لماذا تكون محركات التيار المتردد أقل كفاءة عند السرعات المنخفضة أو الأحمال الجزئية؟

الجواب المباشر: لماذا تنخفض الكفاءة عند السرعة المنخفضة والتحميل الجزئي

يصبح محرك التيار المتردد أقل كفاءة عند السرعات المنخفضة أو الأحمال الجزئية لأنه تظل الخسائر الثابتة - الخسارة الأساسية، والاحتكاك، وانحراف القذيفه بفعل الهواء - ثابتة تقريبًا بغض النظر عن الإنتاج ، لذا فهي تستهلك حصة متزايدة من إجمالي طاقة الإدخال مع انخفاض الإنتاج المفيد. في الوقت نفسه، تفقد محركات التيار المتردد ذاتية التبريد تدفق الهواء من مراوحها المثبتة على عمود مع انخفاض السرعة، مما يقلل من تبديد الحرارة تمامًا عندما تكون الخسائر الداخلية أعلى نسبيًا. والنتيجة هي محرك يمكن أن يشهد انخفاض الكفاءة من أكثر من 90% بالقرب من الحمل الكامل إلى أقل من 70% عند الحمل الخفيف، اعتمادًا على الحجم والتصميم.

تشرح الأقسام أدناه الآليات المحددة وراء هذا الانخفاض، باستخدام أرقام محددة، وتوضح ما يمكنك فعله عمليًا حيال ذلك إذا كان تطبيقك يقوم بانتظام بتشغيل محرك تيار متردد بعيدًا عن النقطة المقدرة له.

الخسائر الثابتة لا تتضاءل مع انخفاض الإنتاج

يحتوي كل محرك تيار متردد على فئة من الخسائر التي تظل ثابتة بشكل أساسي بغض النظر عن مدى خفة تحميل المحرك: خسائر القلب (الحديد) من مغنطة الجزء الثابت، والاحتكاك في المحامل، وانحراف القذيفه بفعل الهواء من الدوار الذي يدور عبر الهواء. يتم تحديد هذه الخسائر إلى حد كبير من خلال تصميم المحرك والجهد المقدر والتردد، وليس من خلال الحمل الميكانيكي الذي يقوده.

محرك التيار المتردد

لماذا يضر هذا بالكفاءة عند التحميل الجزئي؟

الكفاءة هي ببساطة طاقة الإخراج المفيدة مقسومة على إجمالي طاقة الإدخال. عندما ينخفض ​​الحمل - وبالتالي طاقة الخرج - تظل الخسائر الثابتة كما هي من حيث القيمة المطلقة ولكنها تصبح نسبة مئوية أكبر بكثير من الإجمالي. المحرك الذي يخسر 5% من قوتها المقدرة للخسائر الثابتة عند التحميل الكامل قد يخسر 15% إلى 20% من مدخلات أصغر بكثير عند تحميل 25٪، لأن البسط (الخسائر) بالكاد يتغير بينما يتقلص المقام (الناتج) بشكل كبير.

• تعتمد الخسائر الأساسية على كثافة التدفق، المرتبطة بالجهد، وليس بالحمل
• تعتمد خسائر الاحتكاك وانحراف الهواء على السرعة، وليس على عزم الدوران الذي يتم تسليمه
• قد يشهد المحرك التحريضي النموذجي متوسط الحجم انخفاضًا في الكفاءة 10 إلى 15 نقطة مئوية بين 100% و25% تحميل

تزيد خسائر الانزلاق مقارنة بالعمل المفيد عند التحميل الخفيف

تعمل المحركات الحثية بالانزلاق - وهو الفرق بين السرعة المتزامنة وسرعة الدوار الفعلية. الانزلاق هو ما يولّد تيارًا في العضو الدوار وينتج عزم الدوران، ولكنه يمثل أيضًا الطاقة المهدرة المحولة إلى حرارة في قضبان الدوار بدلاً من الخرج الميكانيكي. عند الحمل الخفيف، تكون خسائر الانزلاق المطلقة أصغر، لكن خسائر النحاس في الجزء المتحرك والجزء الثابت (خسائر I²R) لا تقع خطيًا مع الحمل، نظرًا لأن تيار المغنطة يظل ثابتًا تقريبًا حتى عند انخفاض التيار المولد لعزم الدوران.

