الطرق المختلفه لبدء المحركات الحثيه

Motor asynchrone

 

 

الطرق المختلفه لبدء المحركات الحثيه


عند بدء تشغيل المحرك يسحب المحرك تيار عالى جدا قد تتراوح قيمته من 6 إلى 8 مرات التيار المقنن ويسمى هذا التيار بتيار البدء ” Starting Current ” ويرجع السبب فى ارتفاع قيمة تيار البدء الى أنه فى المحرك الحثى تعتمد القوه الدافعه الكهربيه المستحثه فى ملفات العضو الدوار على قيمة معامل الإنزلاق ( Slip) وتحدد هذه القوه الدافعه قيمة التيارات الماره فى العضو الدوار  حيث يحسب قيمة التيار المار فى العضو الدوار من المعادله الآتيه :

*

ولكن أثناء لحظة البدء تكون سرعة المحرك مساويه للصفر وبالتالى يكون معامل الإنزلاق عند قيمته العظمى ( S=1 ) وبالتالى تكون قيمة القوه الدافعه المستحثه فى ملفات العضو الثابت عاليه جدا أثناء لحظة التشغيل وبما أن ملفات العضو الدوار مقصوره (Short Circuited) فبالتالى يمر تيار عالى جدا فى العضو الدوار مما يعنى بالتبعيه أن التيار المار فى ملفات العضو الثابت والمسحوب من المصدر تكون قيمته عاليه جدا أيضا قد تتراوح قيمته من 6 الى 8 مرات القيمه المقننه … جزء من تيار البدء يستخدم فى توليد عزم للتغلب على القصور الذاتى للكتله الميكانيكيه للمحرك والحمل والجزء المتبقى يسبب حراره عاليه فى العضو الدوار ويتسبب هذا التيار فى وجود بعض المشاكل مثل :

*

  • حدوث هبوط فى جهد الأجهزه المشتركه مع المحرك فى نفس الخط .
  • رفع درجة حرارة ملفات المحرك مما يؤدى مع التكرار إلى انهيار عزلها .
  • التأثير على وسائل توصيل الكهرباء الى المحرك مثل الكابلات والقواطع وأجهزة الحمايه .

*

لذلك لا بد من إتخاذ بعض التدابير للتقليل من تيار البدء وخصوصا فى المحركات الكبيره وفيما يلى نستعرض أهم الطرق المستخدمه لبدء تشغيل المحركات الحثيه .

*

1- طريقة التوصيل مباشرة على الخطDirect on line Starter            
فى هذه الطريقه يتم توصيل أطراف العضو الثابت مباشرة على مصدر الجهد وتستخدم هذه الطريقه عادة مع المحركات الحثيه ذو القفص السنجابى ( Squirrel Cage) … من العيوب الواضحه فى هذه الطريقه أنه لا يتم فيها تخفيض تيار البدء أو عزم البدء بل تظل قيم تيار البدء وعزم البدء عاليه كما هى مما قد يشكل خطوره على ملفات الموتور لذلك تستخدم هذه الطريقه للمحركات ذات القدرات المنخفضه ( عادة أقل من 5KW ) ويوضح الشكل التالى دائرة القوى والتحكم المستخدمه فى هذا النوع من طرق البدء .

*

K1M : Main Contactor    S1 : Start push Button  S2 : Stop push Button

*

2- اضافة مقاومات على التوالى مع ملفات العضو الثابت  Stator  Resistance Starter

إن توصيل مقاومات على التوالى مع ملفات العضو الثابت يؤدى إلى تقليل الجهد المسلط على العضو الثابت نتيجه لهبوط الجهد الحادث على هذه المقاومات وبالتالى يقل تيار البدء ثم بعد إجتياز فترة البدء يمكن إلقاء هذه المقاومات تدريجيا .عيب هذه الطريقه هو زيادة المفاقيد النحاسيه ( I^2 *R )مما يجعلها غير مناسبه للإستخدام خصوصا مع المحركات الكبيره .

