معلومات عامة عن الآلات الكهربائية
1-تصنيف الآلات الكهربائية.
2-المعطيات الاسمية للآلات الكهربائية.
3-الشروط الواجب توافرها في الآلات الكهربائية.
تصنف الآلات الكهربائية حسب مجالات الاستخدام ، نوع التيار ، مبدأ العمل ،الاستطاعة ، وسرعة الدوران.
تنقسم الآلات الكهربائية حسب مجالات استخدامها الى الانواع التالية:
تعمل المولدات الكهربية على تحويل الطاقة الميكانيكية الى طاقة كهربائية ، اذا تركب في المحطات الكهربائية الثابتة ويمكن ان تحمل على وسائل نقل مختلفة كالسيارات والطائرات والقطارات الحديدة والبواخر كمجموعات توليد منتقلة، كما تستخدم المولدات في بعض الحالات كمنابع للتغذية فى مراكز الاتصالات communication centers وجمل الاتمتة وتقنيات القياس وغيرها.
تحول الطاقة الكهربائية الى طاقة ميكانيكية فهي تدير الآلات والمعدات والاجهزة الميكانيكية المختلفة المستخدمة في ميادين الصناعة والزراعة والاتصالات والنقل والمجالات العسكرية ومناح الحياة العامة كما تستخدم المحركات الكهربائية في جمل التحكم الآلية الحديثة كعناصر تنظيم وتنفيذ وبرمجة .
تقوم هذه المبدلات بتحويل التيار المتناوب الى تيار مستمر وبالعكس ، وتستخدم في دوائر التيار المتناوب والمستمر لتغيير التوتر و التردد وعدد الاطوار ….الخ.
وقد تراجع دور هذا النوع من المبدلات الكهربائية في العقود الاخيرة الى حد كبير بسبب الانتشار الواسع للمبدلات الالكترونية الساكنة electronic converter-invertors
تستخدم في المنشات الكهربائية المختلفة لتوليد الاستطاعة الردية. بغاية تحسين مواصفات الطاقة الكهربائية في مراكز الاستهلاك والتوليد.
تستخدم من اجل التحكم بالبنى الكهربائية ذات الاستطاعة العالية بواسطة اشارات كهربائية صغيرة الاستطاعة ترسل الى ملفات التحكم (التهييج) التي تدخل في تكوين هذه المضخات.
تدعى الآلات الكهربائية الصغيرة التي لا تزيد استطاعتها على 600 وات بالآلات الميكروية micro machines حيث تستخدم هذه الآلات على نطاق واسع في جمل الأتمتة والاجهزة الكهربائية المنزلية تقسم الآلات الكهربائية الميكروية المستخدمة في تجهيزات الاتمتة حسب وظيفتها الى المجموعات التالية:
تستخدم لتدوير العناصر المختلفة التى تدخل في تركيب جمل الاتمتة واجهزة التسجيل الرقمية والبيانية ذاتية الحركة وغيرها.
تحول الاشارة الكهربائية المطبقة على دخلها الى حركة ميكانيكية تنتقل الى محور دوران ايانها تقوم بصياغة اوامر محددة.
وهيتحول الحركة الميكانيكية لمحور الدوران الى اشارة كهربائية – التوتر- تتناسب مع سرعة دوران المحور
يمكن الحصول في خروج هذه المحولات على توتر يتناسب مع احد توابع زاوية دوران المحور مثل جيب او جيب تمام هذه الزاوية أو الزاوية نفسها.
الآلات الارتباط التزامني :synchrodrive
السينكرونات والمغنيسينات Magnesyns, Synchros
تقوم هذه الآلات بتحقيق الفتل أو الدوران المتزامن لعدة محاور غير مرتبط بعضها مع بعض إرتباطا ميكانيكيا .
تؤمن هذه الآلات الكهربائية الحركة الدورانية لمحاور الجيروسكوبات ذات التردد العالي وتقوم بتصحيح وضعياتها.
تسمى عادة ألات المجموعاتين الأولى والثانية بألات الإستطاعة الميكروية أما ألات مجموعات الثالثة والرابعة والخامسة فتدعى بالألات الميكروية الإعلامية information micro machines
تصنف الآلات الكهربائية ضمن مجموعتين:
ألات التيار المتناوب AC machines وألات التيار المستمر DC machines
تقسم ألات التيار المتناوب على أساس مبدأ عملها وخصائصها الكهرومغناطيسية الى المحولات ،الألات اللاتزامنية(التحريضية)،الألات التزامنية وألات التيار المتناوب ذات المجمع .
