تحويل الطاقة · الفصل 8 — تغيير السرعة والإقلاع في المحرّك الحثّيשינוי מהירות והתנעה של מנוע השראה · 33.101⌂📚🏠
الفصل 8

تغيير السرعة والإقلاع في المحرّك الحثّي

שינוי מהירות והתנעה של מנוע השראה
الصف الثاني عشر · 8 ساعات تعليمية

تعلّمنا في الفصلين السابقين أن سرعة المحرّك الحثّي قريبة دائما من السرعة التزامنية، وأنها لا تتغيّر كثيرا مع الحمل. لكن الصناعة تحتاج إلى سرعات مختلفة: مروحة بسرعتين، سير ناقل بسرعة قابلة للضبط، مضخّة توفّر الطاقة. وتحتاج أيضا إلى إقلاع المحرّك دون أن يُثقل الشبكة بتيار كبير. في هذا الفصل نتعرّف على طريقتين لتغيير السرعة: تغيير عدد الأقطاب وتغيير التردّد، ثم على مشاكل الإقلاع المباشر وعلى طريقتين للإقلاع بجهد مخفَّض: نجمة-مثلث والبادئ الناعم.

في نهاية هذا الفصل سنعرف أن:
  • سرعة المحرّك تتعلّق بثلاثة مقادير: n2 = 60·f1p·(1 − s) ، ولذلك توجد ثلاثة «مقابض» لتغييرها.
  • تغيير عدد الأقطاب يتمّ بلفّ مشترك (دالاندر) أو بلفّات منفصلة، ونرسم توصيل الملفّات في كل سرعة.
  • مغيّر التردّد يغيّر السرعة بشكل متواصل، ويحافظ على النسبة U1f1 ثابتة كي يبقى الفيض ثابتا.
  • الإقلاع المباشر يسحب تيارا كبيرا يسبّب هبوط الجهد في الشبكة، ونحسب تيار الإقلاع وعزم الإقلاع.
  • في الإقلاع نجمة-مثلث يصغر تيار الإقلاع وعزم الإقلاع ثلاث مرّات، ونحدّد متى تلائم الطريقة المحرّك والحمل.
  • البادئ الناعم يرفع الجهد تدريجيا بواسطة ثايرستورات، ونقارن بين طرق الإقلاع.

שיטות לשינוי המהירות של מנוע השראה – طرق تغيير سرعة المحرّك الحثّي (Speed Control)

نعود إلى قانونين من الفصل السادس: السرعة التزامنية n1 = 60·f1p ، والانزلاق s = n1 − n2n1. نُخرج منهما سرعة الروتور:

سرعة المحرّك الحثّي · מהירות מנוע השראה
n2 = n1·(1 − s)
n2 = 60·f1p·(1 − s)
الرمزالمعنىوحدة القياس
n2سرعة الروتور[rpm]
n1السرعة التزامنية (سرعة المجال المغناطيسي)[rpm]
f1تردّد جهد التغذية[Hz]
pعدد أزواج الأقطاب—
sالانزلاق—

من القانون نرى ثلاثة «مقابض» لتغيير السرعة:

مثال 8.1
محرّك حثّي له أربعة أقطاب يعمل في شبكة 50 Hz بانزلاق s = 0.04. نحسب سرعته.
M3~2p = 4f₁ = 50 Hzs = 0.04
الحل:

أربعة أقطاب تعني زوجين من الأقطاب: p = 2.

n1 = 60·f1p = 60 · 502 = 1500 rpm
n2 = n1·(1 − s) = 1500 · (1 − 0.04) = 1440 rpm
n2 = 1440 rpm

السرعات التزامنية في شبكة 50 Hz: 2p = 2 → n1 = 3000 rpm ، 2p = 4 → n1 = 1500 rpm ، 2p = 6 → n1 = 1000 rpm ، 2p = 8 → n1 = 750 rpm.

سؤال 8.1: محرّك حثّي له ستة أقطاب يعمل في شبكة 50 Hz بانزلاق s = 0.05. ما سرعته؟

تغيير السرعة بتغيير عدد الأقطاب – שינוי המהירות על-ידי שינוי מספר הקטבים:

تغيير عدد الأقطاب (שינוי מספר הקטבים): هو تغيير توصيل ملفّات الستاتور بحيث يتكوّن فيها عدد آخر من الأقطاب، فتتغيّر السرعة التزامنية n1 = 60·f1p ومعها سرعة المحرّك. الطريقة تلائم المحرّك ذا الروتور القفصي، لأن القفص يكوّن من تلقاء نفسه نفس عدد أقطاب الستاتور.

تغيير الأقطاب يعطي عددا محدودا من السرعات الثابتة (اثنتين، ثلاثا أو أربعا)، ولا يعطي تحكّما متواصلا. توجد طريقتان لتنفيذه.

أ. لفّ مشترك (دالاندر) – ליפופים משותפים (דלנדר):

لفّ مشترك (دالاندر) (ליפופים משותפים – דלנדר): هو لفّ في الستاتور، كل طور فيه مقسوم إلى نصفين مع مخرج في المنتصف. عندما نعكس التيار في أحد النصفين يتغيّر عدد الأقطاب بنسبة 2:1 ، فنحصل على سرعتين نسبتهما 1:2 تقريبا.

الرسم التالي يبيّن المبدأ في طور واحد، في مقطع «مفرود» من الستاتور. في الحالة الأولى يمر التيار في نصفي الملفّ في نفس الاتجاه، فيكوّن كل نصف قطبا شماليا، وبينهما تتكوّن أقطاب جنوبية: أربعة أقطاب. في الحالة الثانية نعكس التيار في النصف الثاني، فيصبح تحته قطب جنوبي: قطبان فقط، والسرعة التزامنية تتضاعف.

نصف الملفّ 1نصف الملفّ 2NSNS2p = 4
التيار في نفس الاتجاه في النصفين: أربعة أقطاب، سرعة منخفضة
نصف الملفّ 1نصف الملفّ 2NS2p = 2
التيار معكوس في النصف الثاني: قطبان، سرعة عالية

لمحرّك دالاندر ثلاثي الطور ستة أطراف: 1U, 1V, 1W في طرفي اللفّ، و 2U, 2V, 2W في مخارج المنتصف. في التوصيل الشائع:

الملامس (מגען): هو مفتاح كهرومغناطيسي له ثلاثة ملامسات رئيسية، تُغلق عندما يمر تيار في ملفّه. يصل المحرّك بالشبكة ويفصله عنها بأمر من دائرة التحكّم، ونرمز له بالحرف C.

