يذكرك موردو أجهزة تغذية الطاقة لمحولات التردد أنه في الصناعة الحديثة، تُعد المحركات نوعًا من معدات الطاقة عالية الاستهلاك للطاقة مع مجموعة واسعة من التطبيقات. ووفقًا للإحصاءات، يبلغ إجمالي القدرة المركبة في الصين حوالي 400 مليون كيلوواط، مع استهلاك سنوي للكهرباء يبلغ حوالي 600 مليار كيلوواط / ساعة، وهو ما يمثل 70-80٪ من استهلاك الكهرباء الصناعي. تعتمد الصين بشكل أساسي على المحركات الصغيرة والمتوسطة الحجم، والتي تمثل حوالي 80٪، بينما تمثل كمية الكهرباء التي تستهلكها المحركات الصغيرة والمتوسطة الحجم 90٪ من إجمالي الخسارة. في التطبيق العملي للمحركات في الصين، توجد فجوة كبيرة مقارنة بالدول الأجنبية، حيث تبلغ كفاءة الوحدة 75٪، وهي أقل بنسبة 10٪ من الدول الأجنبية؛ وتتراوح كفاءة تشغيل النظام بين 30 و40٪، وهي أقل بنسبة 20-30٪ من المستوى المتقدم الدولي. لذلك، تتمتع المحركات الصغيرة والمتوسطة الحجم في الصين بإمكانيات كبيرة لتوفير الطاقة، ومن الضروري تعزيز الحفاظ على طاقة المحرك.
بفضل بنيتها البسيطة، وسهولة تصنيعها، وسعرها المنخفض، ومتانتها، وموثوقية تشغيلها، وملاءمتها للبيئات القاسية، تُستخدم المحركات غير المتزامنة على نطاق واسع في الإنتاج الصناعي والزراعي. وتُعتبر محركات السحب، خاصةً لسحب المضخات والمراوح في مختلف الصناعات، موفرة للطاقة، وتُعتبر ذات قيمة عالية.
مع التطور السريع للعلوم والتكنولوجيا، وخاصةً في مجال إلكترونيات الطاقة، والإلكترونيات الدقيقة، والتحكم الآلي، ازدادت أهمية تأثير محوّلات التردد في توفير الطاقة. فهي لا تقتصر على تنظيم السرعة بشكل متدرج فحسب، بل تعمل بكفاءة عالية تحت أحمال مختلفة، مع خصائص ديناميكية ممتازة، وتحقق أداءً عاليًا وموثوقية عالية ودقة عالية في التحكم الآلي. بالمقارنة مع طرق تنظيم السرعة الأخرى، مثل تنظيم سرعة خفض الجهد، وتنظيم سرعة تغيير القطب، وتنظيم سرعة الانزلاق، وتنظيم سرعة التيار المتردد المتتالي، وغيرها، يتميز تنظيم سرعة التردد المتغير بأداء مستقر ونطاق تنظيم سرعة واسع وكفاءة عالية. مع تطور نظرية التحكم الحديثة وتكنولوجيا إلكترونيات الطاقة، تتطور تقنية تنظيم سرعة التردد المتغير للتيار المتردد بشكل متزايد، وأصبحت اتجاهًا رئيسيًا لتنظيم سرعة محركات التيار المتردد. وقد استُخدمت أجهزة التحكم في سرعة التردد المتغير (VFD) على نطاق واسع في المجال الصناعي.
يتميز استخدام مُحوِّلات التردد في نقل إشارات التحكم في السرعة بسرعة عالية، وسرعة استجابة عالية، ودقة عالية في التحكم، وسهولة في الاستخدام، مما يُسهم في تحسين إنتاجية العمل، وضمان الجودة، وخفض تكاليفه. لذلك، يُعدّ استخدام مُحوِّلات التردد منتجًا شائعًا لتوفير الطاقة وخفض الاستهلاك في المصانع وشركات التعدين.
جهاز توفير طاقة محرك التردد المتغير هو جيل جديد ثوري من منتجات التحكم الخاصة بالمحركات. يعتمد على تقنية التحكم الرقمي بالمعالج الدقيق، ويضبط الجهد والتيار في هندسة تشغيل المحرك ديناميكيًا من خلال برنامج التحكم المدمج المُخصص لتحسين توفير الطاقة. دون تغيير سرعة المحرك، يضمن هذا الجهاز مطابقة عزم الدوران الخارج للحمل بدقة، مما يُجنّب هدر الطاقة الكهربائية الناتج عن زيادة خرج المحرك.
تُعد محركات التيار المتردد الأكثر استخدامًا حاليًا، حيث تُمثل حوالي 85% من جميع أنواع المحركات. تتميز هذه المحركات ببنيتها البسيطة، وانخفاض تكلفتها، وعدم حاجتها إلى الصيانة. إلا أن نقطة ضعفها تكمن في صعوبة تنظيم سرعتها، مما يحد من استخدامها في العديد من التطبيقات أو يتطلب وسائل ميكانيكية لتنظيمها.