تستخدم على نطاق واسع من أجل تغيير التوتر فينظم نقل الطاقة الكهربائية وتوزيعها وأجهزة التقويم، وفي تجهيزات الإتصال والأتمتة والحواسيب الإلكترونية وتقنيات القياس (محولات القياس)،وفي المبدلات الوظيفية(التابعية) function generators (المحولات الدوارة.(
تستخدم الآلات اللاتزامنية بشكل رئيسي كمحركات كهربائية ثلاثية الطور 3 phase electric motor ويمكن بفضل بساطة تركيب هذه الآلات ووثوقيتها العالية استعمالها في مختلف مجالات الصناعة لتدوير آلات التشغيل المختلفة وآلات الرفع والحفر والضواغط والمراوح…..الخ.
اما في جمل التنظيم الآلية فتستخدم على نطاق واسع المحركات التحريضية المقودة احادية الطور اوثنائية الطور وبالاضافة الى مولدات التاكو اللاتزامنية والسيكرونات.
تستخدم بصورة اساسية كمولدات تيار متناوب ذات تردد نظامي في المحطات الكهربية، ومولدات ذات تردد عالى في منابع التغذية المستقلة (في البواخر والطائرات … الخ).
كما تستعمل ايضا في جمل القيادة الكهربائيةذات الاستطاعة الكبيرة كمحركات تزامنية. وتستخدم الآلات التزامنية ذات الاستطاعة الصغيرة على نطاق واسع في جمل الاتمتة (الآلات البروزية Reactive power machines الآلات ذات المغناطيس الدائم ، الآلات التباطئية….الخ.
وهي ذات استخدامات نادرة نسبيا لانها تتميز ببنية معقدة وتحتاج الى صيانة مستمرة.
تستخدم هذه الآلات بصورة اساسية كمحركات كهربية.
اما الآلات العامة ذات المجمع Universal machines التي يمكن ان تعمل بالتيار المستمر او المتناوب فهي تستخدم في جمل لاتمتة والاجهزة المنزلية المختلفة.
تستخدم آلات التيار المستمر بصورة رئيسية كمحركات كهربائية في جمل القيادة والتحكم التى تتطلب تنظيم سرعة الدوران في حدود واسعة (وسائل النقل البحرية، القطارات، وحدات دلفنة المعادن، عناصر نقل الحركة في عربات الشحن الضخمة،آلات الرفع والحفر، آلات معالجة المعادن وغيرها).
كما تستخدم هذه المحركات عندما تكون منابع التغذية المدخرات الكهربية (محركات بدء التشغيل او الاقلاع ، محركات الغواصات البحرية والمركبات الفضائية…الخر).
اما مولدات التيار المستمر فغالبا ما تستخدم لتغذية تجهيزات الاتصالات ومن اجل شحن مجموعات المدخرات، كما تستعمل كمنابع تغذية اساسية في وسائل النقل ( السيارات، السفن ، الطائرات، القطارات.(
استبدل استخدام مولدات التيار المستمر بمولدات التيار المتناب المزودة بوحدات تقويم التيارRectifier
تستخدم في جمل التنظيم الآلية آلات التيار المستمر على نطاق واسع كمضخات دوارة ومحركات منفذة ومولدات تاكو Tacho generators.
تزود كل الآلات الكهربائية بلوحة اسمية Name plate معدنية مثبتة على هيكلها الخارجي
يشار في هذه اللوحة عادة إلى طراز الآلة ومعطياتها الاسمية التي تؤخذ كأساس لتحديد شروط عمل الآلة الكهربائية ومواصفاتها أثناء التصميم.
تشمل هذه المعطيات الاستطاعة، التوتر،التيار، سرعة الدوران، التردد، المردود ،عدد الأطوار، معامل الاستطاعة ونظام العمل .
كما يشار إلى اللوحة الاسمية إلى الجهة الصانعة وتاريخ إنتاج الآلة ودرجة العازلية وبعض المعلومات الإضافية التي تلزم عند التركيب والاستثمار ( الوزن ، طريقة توصيل الملفات…الخ)
ويمكن استخدام مصطلح الاسمى Nominal للتعبير عن مقادير أخرى غير مذكورة في جدول المواصفات الفنية لكنها تميز حالة العمل الاسمية كعزل الدوران الاسمي Nominal torque والانزلاق الاسمي Nominal slip …..الخ
وهي التي تصمم على أساسها الآلة الكهربية وتحقق شروط عدم ارتفاع درجة حرارتها على الحد المسموح والحفاظ على جاهزية العمل خلال فترة الاستثمار المحددة لهذه الآلة.