*

*


3- اضافة مقاومات على التوالى مع ملفات العضو الدوار  Ro” />tor Resistance Starter

هذه الطريقه خاصه فقط بالمحرك ذى حلقات الإنزلاق حيث يمكن توصيل مقاومات على التوالى مع ملفات العضو الدوار , وبالتالى فان تيار البدء يقل نتيجه لزيادة المقام فى المعادلة (1) , وبعد أن يجتاز المحرك فترة البدء يتم إزالة هذه المقاومات تدريجيا وذلك لتجنب زيادة المفاقيد فى دائرة العضو الدوار . هذه تعتبر الطريقه الأفضل للمحركات ذى حلقات الإنزلاق , كما أنها تزيد من عزم البدء للمحرك وذلك لأن مقاومة البدء تضاف إلى R2 وبالتالى فإن الإنزلاق الذى يحدث عنده أعلى عزم يزداد وبالتالى ينتقل موضع العزم الأقصى إلى الأمام مما يعنى الزياده فى عزم البدء للمحرك  .

*

Rotor Resistance Starter

زيادة عزم البدء مع اضافة مقاومات الى العضو الدوار

*

4-بادئ ستار / دلتا    Star / Delta Starter
هذه الطريقه مناسبه للمحركات ذات الست أطراف والتى توصل ملفاتها على شكل دلتا ( ∆ ) أثناء التشغيل العادى حيث توصل ملفات العضو الثابت عند البدء على شكل ستار Y)) ونتيجه لذلك يقل جهد الوجه إلى 1/√3 ) ) من جهد المصدر وينخفض تيار الخط إلى 1/3)) قيمة التيار المار فى حالة التوصيل على شكل دلتا وبالتالي فإن العزم ينخفض إلى 1/3)) قيمته المقننة ويتم توصيل الأطراف على شكل ستار حتى تصل سرعة العضو الدوار إلى 75% أو 80% من السرعة المقننة حينئذ يتم أتوماتيكيًا تغيير التوصيل إلي دلتا …  وتستخدم هذه الطريقه مع المحركات ذات القدرات المتوسطه .

*
ويمكن اثبات ما سبق كما يلى
أولا : فى حاة التوصيل على شكل ستار ( Y)  يكون

*

وتكون دائرة القوى والتحكم  المكونه لهذا البادئ كالتالى :

*

*
ويوضح الشكل التالى منحنى العزم والتيار مع السرعه لكل من طريقتى البدء ( بدء مباشر – ستار / دلتا )

*

*

مزايا استخدام بادئ ستار / دلتا :
التخفيض العالى فى قيمة تيار البدء ( يتم تخفيض تيار البدء بنسبة 67% )  مما ينتج عنه تقليل تكلفة الكابلات والقواطع  وأجهزة الحمايه .

*
عيوب استخدام بادئ ستار دلتا :

أ-   حدوث تيارات عابره Transient currents ذات قيم قصوى عاليه جدا فى اللحظه التى يتم فيها تغيير طريقة توصيل ملفات المحرك من ” ستار ” إلى ” دلتا ” .
ب – حدوث تخفيض فى قيمة عزم البدء للمحرك بنسبه عاليه تصل الى 67% مما قد ينتج عنه اطالة فترة البدء أو ربما يكون عزم البدء أقل من العزم المطلوب لبدء دوران الحمل فلا يستطيع تدوير المحرك فلا يدور المحرك .

*

5- باستخدام محول ذاتى  ( Autotransformer Starter )
فى هذه الطريقه يتم توصيل أطراف العضو الثابت بمحول ذاتى ثلاثى الأوجه بحيث يخفض الجهد المسلط على ملفات ال stator  إلى قيمه تتناسب مع تيار البدء المسموح به وبعد إجتياز المحرك فترة البدء يتم تسليط جهد المصدر كاملا على ملفات ال stator  وذلك بفصل المحول .

