابي ثلاثية الطور على فرش، ولا مبدل، ولديها الحد الأدنى من الأجزاء المتحركة خارج الدوار والمحامل - وهذا هو السبب في أنها تعمل بشكل روتيني لمدة تتراوح بين 20.000 و 40.000 ساعة بين فترات الخدمة الرئيسية في المنشآت التي يتم صيانتها جيدًا.

كيف تعمل المحركات بدون فرش

تحل محركات DC بدون فرش (BLDC) محل المبدل الميكانيكي ومجموعة فرشاة الكربون لمحركات DC التقليدية مع التخفيف الإلكتروني. يحمل الدوار مغناطيسًا دائمًا. الجزء الثابت يحمل اللفات. تعمل وحدة التحكم - التي تستخدم مستشعرات تأثير هول أو مستشعر المجالات الكهرومغناطيسية الخلفية للكشف عن موضع الجزء الدوار - على تحويل التيار إلى أطوار الجزء الثابت المناسبة بالتسلسل، مع الحفاظ على المجال الكهرومغناطيسي الدوار الذي يتبعه الجزء المتحرك ذو المغناطيس الدائم. نظرًا لعدم وجود اتصال فعلي بين الفرشاة ومبدل التيار، فإن المحركات بدون فرش لا تنتج أي شرارة للفرشاة، وتولد حرارة أقل، ولا تتطلب استبدال الفرشاة. إنها تحقق كفاءات تتراوح من 85 إلى 95% وهي قياسية في محركات المؤازرة وأنظمة الجر للمركبات الكهربائية وضواغط التدفئة والتهوية وتكييف الهواء (HVAC) والأتمتة الدقيقة التي تتطلب دقة التحكم في السرعة وعمر الخدمة الطويل.

كيفية حساب عزم دوران المحرك والقدرة الحصانية والكفاءة

حساب عزم الدوران

عزم دوران المحرك (T) هو قوة الدوران التي ينقلها العمود، ويتم قياسها بالنيوتن متر (نانومتر) أو رطل قدم (رطل قدم). العلاقة بين عزم الدوران والقوة والسرعة هي:

T (نيوتن متر) = P (واط) ÷ ω (راد/ث) — أو ما يعادله — T (Nm) = (9,550 × P بالكيلوواط) ÷ N (دورة في الدقيقة)

مثال: محرك بقدرة 7.5 كيلووات يعمل بسرعة 1450 دورة في الدقيقة ينتج T = (9550 × 7.5) ÷ 1450 = 49.4 نيوتن متر من عزم الدوران رمح. بالوحدات الإمبراطورية: T (lb·ft) = (5,252 × HP) ÷ RPM. محرك بقوة 10 حصان عند 1750 دورة في الدقيقة يوفر T = (5252 × 10) ÷ 1750 = 30 رطل · قدم .

حساب القدرة الحصانية

يمكن حساب القدرة الحصانية الناتجة للمحرك الكهربائي من خلال قياس عزم دوران العمود وسرعته: HP = (T في رطل · قدم × دورة في الدقيقة) ÷ 5,252 . من المدخلات الكهربائية، الخرج HP = (V × I × PF × η × 1.732 لـ 3 مراحل) ÷ 746، حيث V هو جهد الخط، I هو خط التيار، PF هو عامل الطاقة، و η هي الكفاءة. يمثل العامل 1.732 (√3) العلاقة ثلاثية الطور بين كميات الخط والطور.

حساب الكفاءة

كفاءة المحرك الكهربائي (η) هي نسبة طاقة الخرج الميكانيكية إلى طاقة الإدخال الكهربائية: η (%) = (طاقة الخرج ÷ طاقة الإدخال) × 100 . عمليًا: قم بقياس طاقة الإدخال (W) باستخدام محلل الطاقة وطاقة خرج العمود (عزم الدوران × السرعة الزاوية)؛ تقسيم. تشمل الخسائر في المحرك خسائر النحاس (تسخين I²R في اللفات)، وخسائر الحديد (التيارات الدوامة والتباطؤ في القلب)، والخسائر الميكانيكية (احتكاك المحمل، وانحراف القذيفه بفعل الهواء)، وخسائر الأحمال الشاردة. إن المحرك الذي يعمل بشكل أقل بكثير من حمله المقدر - على سبيل المثال بنسبة 30-40٪ من السعة المقدرة - يعمل بكفاءة منخفضة لأن خسائر الحديد والميكانيكية الثابتة تظل ثابتة بينما يتقلص جزء الخرج المفيد.