هناك تطبيقان نموذجيان لمحوّلات التردد من حيث أنواع الأحمال: 1. تطبيق عزم دوران ثابت؛ 2. تطبيق عزم دوران متغير. أما أهداف التطبيق الرئيسية فهي: 1. تحسين العملية، وضمان سرعة دوران ثابتة أثناء العملية، وسرعة دوران ثابتة تحت أحمال مختلفة، ودقة في تحديد المواقع. بفضل أدائها الممتاز في تنظيم السرعة، يمكنها تحسين الإنتاجية، وتحسين جودة المنتج، وتحسين الراحة، وترشيد استخدام المعدات، وتكييف البيئة أو تحسينها، إلخ. 2. الهدف الرئيسي من التحويل الموفر للطاقة هو تحقيق نتائج ملموسة من خلال التحكم في سرعة المراوح والمضخات التي تتطلب تنظيم التدفق أو الضغط.
مبدأ تنظيم سرعة التردد المتغير
تُشكّل أحمال المحركات، مثل المراوح ومضخات المياه وضواغط الهواء ومضخات الزيت الهيدروليكي ومضخات الدوران، الغالبية العظمى من المعدات المستهلكة للطاقة في المؤسسات. ونظرًا للقيود التقنية، فإن جميع أنظمة التحكم في التدفق أو الضغط أو حجم الهواء تقريبًا لهذه الأحمال هي أنظمة تحكم بالصمامات، حيث يُدار المحرك بسرعة مُصنّفة، ويوفر النظام تدفقًا أو ضغطًا أو حجم هواء ثابتًا. عند تغيّر متطلبات تشغيل المعدات، يتم ضبط تدفق الحمل أو الضغط أو حجم الهواء بواسطة صمامات الفائض أو صمامات تخفيف الضغط أو منظمات التناسب الموجودة عند مخرج الجهاز لتلبية الاحتياجات المتغيرة لظروف تشغيله. بعد فيضان صمام الفائض أو صمام التحكم النسبي، تُطلق كمية كبيرة من الطاقة، وهذه الطاقة المُبددة هي في الواقع جزء من الطاقة التي يمتصها المحرك من شبكة الكهرباء، مما يُسبب هدرًا كبيرًا للطاقة الكهربائية. من خصائص تشغيل هذا النوع من الأحمال، يُمكن ملاحظة أن قوة المحرك تتناسب طرديًا مع مكعب السرعة، وأن السرعة تتناسب طرديًا مع التردد. إذا قمنا بتغيير وضع عمل المحرك بحيث لا يعمل دائمًا عند تردد العمل المقدر، ولكن بدلاً من ذلك يستخدم نظام التحكم في ضبط التردد المتغير للتحكم في بدء التشغيل والإيقاف والتشغيل، يمكن تعديل سرعته بشكل مستمر ضمن نطاق 0~2900 دورة/دقيقة، أي أن معدل تدفق الإخراج أو الضغط أو حجم الهواء يمكن أيضًا تعديله بشكل مستمر ضمن نطاق 0~100%، وذلك لتتناسب بدقة مع احتياجات العمل للحمل وتحقيق هدف الحفاظ على الطاقة وخفض الاستهلاك.
سرعة محرك التيار المتردد هي كما يلي: n=60f (1-s)/p
في الصيغة: n = سرعة المحرك
F=تردد القدرة
P=عدد أقطاب المحرك
S = معدل الانزلاق
كما يتضح من المعادلة، فإن السرعة المتزامنة n لمحرك التيار المتردد تتناسب طرديًا مع تردد القدرة f. وبالتالي، فإن تغيير تردد القدرة يمكن أن يغير سرعة المحرك، ويحقق هدف تنظيم السرعة.
مبدأ تنظيم سرعة التردد المتغير لتوفير الطاقة
يُوفر تنظيم سرعة التردد المتغير الكهرباء، وكما يوحي الاسم، فإن تنظيم سرعة التردد المتغير وحده قادر على توفير الكهرباء. فيما يلي تحليل لمبادئ توفير الطاقة لتطبيقين نموذجيين للأحمال.
(1) تطبيقات حمل عزم الدوران الثابت
يعني عزم الحمل الثابت أنه بغض النظر عن التغيرات في السرعة، فإن عزم الحمل يظل ثابتًا.
الصيغة التالية: P=K * T * N
ك=معامل
P=قوة العمود
T=عزم الحمل
N=سرعة الدوران
من الصيغة أعلاه، يتضح أن قوة العمود تتناسب طرديًا مع سرعة المحرك. عند ضبط سرعة المحرك وفقًا لاحتياجات العملية، يمكن تحقيق نسبة توفير الطاقة المطلوبة بشكل طبيعي.
(2) تطبيقات حمل عزم الدوران المتغير
تنتمي مراوح ومضخات الطرد المركزي إلى أحمال عزم الدوران المتغيرة النموذجية، وتتمثل خصائص عملها في أن معظمها يعمل بشكل مستمر لفترات طويلة. ولأن عزم الحمل يتناسب طرديًا مع مربع السرعة، فإن تجاوز السرعة للسرعة الاسمية يُسبب حملًا زائدًا كبيرًا على المحرك. لذلك، لا تعمل المراوح والمضخات عادةً بتردد أعلى من التردد الاسمي.