في دائرة القدرة لمحرّك دالاندر ثلاثة ملامسات: C1 يغذّي 1U, 1V, 1W في السرعة المنخفضة؛ وفي السرعة العالية يغذّي C2 الأطراف 2U, 2V, 2W ، و C3 يربط 1U, 1V, 1W معا. إغلاق C1 مع C2 و C3 في نفس الوقت يُحدث قصرا في الشبكة، ولذلك يوجد بينها حجب متبادل (נעילה הדדית).

2U2V2WL1L2L31U1V1W
سرعة منخفضة (Δ): التغذية إلى 1U, 1V, 1W
2UL12VL22WL31U·1V·1W
سرعة عالية (YY): 1U, 1V, 1W مربوطة معا، والتغذية إلى 2U, 2V, 2W

نرسم المنحنى المميّز الميكانيكي لمحرّك دالاندر 4/2 أقطاب في السرعتين على نفس المحاور، مع حمل عزمه ثابت ML:

15003000123n₂M/Mₙ2p = 4 (Δ)2p = 2 (YY)ML
المنحنيان المميّزان في السرعتين. نقطتا العمل: n2 ≈ 1469 rpm و n2 ≈ 2938 rpm ، والنسبة بين السرعتين 1:2 تقريبا
ملاحظة: التوصيل Δ/YY يلائم الأحمال ذات العزم الثابت تقريبا، مثل آلات التشغيل والسيور الناقلة. توجد أيضا صيغة Y/YY تلائم المراوح والمضخّات، وهي المستعملة في المحاكاة. في بعض المحرّكات يجب تبديل طورين عند الانتقال إلى السرعة العالية كي يبقى اتجاه الدوران كما هو، ولذلك نتبع دائما مخطط التوصيل الذي يعطيه الصانع.
مثال 8.2
محرّك دالاندر 4/2 أقطاب يعمل في شبكة 50 Hz. الانزلاق في السرعة المنخفضة sa = 0.04 ، وفي السرعة العالية sb = 0.03.
أ. نحسب السرعتين التزامنيتين.
ب. نحسب سرعتي المحرّك.
ج. نحدّد توصيل الملفّات والأطراف المغذّاة في كل سرعة.
M3~Dahlander 2p = 4 / 2f₁ = 50 Hzs = 0.04 / 0.03
الحل:

أ. في السرعة المنخفضة 2p = 4 ، أي pa = 2 ؛ وفي السرعة العالية 2p = 2 ، أي pb = 1 :

n1a = 60·f1pa = 60 · 502 = 1500 rpm
n1b = 60·f1pb = 60 · 501 = 3000 rpm

ب. سرعة المحرّك في كل حالة:

n2a = n1a·(1 − sa) = 1500 · (1 − 0.04) = 1440 rpm
n2b = n1b·(1 − sb) = 3000 · (1 − 0.03) = 2910 rpm

ج. السرعة المنخفضة: ربط المثلث، والتغذية إلى 1U, 1V, 1W (الملامس C1). السرعة العالية: نجمة مزدوجة، 1U, 1V, 1W مربوطة معا والتغذية إلى 2U, 2V, 2W (الملامسان C2 و C3).

n2a = 1440 rpm , n2b = 2910 rpm
سؤال 8.2: محرّك دالاندر 8/4 أقطاب يعمل في شبكة 50 Hz.
أ. ما السرعتان التزامنيتان؟
ب. إذا كان الانزلاق 0.05 في السرعة المنخفضة و 0.04 في السرعة العالية، فما سرعتا المحرّك؟
▶تجربة حية — محرّك دالاندر بسرعتينمحاكاة دائرة التحكّم ودائرة القدرة: نشغّل السرعة المنخفضة ثم العالية، ونرى أي ملامس يُغلق وكيف يتغيّر توصيل الملفّات.
⚠
المختبر غير متاح الآن. المادة في هذا الفصل كاملة من دونه — نواصل القراءة، ونعود إلى التجربة لاحقا أو نفتحها مباشرة من الرابط الذي تحت الإطار.
https://fahed-lab.com/control/dahlander_final
نفتح المختبر في صفحة مستقلة ↗ fahed-lab.com/control/dahlander_final

ب. لفّات منفصلة – ליפופים נפרדים:

لفّات منفصلة (ליפופים נפרדים): هي لفّتان مستقلّتان في مجاري الستاتور نفسها، لكل واحدة منهما عدد أقطاب مختلف. نغذّي في كل لحظة لفّة واحدة فقط، والثانية تبقى مفصولة.
L1L2L3C12p = 4C22p = 6
لفّتان منفصلتان في محرّك واحد: C1 يغذّي اللفّة ذات الأقطاب الأربعة، و C2 يغذّي اللفّة ذات الأقطاب الستة. بين الملامسين حجب متبادل

لا توجد علاقة بين عددي الأقطاب في اللفّتين، ولذلك يمكن الحصول على أي نسبة بين السرعتين، مثلا 4/6 أقطاب. ثمن ذلك: كل لفّة تشغل جزءا من مساحة المجاري فقط، فيكون المحرّك أكبر وأغلى من محرّك عادي له نفس القدرة. يمكن أيضا الجمع بين الطريقتين: لفّة دالاندر ولفّة منفصلة في نفس المحرّك تعطيان ثلاث سرعات.

لفّ مشترك (دالاندر)لفّات منفصلة
النسبة بين السرعات1:2 فقطأي نسبة، مثلا 2:3 أو 3:4
عدد اللفّات وعدد الأطرافلفّة واحدة، ستة أطرافلفّتان، ستة أطراف لكل لفّة
حجم المحرّكقريب من المحرّك العاديأكبر، لأن كل لفّة تشغل جزءا من المجاري
مجالات الاستعمالآلات التشغيل، السيور الناقلة، المراوح بسرعتينالمراوح والمضخّات، الروافع، الغسّالات الصناعية
مثال 8.3
محرّك بلفّتين منفصلتين: 2p = 4 و 2p = 6 ، 50 Hz. الانزلاق sa = 0.04 في اللفّة الأولى و sb = 0.05 في الثانية. نحسب سرعتي المحرّك والنسبة بين السرعتين التزامنيتين.
الحل:
n2a = 60 · 502 · (1 − 0.04) = 1500 · 0.96 = 1440 rpm
n2b = 60 · 503 · (1 − 0.05) = 1000 · 0.95 = 950 rpm

النسبة بين السرعتين التزامنيتين n1an1b = 15001000 = 1.5 ، أي 3:2 وليست 2:1 ، ولذلك لا يمكن الحصول عليها بلفّ دالاندر.

n2a = 1440 rpm , n2b = 950 rpm
سؤال 8.3: نحتاج محرّكا لمروحة بسرعتين تزامنيتين 1000 rpm و 750 rpm في شبكة 50 Hz.
أ. ما عددا الأقطاب المطلوبان؟
ب. هل يلائم لفّ دالاندر؟ نعلّل.