كيفية عكس اتجاه المحرك

عكس محرك ثلاثي الطور

يعد عكس المحرك التعريفي ثلاثي الطور أمرًا بسيطًا: قم بتبديل أي اثنين من خيوط مرحلة العرض الثلاثة في صندوق المحطة أو بداية المحرك. يؤدي تبديل مرحلتين إلى عكس تسلسل الطور (على سبيل المثال، من A-B-C إلى A-C-B)، مما يعكس اتجاه المجال المغناطيسي الدوار للجزء الثابت - وبالتالي اتجاه دوران الجزء المتحرك. يمكن القيام بذلك عن طريق تبديل L1 وL2 مع ترك L3 دون تغيير، أو أي مبادلة أخرى على مرحلتين. لا يحتاج المحرك إلى تعديل داخليًا. تعمل الموصلات العكسية في دائرة بدء تشغيل المحرك على أتمتة ذلك عن طريق تنشيط مجموعات الاتصال البديلة لمبادلة الطور.

كيفية عكس محرك أحادي الطور

لا يمكن عكس المحركات أحادية الطور بمجرد تبديل أسلاك الإمداد - فهي لا تحتوي على دوران طور متأصل يمكن عكسه. يتم تحديد الاتجاه من خلال القطبية النسبية للملف الرئيسي ولف البداية (المساعدة). لعكس محرك أحادي الطور، عكس اتصالات الملف الرئيسي أو ملف البداية - ولكن ليس كليهما . من الناحية العملية، فإن معظم المحركات أحادية الطور لديها أسلاك بدء متعرجة يتم إحضارها إلى اللوحة الطرفية خصيصًا لهذا الغرض، والتي تحمل علامة T5/T8 على أنواع تشغيل المكثف وأنواع تشغيل المكثف. راجع مخطط توصيلات المحرك (عادةً ما يكون مطبوعًا على غطاء لوحة الاسم أو داخل غطاء صندوق الأطراف) لتحديد الأسلاك الصحيحة قبل التبديل. سيؤدي عكس الاتجاه أثناء تشغيل المحرك إلى إتلاف مكثف التشغيل ومفتاح التشغيل - قم دائمًا بإيقاف المحرك بالكامل قبل تغيير الاتجاه.

كيفية اختبار محرك التيار المستمر

يحدد اختبار محرك التيار المستمر بشكل منهجي ما إذا كانت المشاكل تكمن في اللفات أو العزل أو الفرش أو عاكس التيار قبل إزالة المحرك من الخدمة أو إرساله للترجيع. استخدم مقياسًا رقميًا متعددًا (DMM)، ولاختبار العزل، استخدم مقياس ميغا أومتر (ميجر) مُقدر بـ 500 فولت أو 1000 فولت تيار مستمر.

اختبار مقاومة اللف

افصل جميع مكثفات الطاقة والتفريغ. قياس المقاومة عبر أطراف حديد التسليح باستخدام DMM. قارن القراءة بلوحة المحرك أو مواصفات التصميم. تشير الدائرة المفتوحة (المقاومة اللانهائية) إلى وجود فرشاة مكسورة أو مرفوعة ; تشير المقاومة المنخفضة جدًا (بالقرب من الصفر) إلى دورة قصيرة. يجب أن تكون قراءات المقاومة متسقة عبر جميع مقاطع المبدل عند قياسها بشكل تسلسلي - تشير قراءة المقطع الأعلى أو الأقل بشكل ملحوظ إلى وجود خطأ موضعي.