فبالنسبة للمحركات الكهربائية يقصد بالاستطاعة الاسمية الاستطاعة الميكانيكيةالمفيدة Useful mechanical power على المحور وتقاس بالوات أو الكيلو وات.
أماالاستطاعة الاسمية في مولدات التيار المستمر فإنها تعني استطاعة الخرج الكهربائية المفيدة المأخوذة من الآلة وتقاس أيضا بالوات أو الكيلو وات.
كما تشير الاستطاعة الاسمية في مولدات التيار المتناوب إلى استطاعة الخرج الكلية (الظاهرية) والتي تقاس بالفولت أمبير أو بالكيلو فولت أمبير.
يتم ترتيب الاستطاعات الاسمية لجميع أنواع الآلات الكهربية الدوارة والمحولات ضمن جداول معيارية بالطريقة نفسها التي تحدد فيها سرعة الدوران الاسمية للآلات الكهربية.
يمكن تشغيل الآلات الكهربائية في ظروف عمل غير اسمية ( باستطاعات أو تيارات وتوترات تزيد أو تقل عن الحدود الاسمية).
عند الأحمال التي تقل عن الحمل الاسمي تكون عادة قيم المردود ومعامل الاستطاعةpower factor أدنى من مستواهم النظامي.
أما زيادة الحمل overload على القيم الاسمية فتؤدي إلى ظهور الأوان وبالتالي خروج الآلة من العمل بشكل مبكر.
أن درجة الحرارة العظمى المسموحة في الملفات تتعلق إلى حد كبيربخواص المادة العازلة المستخدمة ومدة خدمة الآلة وهي تتراوح عادة ما بين 105 و 180درجة مئوية.
تعد الآلات الكهربائية آلات معكوسة Reversible أي أنها تستطيع العمل كمولدات أو كمحركات على حد سواء.
وهذه الخاصية تنطبق على المبدلات الكهربائية الدوارة والمحولات،إذ يمكن عكس استثمار الطاقة الكهربائية في هذه الآلات أيضا.
بيد أن الآلات الكهربائية التي يتم إنتاجها في فروع الصناعات الكهربائية تخصص عادةللعمل في نظام موحد، وهذا يسمح بجعل الآلة اكثر ملاءمة لشروط الاستثمار واقل حجماواخفض تكلفة.
تصنع الآلات الكهربائية بتوترات عيارية محددة تتوافق مع مستويات التوتر العيارية المستخدمة في الشبكات الكهربائية.
تزيد التوترات العيارية الخاصة بالمولدات على توترات المحركات بحوالي 5-10%
فمثلا إذا كان التوتر العياري للمحرك 220 فولت يكون توتر المولد 230 فولت.
ويعود السبب في اختلاف قيم التوترات العيارية المستخدمة في المحركات والمولدات إلى هبوطات التوتر voltage drops في الشبكات الكهربائية التي تربطما بين هذه المحركات و المولدات.
أما في المحولات فتؤخذ التوترات العيارية في جهة الملفات الأولية مساوية لتوترات المحركات وفي جهة الملفات الثانوية تكون مساوية لتوترات المولدات.
تصمم آلات التيار المتناوب في الغالب للعمل على توترات جيبية متناظرة بالنسبة لجميع الأطوار. وتحدد درجة اختلال هذا الشرط في جداول المعايير والمواصفات.
فعلى سبيل المثال يجب ألا تزيد مقدار انحراف التوتر voltage deviation في تجهيزات الطاقة الكهربائية عن -5% و +10%
كما أن Distortion factor يجب ألا يتجاوز 5%
أما الآلات المخصصة للعمل مع مبدلات التيارRectifiers فتتعرض عادة لتأثير توترات وتيارات غير جيبية تسبب حدوث فقد في القدرة داخل هذه المحولات وارتفاع درجة الحرارة للملفات
من أهم الشروط الواجب توافرها في الآلات الكهربائية، الوثوقية العالية أثناء العمل ومحددات الأداء الجيدة( المردود ومعامل القدرة) وصغر الحجم والكتلة وانخفاض الكلفة ، بالإضافة إلى بساطة التصميم وسهولة التصنيع والاستثمار والصيانة.
أن المتطلبات الفنية الواجب توافرها في الآلات المخصصة للاستخدامات الصناعية العامة والآلات ذاتالتصاميم الخاصة، مدرجة في جداول المعايير والمواصفات.
تصمم كل آلة كهربائية للعمل ضمن شروط استثمارية معينة مثل نظام التحميل، زيادة الحمل المسموح، مستوى التوتر والتردد ، سرعة الدوران ودرجة حرارة وسط التبريد، الارتفاع عن سطح البحرونسبة الرطوبة…..الخ.