*

هذه الطريقه مثاليه جدا حيث لا يوجد فيها أى قدره مفقوده كما أنها تعتبر الخيار الأفضل للمحركات التى تم توصيل ملفاتها داخليا من قبل المصنع على شكل نجمه . ويتم التحكم فى قيمة الجهد المطلوبه عن طريق تغيير وضع الـ tapsالموجوده على ملفات المحول عيب هذه الطريقه هو التكلفه العاليه لذلك يستخدم مع المحولات عالية القدره .
ويوضح الشكل التالى فكرة عمل ال  Autotransformer Starter

*

*

وطريقة التشغيل كالآتى :

يتم أولا غلق الكونتاكتور STAR  ثم غلق الكونتاكتور  START وبهذا يتم تخفيض الجهد المسلط على ملفات المحرك وعندما تصل سرعة العضو الدوار الى قرب السرعه الكامله يتم فتح الكونتاكتور  STAR فيصبح المحول كأنه ملف موصل على التوالى مع ملفات المحرك حتى يتم غلق الكونتاكتو RUN وبذلك يتم تسليط جهد المصدر كاملا على ملفات المحرك ثم يتم فصل المحول عن طريق فتح الكونتاكتور  START . ويتم هذا التتابع قى تشغيل الكونتاكتورات باستخدام دائرة تحكم خاصه بالمحول.

*

6- أجهزة البدء الناعم    Soft Starters :
كل من يتعامل مع المحركات  يعى جيدا طرق بدء التشغيل التقليديه  مثل ” مباشر على الخط ” و ” ستار / دلتا ” وما لها من بعض الجوانب السيئه غير المرغوب فيها على كل من (الشبكه الكهربيه – المحركات – والمعدات الميكانيكيه ).

كما أن هناك بعض التطبيقات التى لا تصلح لها الطرق السابقه تماما . حيث بالنسبه لطريقة ” التشغيل مباشرة على الخط تكون قيمة تيار البدء فى المدى من 4 – 8 مرات التيار المقنن مما يمثل عبئا على كل من شبكة التغذيه والمحرك وهو مايوضع فى الاعتبار عند التصميم والاختيار لمكونات الشبكه مثل المغذيات ووسائل الحمايه اللازمه . كذلك فان قيمة عزم البدء تقدر بحوالى مره ونصف القيمه المقننه لعزم المحرك مما يشكل أيضا عبئا ميكانيكيا على جميع الأجزاء الميكانيكيه للمحركات والمعدات .
*

أما بالنسبه لطريقة البدء ستار / دلتا فتكون قيمة تيار البدء من 2 – 3 مرات التيار المقنن .. وقيمة عزم البدء أقل من العزم المقنن للمحرك. وعلى الرغم من ذلك فمعروف أنه فى اللحظه التى يتم فيها تغيير طريقة توصيل ملفات المحرك من “ستار” إلى “دلتا” فإن ذلك يكون مصحوبا بحدوث تيارات عابره Transient Currents ذات قيم قصوى عاليه جدا  .

*

مما سبق يتضح مدى الحاجه لإستخدام وسائل جديده لبدء حركة المحركات تؤدى الغرض المطلوب مع تفادى الآثار الجانبيه للطرق التقليدية … ومن هنا نشأت فكرة إستخدام أشباه الموصلات لعمل بادئات التشغيل الهادئه .

*
نظرية العمل : يتم التحكم فى عمليتى فصل وتوصيل المحركات عن طريق ثايروسترات ( thyristors ) بحيث يتم تسليط جهد المصدر بالتدريج على فتره زمنيه محدده حتى يصل إلى كامل قيمته مع نهاية فترة التشغيل .

وبالمثل يمكن التحكم فى فترة توقف المحرك عن طريق تقليل جهد المصدر تدريجيا من كامل قيمته حتى الصفر خلال فتره زمنيه محدده . وبذلك يمكن عمل الإيقاف والتشغيل بدون حدوث تغيرات فجائيه وحاده فى أى من التيار أوالعزم  مما يؤدى إلى تجنب صعوبات كثيره كهربيه وميكانيكيه .