اختبار مقاومة العزل

باستخدام مقياس 500 فولت أو 1000 فولت، قم بقياس مقاومة العزل بين كل ملف وإطار المحرك (الأرضي). ما لا يقل عن 1 MΩ لكل كيلو فولت من جهد التشغيل هو معيار القبول الأساسي (معيار IEEE 43)؛ تشير القيم الأقل من 1 MΩ إلى تلوث الرطوبة، أو انهيار العزل، أو تلف الملفات الذي سيؤدي إلى حدوث أعطال أرضية في الخدمة. المحركات الجديدة عادة ما يكون قياسها 100 ميجا أوم أو أعلى. أي قراءة أقل من 5 ميجا أوم على محرك في الخدمة تستدعي التحقيق قبل إعادته إلى التشغيل.

فحص الفرشاة والمبدل

افحص طول الفرش بصريًا (استبدلها عند ارتدائها إلى أقل من نصف الطول الأصلي أو الحد الأدنى الذي حددته الشركة المصنعة)، وتأكد من أن حاملات الفرشاة تسمح بحرية الحركة دون ربط. يجب أن تكون أسطح عاكس التيار ناعمة ومتساوية الألوان (العتاج الداكن والموحد أمر طبيعي؛ تشير أنماط التنقر أو الاحتراق أو التآكل غير المتساوي إلى الانحناء من جزء عضو المحرك القصير أو درجة الفرشاة غير الصحيحة). قم بقياس ضغط زنبرك الفرشاة بمقياس زنبركي - الضغط المنخفض يسبب الانحناء والتآكل المتسارع؛ الضغط المفرط يسبب تآكل العاكس.

كيفية استكشاف أخطاء المحركات الكهربائية وإصلاحها

يتبع استكشاف الأخطاء وإصلاحها المنهجي منطق أعراض الخطأ - تحديد ما يفعله المحرك (أو لا يفعله) والعمل من خلال الأسباب الأكثر احتمالا من أجل سهولة الفحص.

فشل المحرك في البدء

• تحقق من جهد الإمداد عند أطراف المحرك - الجهد المنخفض (أقل من 90% من لوحة الاسم) يمنع عزم الدوران الكافي لبدء التشغيل. يعد انخفاض الجهد تحت الحمل مشكلة شائعة في الموقع.
• تحقق من الصمامات والقواطع وحالة رحلة ترحيل التحميل الزائد. إعادة التعيين فقط بعد تحديد سبب التيار الزائد.
• في المحركات أحادية الطور، يعد فشل مكثف التشغيل سببًا شائعًا - حيث يصدر المحرك طنينًا ولكنه لن يدور. اختبار السعة باستخدام جهاز DMM مزود بمكثف.
• تحقق من وجود ارتباط ميكانيكي في الحمل المدفوع - افصل الحمل وحاول تدوير العمود يدويًا قبل التنشيط.

المحرك يعمل ولكنه يتعثر عند التحميل الزائد

• قم بقياس تيار التشغيل على جميع المراحل باستخدام جهاز قياس المشبك. قارنه بلوحة الحمل الكامل (FLA). يشير التيار الزائد بنسبة 10-15% أعلى من FLA تحت الحمل العادي إلى أن المحرك صغير الحجم بالنسبة للتطبيق.
• تحقق من عدم توازن الطور - يؤدي عدم توازن الجهد لأكثر من 2% بين المراحل إلى زيادة عدم توازن التيار بحوالي 6-10×، مما يؤدي إلى زيادة التحميل على اللفات بسرعة.
• تحقق من أن إعداد مرحل التحميل الزائد يطابق FLA الفعلي للمحرك وعامل الخدمة.