تغيير السرعة بتغيير التردّد – שינוי מהירות על-ידי שינוי התדירות:

مغيّر التردّد (ממיר תדר): هو جهاز إلكتروني يُغذّى من الشبكة بتردّد ثابت 50 Hz ، ويزوّد المحرّك بجهد ثلاثي الطور تردّده وقيمته قابلان للضبط. يسمّى أيضا «العاكس» (الإنفرتر)، على اسم مرحلته الأخيرة.
50 Hz~=+−UDC=~M3~f1 , U₁الشبكةالمقوِّمدائرة التيار المستمرالوسيطةالعاكسالمحرّكمتغيّران
المخطط الكتلي لمغيّر التردّد. الخطوط الثلاثة المائلة على الموصل تعني ثلاثة أطوار
  1. المقوِّم (מיישר): يحوّل الجهد المتناوب للشبكة إلى جهد مستمر.
  2. دائرة التيار المستمر الوسيطة (מעגל ביניים): مكثّف كبير يخزن الطاقة ويُنعّم الجهد المستمر UDC.
  3. العاكس (מהפך): مفاتيح إلكترونية سريعة (ترانزستورات) تقطّع الجهد المستمر وتصنع منه جهدا ثلاثي الطور بالتردّد وبالقيمة المطلوبين.

السرعة التزامنية تتناسب طرديا مع التردّد: n1 = 60·f1p. عندما نخفّض التردّد إلى النصف تنخفض السرعة التزامنية إلى النصف، وهكذا نحصل على تحكّم متواصل في السرعة، من سرعة منخفضة جدا حتى السرعة الاسمية وأكثر.

لماذا نغيّر الجهد مع التردّد؟ في ملفّ الستاتور، كما في الملفّ الابتدائي للمحوّل: U1ph ≈ E1ph = 4.44·f1·N1·Φmax·K1. إذا خفّضنا التردّد وأبقينا الجهد ثابتا يكبر الفيض، فتدخل النواة في الإشباع (רוויה)، ويكبر تيار المغنطة ويسخن المحرّك. لذلك يغيّر مغيّر التردّد الجهد مع التردّد بنفس النسبة:

قاعدة الجهد والتردّد · U/f קבוע
U1f1 = Unfn = const
Φmax ≈ U1ph4.44·f1·N1·K1 = const
الرمزالمعنىوحدة القياس
U1 , f1جهد المحرّك وتردّده[V] , [Hz]
Un , fnالجهد الاسمي والتردّد الاسمي[V] , [Hz]
Φmaxالفيض الأعظم[Wb]
U1phجهد الطور على ملفّ الستاتور[V]
N1 , K1عدد لفّات الطور في الستاتور ومعامل اللفّ—

عندما يبقى الفيض ثابتا يبقى العزم الأقصى ثابتا تقريبا، والمنحنى المميّز كله يتحرّك بالتوازي مع تغيّر التردّد: الفرق n1 − n2 عند عزم معيّن يبقى كما هو. في الرسم منحنيات محرّك ذي أربعة أقطاب عند عدّة تردّدات، والأرقام تحت المحور هي قيم n1:

3006009001200150018002100123n₂M/Mₙ10 Hz20 Hz30 Hz40 Hz50 Hz60 Hz70 HzMn
المنحنى المميّز الميكانيكي عند تردّدات مختلفة. بالأزرق: f1 ≤ 50 Hz والنسبة U1f1 ثابتة. بالأحمر المتقطّع: تردّد أعلى من 50 Hz والجهد U1 = Un. الخط المتقطّع الأفقي: العزم الاسمي Mn
إضعاف الفيض (إضعاف التدفّق) (החלשת שדה): هو العمل بتردّد أعلى من التردّد الاسمي، بينما يبقى الجهد على قيمته الاسمية لأنه لا يمكن رفعه أكثر. عندها تصغر النسبة U1f1 فيصغر الفيض، ويصغر العزم الأقصى (الحرج) Mk تقريبا بنسبة (fnf1)2. نحصل على سرعة أعلى، لكن بعزم أصغر.
مثال 8.4
محرّك حثّي: أربعة أقطاب، 400 V ، 50 Hz ، سرعته الاسمية 1460 rpm ، يُغذّى من مغيّر تردّد يحافظ على U1f1 ثابتة. نريد أن يدور بسرعة 1000 rpm تحت العزم الاسمي. نحسب التردّد والجهد المطلوبين.
M3~2p = 4 , 400 V , 50 Hzn₂ = 1460 rpmU₁/f₁ = const
الحل:

المنحنيات تتحرّك بالتوازي، ولذلك الفرق بين السرعة التزامنية وسرعة المحرّك تحت العزم الاسمي ثابت في كل التردّدات:

n1 − n2 = 1500 − 1460 = 40 rpm

السرعة التزامنية المطلوبة والتردّد:

n1 = 1000 + 40 = 1040 rpm
f1 = p·n160 = 2 · 104060 = 34.67 Hz

الجهد بنفس النسبة:

Unfn = 40050 = 8 V/Hz
U1 = 8 · 34.67 = 277.3 V
f1 ≈ 34.67 Hz , U1 ≈ 277.3 V

مجالات الاستعمال: المضخّات والمراوح (ضبط كمية الماء أو الهواء بالسرعة بدل الصمّامات)، السيور الناقلة، الروافع والمصاعد، آلات التشغيل. ميزة إضافية: المحرّك يقلع من تردّد منخفض، فيكون تيار الإقلاع صغيرا والعزم كبيرا، ولذلك يُستعمل مغيّر التردّد أيضا للإقلاع.