*
يوضح الشكل التالى تركيب جهاز البدء الناعم   Soft Starter

*

*

كما يوضح الشكل التالى طريقة عمله حيث يتم ادخال اشارتى السرعه والتيار للمحرك لدائرة تحكم  وبناءا على قيمتى السرعه والتيار تقوم هذه الدائره بالتحكم فى زاوية الإشعال ( firing angles ) للثايرستورات وبالتالى يتم تغيير قيمة الجهد .

*

*

ويوضح الشكل التالى منحنى تغير الجهد مع الزمن لبادئات التشغيل والإيقاف الهادئه مع إمكانية التحكم فى كل من زمن التشغيل وزمن الإيقاف وعزم البدء ليتناسب مع التطبيقات المختلفه .

*

*

وباستخدام عملية البدء الناعم يتم ضبط الجهد بحيث تكون قيم تيارات المحرك عند البدء بالقدر الكافى فقط لأن تعطى المحرك عزما يساوى عزم الحمل عند البدء .. وهذه القيم بالطبع لن تؤدى إلى دوران المحرك والحمل ولكنها تؤدى إلى البدء بدون إجهادات ميكانيكيه أو كهربيه .. ثم يقوم جهاز البدء بزيادة الجهد المسلط على المحرك مع الزمن حتى تتزايد السرعه إلى أن تصل إلى أعلى قيمه حيث يكون الجهد قد وصل إلى قيمته المقننه .

*
مزايا إستخدام جهاز البدء الناعم  Soft starter :
1- إنقاص تيار البدء إلى قيمه تتحملها ملفات المحرك .
2- المحافظه على ثبات جهد الشبكه لأن تيار البدء العالى يؤدى إلى خفض جهد الشبكه مما يسبب مشاكل لبقية الأحمال .
3- توفير الطاقه الكهربيه خلال فترات البدء – ويمكن لبعض أجهزة البدء الناعم توفير الطاقه طوال فترات تشغيل المحرك
4- إستخدام مساحة مقطع صغير للكابلات المتصله من الشبكه للمحرك .
5- بإستخدام طريقة بدء مفتاح ” ستار / دلتا ” نحتاج إلى كابلين كل منهما ثلاثة أطراف من المحرك حتى المفتاح .. ولكن بإستخدام جهاز البدء الناعم تحتاج فقط إلى كابل ثلاثة أطراف .
6- نادرا ما يحتاج إلى صيانه لأنه لا يحتوى على أجزاء متحركه .
7- يساعد على بدء دوران المحرك بدون حدوث إجهادات ميكانيكيه أو كهربيه للمحرك أو الأحمال .

*
التطبيقات : مما سبق نستطيع أن ندرك المدى الواسع للتطبيقات التى تستخدم فيها بادئات التشغيل والإيقاف الهادئه وعلى سبيل المثال:

فى حالة السيور الناقله  Conveyer Belts والمستخدمه بكثره فى خطوط النقل والتعبئه – يتضح ضرورة أن تتم عملية الإيقاف والتشغيل بدون أى حركات فجائيه وإلا أدى ذلك إلى حدوث خسائر فى المنتج وهنا يصبح إستخدام هذا النوع من بادئات التشغيل ضروره وليس إختيارا وأيضا تستخدم بكفاءه فى الأوناش والروافع حتى نضمن حركه هادئه أثناء رفع وإنزال الأحمال وأيضا تستخدم فى آلات التغليف بالبلاستيك وكذلك مع المضخات والضواغط حيث يؤدى ذلك إلى تلافى التغيرات الفجائيه فى ضغط الغازات والسوائل داخل المواسير مما يقضى على ظاهرة الطرق hammering  داخل المواسير .

*
والمنحنيات التاليه توضح تغير العزم وتيار الدخل وقدرة الدخل لمحرك قدرته 2 حصان مع تغير السرعه لطرق البدء المختلفه .

*

تغير عزوم المحرك مع طرق البدء المختلفه.

*

*

تغير تيار دخل المحرك مع طرق البدء المختلفه

*

*

تغير قدرة دخل المحرك مع طرق البدء المختلفه