الاهتزاز أو الضوضاء المفرطة

• ينتج عن فشل المحمل أنين أو قعقعة مميزة عالية النبرة تزداد مع السرعة. تحقق من درجة حرارة المحامل باستخدام مقياس حرارة يعمل بالأشعة تحت الحمراء - فالمحامل التي تزيد درجة حرارتها عن 90 درجة مئوية (194 درجة فهرنهايت) تقترب من الفشل.
• يؤدي عدم توازن الجزء الدوار إلى حدوث اهتزاز عند تردد تشغيل 1×. عادةً ما يؤدي عدم محاذاة أداة التوصيل إلى حدوث اهتزاز عند تردد التشغيل 1× و2×.
• تعمل مسامير التثبيت السائبة أو القدم الناعمة (سطح التثبيت غير المستوي) على تضخيم جميع بصمات الاهتزاز ويجب تصحيحها قبل إجراء المزيد من التشخيص.

الحرارة المفرطة هي السبب الرئيسي لفشل المحرك

يعد التدهور الحراري لعزل الملفات هو أكبر مساهم في فشل المحرك ، وهو ما يمثل ما يقدر بنحو 30-40٪ من جميع أعطال المحركات في المسوحات الصناعية. تنص قاعدة أرهينيوس المستشهد بها على نطاق واسع للعزل الكهربائي على ذلك كل ارتفاع بمقدار 10 درجات مئوية فوق فئة درجة الحرارة المقدرة للعزل يقلل من عمره التشغيلي إلى النصف . المحرك العازل من الفئة F (المصنف إلى 155 درجة مئوية) الذي يعمل بشكل ثابت عند 165 درجة مئوية سيستمر لمدة نصف المدة التي يعمل بها المحرك ضمن الحد الحراري الخاص به.

تشمل مصادر حرارة المحرك المفرطة ما يلي: التحميل الزائد خارج عامل الخدمة، وتدفق هواء التبريد المحظور أو المقيد (الزعانف المتسخة، والمدخل المسدود، والتهوية غير الكافية في منطقة حاوية المحرك)، وارتفاع درجة الحرارة المحيطة، وعدم توازن الجهد مما يؤدي إلى ارتفاع التيار في مرحلة واحدة أو أكثر، والبدء المتكرر في الساعة بما يتجاوز التصنيف الحراري للمحرك، وأعطال المحامل التي تزيد من الاحتكاك الميكانيكي. يمكن للمحركات المجهزة بحساسات الثرمستور أو أجهزة استشعار درجة حرارة ملفات RTD أن تؤدي إلى إيقاف التشغيل قبل أن يتراكم الضرر الحراري - يعد تعديل حماية درجة الحرارة على المحركات الحيوية بمثابة مقياس موثوقية فعال من حيث التكلفة.

كممارسة صيانة، قم بقياس درجة حرارة الملف أثناء التشغيل باستخدام مقياس حرارة يعمل بالأشعة تحت الحمراء على إطار المحرك كبديل، وقارن مع معدل ارتفاع درجة الحرارة المحيطة المصحح للمحرك. يجب فحص المحرك الذي يعمل باستمرار عند الحد الحراري أو بالقرب منه في ظل ظروف الحمل العادية بحثًا عن قيود التبريد أو الحجم غير الصحيح أو مشكلات جودة الإمداد قبل حدوث الفشل.

كيفية اختيار المحرك

اختيار المحرك هو عملية متعددة المتغيرات. يؤدي الاختيار على القدرة الحصانية وحدها - وهو الاختصار الأكثر شيوعًا - إلى إنتاج محركات كبيرة الحجم بشكل منتظم، أو غير متوافقة بشكل جيد مع ملف تعريف الحمل، أو غير متوافقة مع نظام التحكم. العمل من خلال المعايير التالية بالترتيب:

1. تحديد نوع الحمولة ودورة العمل

تتطلب أحمال عزم الدوران الثابتة (الناقلات، ومضخات الإزاحة الإيجابية، والخلاطات) محركًا يوفر عزم الدوران المقدر عبر نطاق السرعة الكامل. تتبع أحمال عزم الدوران المتغيرة (مضخات الطرد المركزي، والمراوح، والمنافيخ) قانون المكعب - حيث ينخفض ​​الطلب على الطاقة بشكل حاد عند السرعة المنخفضة، مما يجعلها مرشحة ممتازة لـ VFD مع إمكانية توفير الطاقة بشكل كبير. تتطلب تطبيقات الخدمة المتقطعة (الرافعات، المكابس، الضواغط) محركات ذات تصنيفات فئة الخدمة المناسبة (S1 إلى S9 لكل IEC 60034-1) للتعامل مع التدوير الحراري دون تدهور العزل المبكر.