توفير الطاقة: في المراوح والمضخّات النابذة تتناسب القدرة المطلوبة تقريبا مع مكعّب السرعة. مروحة تحتاج 11 kW في السرعة الكاملة، تحتاج عند 0.8 من السرعة إلى نحو 11 · 0.83 ≈ 5.6 kW فقط. لذلك يوفّر مغيّر التردّد طاقة كثيرة في هذه الأحمال.
سؤال 8.4: المحرّك من المثال الأخير يُغذّى بتردّد 25 Hz والنسبة U1f1 ثابتة.
أ. ما الجهد على المحرّك؟
ب. ما السرعة التزامنية؟
ج. ما سرعة المحرّك تحت العزم الاسمي؟

התנעת מנועים השראתיים תלת-מופעיים – إقلاع المحرّكات الحثّية ثلاثية الطور (Starting)

مشاكل الإقلاع المباشر بالجهد الكامل – בעיות בהתנעה ישירה של מנוע השראה במתח מלא:

الإقلاع المباشر (התנעה ישירה): هو وصل المحرّك مباشرة بجهد الشبكة الكامل بواسطة ملامس أو مفتاح، دون أي وسيلة لتخفيض الجهد (يسمّى أيضا بدء التشغيل المباشر). هذه أبسط طرق الإقلاع وأرخصها.

في لحظة الإقلاع الروتور ساكن: n2 = 0 والانزلاق s = 1. الحقل الدوّار يقطع قضبان القفص بأكبر سرعة نسبية، ولذلك تكون القوّة الدافعة المستحثّة في الروتور أكبر ما يمكن (E2sph = E20ph) ، وتردّد تياراته يساوي تردّد الشبكة (f2 = f1). في الدائرة المكافئة تصبح المقاومة R'2s صغيرة جدا، والمحرّك يشبه محوّلا ملفّه الثانوي مقصور.

تيار الإقلاع (تيار التبدئة) (זרם התנעה): هو التيار الذي يسحبه المحرّك من الشبكة في لحظة الإقلاع (s = 1) ، ورمزه Ist. في المحرّكات القفصية يكون عادة بين 5 و 8 أضعاف التيار الاسمي (قيمة نموذجية)، وتُعطى النسبة IstIn في لوحة البيانات أو في كتالوج الصانع.

أما عزم الإقلاع Mst فليس كبيرا بنفس النسبة. عند الإقلاع تكون المفاعلة في الروتور كبيرة، لأن f2 = f1 ، فيكون معامل القدرة في الروتور منخفضا، ومعظم التيار لا يساهم في العزم. في المحرّكات القفصية العادية يكون عزم الإقلاع عادة بين 1.5 و 2.5 ضعف العزم الاسمي (قيمة نموذجية).

500100015001234567n₂I/Iₙ , M/MₙIstMstMkIMML
التيار والعزم في الإقلاع المباشر بدلالة السرعة، بوحدات نسبية، لمحرّك فيه IstIn = 6.4 و MstMn = 2.1. ML: عزم الحمل؛ النقطة السوداء: نقطة العمل

نلاحظ في الرسم أن التيار يبقى كبيرا طوال معظم زمن التسارع، ويهبط بسرعة فقط قرب السرعة الاسمية. تيار الإقلاع يكاد لا يتعلّق بالحمل: الحمل الكبير يُطيل زمن التسارع فقط. من هنا مشاكل الإقلاع المباشر:

لذلك يُستعمل الإقلاع المباشر في المحرّكات ذات القدرة الصغيرة بالنسبة إلى قدرة الشبكة التي تغذّيها. الحدّ المسموح به تحدّده شركة الكهرباء وتصميم المنشأة.

مثال 8.5
محرّك قفصي: 15 kW ، 400 V ، 50 Hz ، 1460 rpm ، η = 0.9 ، cos φ1 = 0.85 ، IstIn = 6.4 ، MstMn = 2.1. يقلع إقلاعا مباشرا. نحسب:
أ. التيار الاسمي وتيار الإقلاع.
ب. العزم الاسمي وعزم الإقلاع.
M3~15 kW , 400 V Δ , 50 Hz1460 rpm , η = 0.9cos φ₁ = 0.85Iₛₜ/Iₙ = 6.4 , Mₛₜ/Mₙ = 2.1
الحل:

أ. القدرة على لوحة البيانات هي قدرة الخرج الميكانيكية P2 ، ولذلك نقسم على الكفاءة (P1 = P2η) :

In = P23·UL·cos φ1·η = 150003 · 400 · 0.85 · 0.9 = 28.3 A
Ist = 6.4·In = 6.4 · 28.3 = 181 A

ب. العزم الاسمي من القدرة والسرعة:

Mn = 9.55·P2n2 = 9.55 · 150001460 = 98.1 N·m
Mst = 2.1·Mn = 2.1 · 98.1 = 206 N·m

التيار يكبر أكثر من 6 مرّات، والعزم نحو 2.1 مرّة فقط.

Ist ≈ 181 A , Mst ≈ 206 N·m
سؤال 8.5: محرّك قفصي 5.5 kW ، 400 V ، η = 0.87 ، cos φ1 = 0.82 ، IstIn = 7. ما التيار الاسمي؟ وما تيار الإقلاع المباشر؟
M3~5.5 kW , 400 V , 50 Hzη = 0.87 , cos φ₁ = 0.82Iₛₜ/Iₙ = 7
▶تجربة حية — الإقلاع والتحكّم بالسرعةمحاكاة حيّة: نقارن بين الإقلاع المباشر والإقلاع نجمة-مثلث، ونغيّر التردّد ونرى كيف يتحرّك المنحنى المميّز.
⚠
المختبر غير متاح الآن. المادة في هذا الفصل كاملة من دونه — نواصل القراءة، ونعود إلى التجربة لاحقا أو نفتحها مباشرة من الرابط الذي تحت الإطار.
https://fahed-lab.com/hashmal/machines#starting
نفتح المختبر في صفحة مستقلة ↗ fahed-lab.com/hashmal/machines#starting

طرق الإقلاع بجهد مخفَّض – שיטות להתנעה של מנוע השראה רוטור כלוב במתח מוקטן:

الفكرة المشتركة: نخفّض الجهد على ملفّات المحرّك القفصي في زمن الإقلاع، وعندما يتسارع المحرّك نعيد الجهد الكامل. عند s = 1 ممانعة المحرّك ثابتة، ولذلك يتناسب تيار الإقلاع مع الجهد. الفيض أيضا يتناسب مع الجهد، ولذلك يتناسب العزم مع مربّع الجهد:

الإقلاع بجهد مخفَّض · התנעה במתח מוקטן
I'st = Ist·U'Un
M'st = Mst·(U'Un)2
الرمزالمعنىوحدة القياس
U'الجهد المخفَّض على المحرّك[V]
Unالجهد الاسمي[V]
Ist , Mstتيار الإقلاع وعزم الإقلاع بالجهد الكامل[A] , [N·m]
I'st , M'stتيار الإقلاع وعزم الإقلاع بالجهد المخفَّض[A] , [N·m]

هذا هو الثمن: تخفيض الجهد يخفّض العزم أكثر مما يخفّض التيار. ويجب أن يبقى عزم الإقلاع المخفَّض أكبر من عزم الحمل عند الإقلاع، وإلا فلن يتسارع المحرّك. لذلك تلائم هذه الطرق الأحمال ذات عزم الإقلاع الصغير: المراوح، المضخّات النابذة، والآلات التي تقلع بدون حمل.

مثلا، المحرّك من المثال السابق بجهد 0.6·Un : I'st = 181 · 0.6 ≈ 109 A ، و M'st = 206 · 0.62 ≈ 74 N·m. التيار صغر إلى 0.6 من قيمته، والعزم إلى 0.36 فقط. نطبّق هذا القانون في الطريقتين التاليتين.

الإقلاع نجمة-مثلث – התנעה באמצעות כוכב/משולש:

الإقلاع نجمة-مثلث (התנעת כוכב-משולש): هو إقلاع المحرّك القفصي وملفّاته مربوطة نجمة، ثم تحويلها إلى ربط المثلث عندما يقترب المحرّك من سرعته الاسمية. في ربط النجمة يقع على كل ملفّ جهد أصغر بـ 3 مرّة من جهده في ربط المثلث.

شرط الطريقة: المحرّك يعمل بشكل دائم في ربط المثلث، ولذلك يجب أن يكون الجهد الاسمي لكل ملفّ مساويا لجهد الخط في الشبكة. في شبكة 400 V نحتاج محرّكا مكتوبا على لوحة بياناته 400 V Δ / 690 V Y. أما المحرّك المكتوب على لوحته 230 V Δ / 400 V Y فيعمل في هذه الشبكة بربط النجمة فقط، ولا يمكن إقلاعه نجمة-مثلث.

L1U1L2V1L3W1Uph231 V
ربط النجمة: Uph = UL3
L1L2L3U1W2V1U2W1V2Uph400 V
ربط المثلث: Uph = UL
الإقلاع نجمة-مثلث · התנעת כוכב-משולש
IY = ILΔ3
MY = MΔ3
الرمزالمعنىوحدة القياس
ILΔ , MΔتيار الخط وعزم الإقلاع لو أقلع المحرّك مباشرة في ربط المثلث[A] , [N·m]
IY , MYتيار الخط وعزم الإقلاع في ربط النجمة[A] , [N·m]

لماذا ثلاث مرّات؟ نقارن بين الربطين في لحظة الإقلاع. ممانعة الملفّ عند الإقلاع Zst هي نفسها في الربطين:

  1. جهد الطور في النجمة أصغر بـ 3 مرّة: Uph,Y = UL3.
  2. لذلك تيار الطور أيضا أصغر بـ 3 مرّة: Iph,Y = Iph,Δ3.
  3. في المثلث تيار الخط أكبر من تيار الطور بـ 3 مرّة، وفي النجمة يتساويان. العاملان معا: IY = ILΔ3.
  4. العزم يتناسب مع مربّع جهد الطور: MY = MΔ·(13)2 = MΔ3.
L1L2L3C1FU1V1W1M3~U2V2W2C3ΔC2Y
دائرة القدرة: C1 رئيسي، C2 نجمة، C3 مثلث، F مرحّل زيادة التيار
المرحلةC1C2C3الربط
الإقلاعمغلقمغلقمفتوحY
التحويلمغلقيُفتحيُغلق بعده—
العملمغلقمفتوحمغلقΔ
الإيقافمفتوحمفتوحمفتوح—

الملامسان C2 و C3 لا يُغلقان معا أبدا، لأن ذلك يقصر الشبكة. لذلك يوجد بينهما حجب متبادل، و C3 يُغلق فقط بعد أن يُفتح C2. لحظة التحويل يحدّدها مرحّل زمني (ממסר זמן) يُضبط حسب زمن تسارع الحمل.

ملاحظة: مرحّل زيادة التيار F (ממסר יתרת זרם) موضوع في خطوط الأطراف U1, V1, W1 ، ولذلك يمر فيه تيار الطور، في النجمة وفي المثلث. لذلك نضبطه على In3 وليس على In.
50010001500123n₂M/MₙMΔMYMLnc
العزم: MΔ ، MY = MΔ3 وعزم الحمل ML
500100015001234567n₂I/IₙILΔIY
التيار: ILΔ و IY = ILΔ3

المسار المرسوم بالخط العريض: يقلع المحرّك في النجمة ويتسارع على المنحنى MY حتى السرعة nc ≈ 1357 rpm ، حيث يتساوى MY مع عزم الحمل. عند التحويل إلى المثلث يقفز العزم والتيار إلى منحنيي المثلث، ويكمل المحرّك حتى نقطة العمل. قفزة التيار عند التحويل نحو 2.7·In فقط، مقابل 6.4·In في الإقلاع المباشر، لأن التحويل يتمّ قرب السرعة الاسمية.

مثال 8.6
المحرّك من مثال الإقلاع المباشر مكتوب على لوحته 400 V Δ / 690 V Y ، ويقلع نجمة-مثلث في شبكة 400 V. نحسب:
أ. تيار الخط وعزم الإقلاع في النجمة.
ب. هل يقلع المحرّك مروحة عزمها عند الإقلاع 40 N·m؟ وسيرا ناقلا محمَّلا عزمه عند الإقلاع 110 N·m؟
ج. على أي تيار نضبط مرحّل زيادة التيار؟
الحل:

أ. تيار الخط وعزم الإقلاع في النجمة ثلث قيمتيهما في الإقلاع المباشر بالمثلث:

IY = ILΔ3 = 1813 = 60.4 A
MY = MΔ3 = 2063 = 68.7 N·m

فحص بممانعة الطور: Zst = 400104.6 = 3.82 Ω ، وفي النجمة IY = 2313.82 = 60.4 A.