ويفترض أن تعمل الآلة في هذه الظروف باستطاعتها الاسمية دون أعطال وتوقف خلال المدة الزمنية المطلوبة ( الفترات الزمنية التى تمتد ما بين مراحل الصيانة الدورية).
يمكن تحقيق الوثوقية العالية المطلوبة للآلة الكهربائية عن طريق اعتماد عوامل أمان Safety factors كافية عند التصميم واستخدام تقنيات تصنيعذات مستوى متطور والتقيد بقواعد الاستثمار الصحيحة (تشغيل الآلة في نظام العمل الذيصممت على أساسه وتنفيذ عمليات الصيانة الدورية بانتظام).
تعمل الآلات الكهربائية ذات الاستطاعة الكبيرة والمتوسطة والصغيرة عادة كمبدلات للطاقة ( محركات ، مولدات،محولات ، مبدلات دوارة).
لذلك فمن أجل خفض النفقات المصروفة على استثمار هذه الآلات لابد من إبلاء محددات أدائها التي تشمل المردود ومعامل القدرة أهمية كبيرة.
فعند تصميم الآلة بطريقة الاختيار الأمثل Optimization لمحدداتها الأساسية و حمولاتها الكهرومغناطيسيةElectromagnetic loading يجري السعي للحصول على افضل قيم ممكنة للمردود ومعامل القدرة عند الحمل الاسمي Nominal load بيد أن هذه القيم مرتبطة مع القدرة الاسمية للآلة بعلاقة محدودة ، لذلك فكلما كانت القدرة الاسمية صغيرة انخفضت معها قيم المردود ومعامل الاستطاعة.
بالإضافة إلى متطلبات الفنية العامة، يجب أن تتوافر في الآلات الكهربائية الميكروية عدة مواصفات أخرى أهمها:
1- الدقة العالية في تحويل إشارة الدخل إلى خرج، كتحويل سرعة الدوران مثلا إلى توتر خرج في مولدات التاكو، أو تحويل توتر التحكم إلى سرعة دوران في المحركات المنفذة.
2- ثبات مميزات الخرج عند تغير الشروط الاستثمار ، كتغير درجة الحرارة الوسط المحيط مثلا.
3- خطية المميزات عند تغير الحمل وإشارة التحكم.
4- سرعة التنفيذ العالية.
5- سعة مجال التنظيم.
من اجل تحقيق هذه الشروط يضطر المصممون للابتعاد عن القواعد، التي تستهدف إيجاد الحل الأمثل المتبعة عند تصميم الآلات ذات القدرة الكبيرة والمتوسطة.
فمن اجل خفض نسبة الخطأ في الآلات الميكروية الإعلامية مثلا تقلل قيمة الحمولات الكهرومغناطيسية لها وتؤخذ الثغرة الهوائية Air-gap ما بين الجزء الثابت والجزء المتحرك بطول اكبر.
ومن اجل زيادة عزم الدوران في المحركات المنفذة وبعض الآلات الميكروية الأخرى يجري اختيار الحمولات الكهرومغناطيسية عند الحدود القصوى المسموحة التي تحددها شروط تبريد الآلة .
وهذا ما يقود إلى إنقاص قيم محددات الأداء (المردود ومعامل القدرة) التي تعتبر ذات أهمية بالغة بالنسبة للآلات ذات القدرة المتوسطة والضخمة
أما بالنسبة للآلات الكهربائية الميكروية فتحتل المواصفات المتمثلة بالدقة وسرعة الأداء وسعة مجال التنظيم ، المرتبة الأولى .
عدا الشروط والمواصفات المذكورة الواجب توافرها في الآلات الكهربائية الميكروية يمكن إضافة بعض الشروط الخاصة المتعلقة بالخصائص الاستثمارية لهذه الآلات .
فعلى سبيل المثال يتوجب على الآلات الميكروية المستخدمة في آلات التسجيل الصوتية أن تتمتع بمستوى منخفض من الضجيج .
كما لا يجوز للآلات الميكروية المستخدمة في الدوائر الراديوية أن تولد مستويات عالية من التشويش .
وعند تركيب مثل هذه الآلات في المفاعلات النووية والمركبات الفضائية يجب أن تبقى محافظة على استقرارها .
إن هذه الشروط تضع جملة من القيودعلى بنية هذه الآلات فتؤدي إلى زيادة كتلتها وحجمها و بالتالي إلى خفض جودة محددات أدائها.