2. تحديد عزم الدوران والسرعة المطلوبة

احسب متطلبات عزم الدوران للحمل عند سرعة التشغيل (انظر صيغ عزم الدوران أعلاه). أضف هامش أمان بنسبة 10-25% لبدء عزم الدوران، والخسائر الميكانيكية، وتقلب التطبيق. حدد محركًا يتوافق عزم دورانه المقدر عند سرعة التشغيل مع هذه القيمة أو يتجاوزها. تجنب تكبير الحجم بأكثر من حجم إطار قياسي واحد - يعمل المحرك كبير الحجم بعامل طاقة منخفض، مما يقلل الكفاءة، ويهدر التكلفة الرأسمالية.

3. حدد نوع المحرك للتطبيق

• تحريض التيار المتردد على ثلاث مراحل — الخيار الأول للتطبيقات الصناعية ذات السرعة الثابتة أو التطبيقات التي يتم التحكم فيها بواسطة VFD. قوي، ومنخفض الصيانة، ومتوفر على نطاق واسع في فئات الكفاءة IE3/IE4.
• تحريض التيار المتردد على مرحلة واحدة - للتطبيقات التي لا يتوفر فيها العرض ثلاثي المراحل. متوفر في متغيرات بدء تشغيل المكثف، وتشغيل المكثف، وPSC اعتمادًا على متطلبات عزم دوران البدء.
• العاصمة بدون فرش (BLDC) - للتطبيقات الدقيقة ذات السرعات المتغيرة، أو الأنظمة المؤازرة، أو عندما يكون عمر الخدمة الطويل مع الحد الأدنى من الصيانة أمرًا بالغ الأهمية.
• تحويلة العاصمة / الجرح المركب — حيث يكون التنظيم الدقيق للسرعة مطلوبًا تحت حمل متفاوت ويكون مصدر التيار المستمر متاحًا؛ أقل شيوعًا في التركيبات الجديدة بسبب صيانة الفرشاة.
• محركات مقاومة للانفجار (Ex). — حاويات معتمدة من ATEX أو UL/CSA مطلوبة في بيئات الغاز أو الغبار أو البخار القابلة للاشتعال. يجب أن يتطابق تصنيف المنطقة والمجموعة مع تسمية المنطقة الخطرة.

4. تحديد الضميمة وفئة العزل

يتم تحديد اختيار العلبة حسب بيئة التشغيل. يعد TEFC (المروحة المغلقة تمامًا والمبردة، IP55) هو المعيار لمعظم التطبيقات الصناعية الخارجية والداخلية المتربة. يناسب ODP (Open Drip Proof, IP23) البيئات الداخلية النظيفة والجافة ويوفر تبريدًا أفضل في درجات الحرارة المحيطة المرتفعة. بالنسبة للبيئات الرطبة أو المغسولة، يلزم الحصول على تصنيفات IP66 أو IP67. فئة العزل - F (155 درجة مئوية) هي المعيار لمعظم المحركات الصناعية؛ تم تحديد الفئة H (180 درجة مئوية) لتطبيقات ركوب الدراجات ذات البيئة العالية أو شديدة التحمل.

5. تحقق من التركيب والإطار وجهد الإمداد

تأكد من توافق حجم إطار IEC أو NEMA مع ترتيب التثبيت (B3 المثبت على القدم، أو B5 المثبت على الحافة، أو المجموعة B35). تحقق من تطابق الجهد الكهربي والتردد للوحة الاسم مع الإمداد المتوفر - وتأكد من أن المحرك مصنف وفقًا لـ VFD (واجب العاكس) في حالة استخدام محرك التردد المتغير. تعمل المحركات القياسية على VFD دون تجربة عزل واجب العاكس مما يؤدي إلى تسريع تدهور اللف من إجهاد ارتفاع الجهد.