ب. المروحة: 68.7 N·m أكبر من 40 N·m ، فيقلع المحرّك. السير الناقل: 68.7 N·m أصغر من 110 N·m ، فلا يقلع في النجمة، ولا تلائمه الطريقة.

ج. المرحّل في خطوط الأطراف U1, V1, W1 ، ولذلك:

IF = In3 = 28.33 = 16.3 A
IY ≈ 60.4 A , MY ≈ 68.7 N·m

متى لا تلائم الطريقة؟

سؤال 8.6: محرّك قفصي مكتوب على لوحته 400 V Δ / 690 V Y. في الإقلاع المباشر بالمثلث في شبكة 400 V: Ist = 390 A و Mst = 450 N·m.
أ. ما تيار الإقلاع وعزم الإقلاع في النجمة؟
ب. هل تلائم الطريقة حملا عزمه عند الإقلاع 180 N·m؟
M3~400 V Δ / 690 V Ynetwork 400 V , 50 Hz
▶تجربة حية — دائرة الإقلاع نجمة-مثلثمحاكاة دائرة التحكّم ودائرة القدرة: نضغط زرّ التشغيل ونتابع ترتيب الملامسات C1 ، C2 ، C3 والمرحّل الزمني.
⚠
المختبر غير متاح الآن. المادة في هذا الفصل كاملة من دونه — نواصل القراءة، ونعود إلى التجربة لاحقا أو نفتحها مباشرة من الرابط الذي تحت الإطار.
https://fahed-lab.com/control/star_delta_5008
نفتح المختبر في صفحة مستقلة ↗ fahed-lab.com/control/star_delta_5008

البادئ الناعم – התנעה באמצעות מתנע רך (מתנע אלקטרוני):

البادئ الناعم (البادئ الإلكتروني) (מתנע רך – מתנע אלקטרוני): هو جهاز إلكتروني يرفع الجهد على المحرّك تدريجيا، من قيمة ابتدائية منخفضة حتى الجهد الكامل، خلال زمن قابل للضبط. وبذلك يكبر التيار والعزم بلطف وبدون قفزات.

في كل طور يوجد زوج من الثايرستورات (תיריסטורים) موصولين على التوازي وبعكس الاتجاه: الأول يمرّر نصف الموجة الموجب والثاني نصف الموجة السالب. الثايرستور لا يوصل إلا بعد أن تصل نبضة إلى بوّابته. عندما نؤخّر لحظة الإشعال في كل نصف موجة — زاوية الإشعال (זווית הצתה) — نقطع جزءا من الموجة، فتصغر القيمة الفعّالة للجهد على المحرّك. كلما صغرت زاوية الإشعال كبر الجهد.

L1L2L3CBالبادئ الناعمM3~
دائرة القدرة: زوج ثايرستورات في كل طور، وملامس التجاوز CB
tᵣ0.41tU/UₙيُغلقCB
منحدر الجهد: من U0 حتى Un خلال زمن الإقلاع tr
ملاحظة: البادئ الناعم يخفّض الجهد فقط، ولا يغيّر التردّد. لذلك تبقى قوانين الإقلاع بجهد مخفَّض صحيحة: التيار يتناسب مع الجهد، والعزم مع مربّع الجهد. البادئ الناعم لا يصلح لتغيير السرعة في العمل الدائم: لذلك نحتاج مغيّر التردّد.
مثال 8.7
نضبط البادئ الناعم للمحرّك من مثال الإقلاع المباشر (IstIn = 6.4 , MstMn = 2.1) على حدّ تيار 3·In. نحسب الجهد النسبي على المحرّك عند الإقلاع، وعزم الإقلاع.
الحل:

التيار يتناسب مع الجهد، ولذلك:

U'Un = I'stIst = 3·In6.4·In = 0.47

العزم يتناسب مع مربّع الجهد:

M'st = Mst·(U'Un)2 = 2.1·Mn · 0.472 = 0.46·Mn
M'st = 0.46 · 98.1 = 45.3 N·m

التيار صغر إلى أقل من نصف تيار الإقلاع المباشر، لكن عزم الإقلاع أصغر من العزم الاسمي، ولذلك يلائم هذا الضبط الأحمال الخفيفة عند الإقلاع.

U'Un ≈ 0.47 , M'st ≈ 45.3 N·m
سؤال 8.7: بادئ ناعم يبدأ من جهد ابتدائي U0 = 0.4·Un. لمحرّك فيه IstIn = 6.4 و MstMn = 2.1 ، ما تيار الإقلاع وعزم الإقلاع في اللحظة الأولى؟

مقارنة بين طرق الإقلاع – השוואה בין שיטות ההתנעה:

الطريقةتيار الإقلاععزم الإقلاعالسعر والتعقيدالاستعمال المناسب
الإقلاع المباشرIst (كامل)Mst (كامل)الأرخص والأبسطمحرّكات صغيرة بالنسبة إلى الشبكة
نجمة-مثلثIst3Mst3رخيص، ثلاثة ملامساتمراوح، مضخّات، آلات تقلع بدون حمل
البادئ الناعمIst·U'Un ، قابل للضبطMst·(U'Un)2متوسّطمضخّات، سيور، ضواغط؛ إقلاع وإيقاف بلا صدمة
مغيّر التردّدقريب من Inقد يصل إلى العزم الأقصىالأغلىعندما نحتاج أيضا إلى تغيير السرعة
للاطّلاع: في ورقة القوانين يظهر موضوعان آخران ليسا في منهاجنا. الإقلاع بواسطة محوّل ذاتي: يصغر تيار الخط بمربّع نسبة التحويل، IL = K2·Ist ، حيث K نسبة الجهد على المحرّك إلى جهد الشبكة، و Ist تيار الإقلاع المباشر. تنظيم سرعة المحرّك ذي الروتور الملفوف بمقاومة إضافية R في كل طور من دائرة الروتور: R = R2·(Mn·sM·sn − 1) ، حيث s و M الانزلاق والعزم في السرعة الجديدة، و sn و Mn الانزلاق والعزم الاسميان.

عكس اتجاه الدوران – הפיכת כיוון הסיבוב:

عكس اتجاه الدوران (הפיכת כיוון הסיבוב): اتجاه دوران المحرّك الحثّي هو اتجاه دوران الحقل المغناطيسي الدوّار، ويحدّده ترتيب الأطوار. عندما نبدّل بين طورين من أطوار التغذية ينعكس اتجاه الحقل، فينعكس اتجاه دوران المحرّك.
L1L2L3C1C2أماميعكسيUVWM3~
عكس الاتجاه بملامسين: C2 يبدّل بين L1 و L3
  • C1 — الدوران الأمامي: L1 → U ، L2 → V ، L3 → W.
  • C2 — الدوران العكسي: L1 → W ، L2 → V ، L3 → U.
  • بين C1 و C2 حجب متبادل: إغلاقهما معا يقصر الطورين L1 و L3.
  • لا نعكس الاتجاه والمحرّك يدور بسرعته الكاملة: يصبح الانزلاق قريبا من 2 والتيار كبيرا جدا. ننتظر حتى يتوقّف المحرّك، إلا إذا كان مصمَّما لذلك.
سؤال 8.8: أ. ماذا يحدث لاتجاه الدوران إذا بدّلنا بين الطورين L1 و L2 بدل L1 و L3؟
ب. وماذا يحدث إذا نقلنا الأطوار الثلاثة دوريا: L1 → V ، L2 → W ، L3 → U؟
▶تجربة حية — عكس اتجاه دوران المحرّكمحاكاة دائرة التحكّم والقدرة: دوران أمامي وعكسي، والحجب المتبادل بين الملامسين.
⚠
المختبر غير متاح الآن. المادة في هذا الفصل كاملة من دونه — نواصل القراءة، ونعود إلى التجربة لاحقا أو نفتحها مباشرة من الرابط الذي تحت الإطار.
https://fahed-lab.com/control/reversing_motor
نفتح المختبر في صفحة مستقلة ↗ fahed-lab.com/control/reversing_motor

ملخّص قوانين الفصل:

القانونالصيغة
سرعة المحرّك الحثّيn2 = 60·f1p·(1 − s)
السرعة التزامنيةn1 = 60·f1p
الانزلاقs = n1 − n2n1
مغيّر التردّد: فيض ثابتU1f1 = Unfn = const
إضعاف الفيض (تردّد أعلى من الاسمي)Mk ≈ Mkn·(fnf1)2
التيار الاسميIn = P23·UL·cos φ1·η
العزم الاسميMn = 9.55·P2n2
الإقلاع بجهد مخفَّضI'st = Ist·U'Un
الإقلاع بجهد مخفَّض: العزمM'st = Mst·(U'Un)2
نجمة-مثلث: جهد الطورUph,Y = UL3
نجمة-مثلث: تيار الخط والعزمIY = ILΔ3 , MY = MΔ3

قاموس المصطلحات – מילון מונחים:

بالعربيةبالعبرية (كما تظهر في الامتحان)English
تغيير عدد الأقطابשינוי מספר הקטביםPole changing
لفّ مشترك (دالاندر)ליפופים משותפים (דלנדר)Dahlander winding
لفّات منفصلةליפופים נפרדיםSeparate windings
نجمة مزدوجةכוכב כפולDouble star (YY)
الملامسמגעןContactor
حجب متبادلנעילה הדדיתInterlock
مغيّر التردّد (العاكس، الإنفرتر)ממיר תדרFrequency converter (VFD)
المقوِّمמיישרRectifier
دائرة التيار المستمر الوسيطةמעגל בינייםDC link
العاكسמהפךInverter
إضعاف الفيض (إضعاف التدفّق)החלשת שדהField weakening
الإقلاع · الإقلاع المباشرהתנעה · התנעה ישירהStarting · Direct on-line starting
تيار الإقلاع (تيار التبدئة)זרם התנעהStarting current
عزم الإقلاعמומנט התנעהStarting torque
هبوط الجهدמפל מתחVoltage drop
الإقلاع بجهد مخفَّضהתנעה במתח מוקטןReduced-voltage starting
الإقلاع نجمة-مثلثהתנעת כוכב-משולשStar-delta starting
الإقلاع بمحوّل ذاتيהתנעה עם שנאי עצמיAutotransformer starting
المرحّل الزمنيממסר זמןTimer relay
مرحّل زيادة التيارממסר יתרת זרםOverload relay
البادئ الناعم (البادئ الإلكتروني)מתנע רך (מתנע אלקטרוני)Soft starter
الثايرستور · زاوية الإشعالתיריסטור · זווית הצתהThyristor · Firing angle
ملامس التجاوزמגען עוקףBypass contactor
عكس اتجاه الدورانהפיכת כיוון הסיבובReversing the direction of rotation

أسئلة للتمرين:

1.
محرّك حثّي له ثمانية أقطاب يعمل في شبكة 50 Hz بانزلاق s = 0.05. نحسب السرعة التزامنية وسرعة المحرّك.
الإجابات: n1 = 750 rpm ، n2 = 712.5 rpm
2.
سرعة محرّك حثّي في شبكة 50 Hz هي 2900 rpm.
أ. كم قطبا في المحرّك؟
ب. ما الانزلاق؟
الإجابات: أ. n1 = 3000 rpm ، أي قطبان (p = 1). ب. s = 0.0333
3.
في محرّك دالاندر:
أ. أي أطراف نغذّي وبأي ربط في السرعة المنخفضة وفي السرعة العالية؟
ب. ماذا يحدث إذا أُغلق C1 و C3 معا؟
2U2V2WL1L2L31U1V1W
الإجابات: أ. منخفضة: Δ ، التغذية إلى 1U, 1V, 1W. عالية: YY ، 1U, 1V, 1W مربوطة معا والتغذية إلى 2U, 2V, 2W. ب. قصر في الشبكة، ولذلك يلزم حجب متبادل
4.
محرّك بلفّتين منفصلتين 2p = 6 و 2p = 8 ، 50 Hz. الانزلاق 0.05 في الأولى و 0.06 في الثانية. نحسب سرعتي المحرّك.
الإجابات: الأولى: n2 = 950 rpm ، الثانية: n2 = 705 rpm
5.
في محرّك لفّتان: لفّة دالاندر 4/8 أقطاب ولفّة منفصلة بستة أقطاب. ما السرعات التزامنية الثلاث في شبكة 50 Hz؟
الإجابات: 1500 rpm ، 750 rpm ، 1000 rpm
6.
محرّك بأربعة أقطاب، 400 V ، 50 Hz ، يُغذّى من مغيّر تردّد والنسبة U1f1 ثابتة. نريد سرعة تزامنية 900 rpm. ما التردّد وما الجهد؟
الإجابات: f1 = 30 Hz ، U1 = 240 V
7.
محرّك بستة أقطاب، 400 V ، 50 Hz ، سرعته الاسمية 960 rpm ، يُغذّى من مغيّر تردّد والنسبة U1f1 ثابتة. نريد سرعة 600 rpm تحت العزم الاسمي. ما التردّد وما الجهد؟
الإجابات: n1 = 640 rpm ، f1 = 32 Hz ، U1 = 256 V
8.
محرّك بأربعة أقطاب يعمل بتردّد 75 Hz والجهد 400 V (الاسمي: 400 V ، 50 Hz).
أ. ما السرعة التزامنية؟
ب. ما نسبة الفيض إلى قيمته الاسمية؟
ج. ما نسبة العزم الأقصى تقريبا؟
الإجابات: أ. n1 = 2250 rpm. ب. 0.67. ج. نحو 0.44
9.
محرّك قفصي 7.5 kW ، 400 V ، η = 0.88 ، cos φ1 = 0.84 ، IstIn = 7. نحسب التيار الاسمي وتيار الإقلاع المباشر.
M3~7.5 kW , 400 V , 50 Hzη = 0.88 , cos φ₁ = 0.84Iₛₜ/Iₙ = 7
الإجابات: In ≈ 14.6 A ، Ist ≈ 103 A
10.
للمحرّك من التمرين السابق سرعة اسمية 1450 rpm و MstMn = 2.3. نحسب العزم الاسمي وعزم الإقلاع.
الإجابات: Mn ≈ 49.4 N·m ، Mst ≈ 113.6 N·m
11.
محرّك فيه MstMn = 2 يقلع بجهد 0.8·Un.
أ. بأي نسبة يصغر تيار الإقلاع وعزم الإقلاع؟
ب. هل يقلع حملا عزمه عند الإقلاع 1.4·Mn؟
الإجابات: أ. التيار إلى 0.8 ، العزم إلى 0.64. ب. لا: M'st = 1.28·Mn أصغر من 1.4·Mn
12.
محرّك قفصي 22 kW ، 400 V Δ / 690 V Y ، 1470 rpm ، η = 0.92 ، cos φ1 = 0.86 ، IstIn = 6.5 ، MstMn = 2.4 ، يقلع نجمة-مثلث في شبكة 400 V.
أ. نحسب In و Mn.
ب. نحسب تيار الإقلاع وعزم الإقلاع في النجمة.
ج. هل يقلع حملا عزمه عند الإقلاع 0.9·Mn؟
د. على أي تيار نضبط مرحّل زيادة التيار؟
M3~22 kW , 400 V Δ / 690 V Y1470 rpm , η = 0.92 , cos φ₁ = 0.86Iₛₜ/Iₙ = 6.5 , Mₛₜ/Mₙ = 2.4
الإجابات: أ. In ≈ 40.1 A ، Mn ≈ 142.9 N·m. ب. IY ≈ 87 A ، MY ≈ 114.3 N·m. ج. لا: 114.3 N·m أصغر من 128.6 N·m. د. 23.2 A
13.
نحدّد طريقة الإقلاع الممكنة لكل محرّك:
أ. لوحة 400 V Δ / 690 V Y في شبكة 400 V.
ب. لوحة 230 V Δ / 400 V Y في شبكة 400 V.
ج. لوحة 400 V Δ / 690 V Y في شبكة 690 V.
الإجابات: أ. يعمل في المثلث، ويمكن إقلاعه نجمة-مثلث. ب. يعمل في النجمة فقط: إقلاع مباشر أو بادئ ناعم. ج. يعمل في النجمة فقط: إقلاع مباشر أو بادئ ناعم
14.
بادئ ناعم مضبوط على حدّ تيار 3.5·In لمحرّك فيه IstIn = 7 و MstMn = 2.
أ. ما الجهد النسبي على المحرّك عند الإقلاع؟
ب. ما عزم الإقلاع؟
ج. لماذا يُغلق ملامس التجاوز في نهاية الإقلاع؟
الإجابات: أ. U'Un = 0.5. ب. M'st = 0.5·Mn. ج. كي لا تسخن الثايرستورات خلال العمل الدائم
الإجابات النهائية لأسئلة الفصل
8.1 n2 = 950 rpm
8.2 أ. 750 rpm و 1500 rpm. ب. 712.5 rpm و 1440 rpm
8.3 أ. 2p = 6 و 2p = 8. ب. لا، النسبة بين السرعتين 1.33 وليست 2 ، ولذلك نحتاج لفّات منفصلة
8.4 أ. U1 = 200 V. ب. n1 = 750 rpm. ج. n2 ≈ 710 rpm
8.5 In ≈ 11.1 A ، Ist ≈ 78 A
8.6 أ. IY = 130 A ، MY = 150 N·m. ب. لا، لأن 150 N·m أصغر من 180 N·m
8.7 I'st = 2.56·In ، M'st = 0.34·Mn
8.8 أ. ينعكس الاتجاه: تبديل أي طورين يعكس ترتيب الأطوار. ب. لا يتغيّر الاتجاه: النقل الدوري لا يغيّر ترتيب الأطوار

שאלות בגרות – أسئلة بجروت للفصل 8

نتدرّب على مادة هذا الفصل بأسئلة من بنك أسئلة امتحان البجروت في تحويل الطاقة، نموذج 848589 (המרת אנרגיה). الأسئلة في الموقع بالعبرية كما في الامتحان، ومعها ترجمة إلى العربية وحلّ كامل خطوة بعد خطوة، مخفيّ تحت زرّ «اعرض الحلّ» — نحلّ أوّلا بأنفسنا ثم نفحص. الأسئلة الملائمة لهذا الفصل في صفحة «الآلة الحثّية»:
رقم السؤالالموضوع
4العزم على المحور والملاءمة للإقلاع نجمة-مثلث
5تحديد صورة التوصيل ومعايرة المرحّل ومبدأ الإقلاع
6اختيار طريقة الإقلاع وفق جهد التغذية
بنك الأسئلة مع الحلول: fahed-lab.com/practice/energy-848589/induction-motor
لوحة القوانين: كل قوانين هذا الفصل مجموعة مع رسومها وجداول رموزها في الفصل 14 — لوحة القوانين الشاملة. (נוסחאון הספר)