مشكلة التيار المغناطيسي

تنخفض قدرة التبريد عند الحاجة إليها

تستخدم معظم محركات التيار المتردد القياسية مروحة مثبتة على عمود للتبريد، مما يعني أن تدفق الهواء يتناسب طرديًا مع سرعة العمود. عندما يتم إبطاء المحرك - سواء ميكانيكيًا أو من خلال تقليل التردد في إعداد محرك تيار متردد متغير السرعة - تحرك مروحة التبريد كمية أقل من الهواء في اللحظة المحددة التي تتزايد فيها الخسائر الداخلية، كنسبة مئوية من الإخراج. وهذا يخلق مشكلة مضاعفة: فقدان الكفاءة يولد الحرارة، ويصبح نظام التبريد الخاص بالمحرك أقل قدرة على إزالة تلك الحرارة.

النتيجة العملية للتشغيل منخفض السرعة

ينخفض معامل القدرة بشكل حاد عند التحميل الجزئي

يرتبط عامل القدرة ارتباطًا وثيقًا بالكفاءة في أنظمة محركات التيار المتردد، وهو يتدهور بشكل ملحوظ مع انخفاض الحمل. محرك يعمل بمعامل قدرة قدره 0.85 إلى 0.90 عند التحميل الكامل قد ينخفض ل 0.4 إلى 0.6 عند حمل 25% لأن التيار المغنطيسي (التفاعلي) يبقى ثابتًا تقريبًا بينما ينخفض سحب الطاقة الحقيقي. وهذا يعني أن المحرك يسحب تيارًا أكثر من اللازم مقارنة بالعمل المفيد الذي يؤديه، مما يزيد من خسائر المقاومة في ملفات المحرك والأسلاك المنبع.

لماذا يؤدي هذا إلى تفاقم مشكلة الكفاءة

لا يؤثر انخفاض عامل الطاقة على فاتورة المرافق من خلال رسوم الطلب فحسب، بل يزيد أيضًا من خسائر I²R في جميع أنحاء نظام التوزيع الكهربائي الذي يغذي المحرك. بالنسبة للمنشآت التي تقوم بتشغيل العديد من المحركات المحملة جزئيًا في وقت واحد، فإن هذا التأثير التراكمي يمكن أن يزيد بشكل كبير من إجمالي استهلاك الطاقة بما يتجاوز ما قد توحي به كفاءة لوحة المحرك وحدها.

تواجه تصميمات محرك التيار المتردد أحادي الطور عقوبات إضافية

A محرك تيار متردد أحادي الطور بطبيعتها أقل كفاءة عند السرعة المنخفضة والحمل الجزئي من نظيرتها ثلاثية الطور، ويرجع ذلك إلى حد كبير إلى كيفية توليد مجالها المغناطيسي الدوار. تعتمد العديد من التصميمات أحادية الطور على ملفات مساعدة، أو مكثفات بدء التشغيل، أو أعمدة مظللة لإنشاء الدوران، وتقدم هذه المكونات خسائر إضافية لا تقل بشكل متناسب مع انخفاض الحمل. كما أن خاصية عزم الدوران النابض للتشغيل أحادي الطور تخلق خسائر ميكانيكية إضافية من خلال الاهتزاز والتسخين غير المتساوي للدوار، وهو ما يظهر بشكل خاص عندما يعمل المحرك بأقل من سرعته المقدرة.

مقارنة الكفاءة حسب نوع المحرك

عادة ما تحتفظ المحركات الحثية ثلاثية الطور بكفاءة معقولة تصل إلى حوالي 50% من الحمل قبل حدوث الانخفاض الحاد. على النقيض من ذلك، يُظهر محرك التيار المتردد أحادي الطور انخفاضًا أكثر وضوحًا في الكفاءة بدءًا من 75% من الحمل إلى الأسفل، نظرًا لأن ملفات التشغيل والتشغيل قد تم تحسينها لنطاق تشغيل أضيق حول الظروف المقدرة.

كيف تؤثر محركات التردد المتغير على كفاءة السرعة المنخفضة

إقران محرك تيار متردد مع محرك لإنشاء محرك تيار متردد متغير السرعة يقدم النظام اعتبارات الكفاءة الخاصة به بسرعة منخفضة. تستخدم معظم محركات الأقراص التحكم في فولت لكل هرتز، مما يقلل من الجهد والتردد معًا للحفاظ على التدفق المستمر. يساعد هذا في الحد من خسائر النواة إلى حد ما عند السرعة المنخفضة، لكن محرك الأقراص نفسه لديه خسائر تبديل تصبح نسبة أكبر من إجمالي الطاقة (أصغر الآن) التي تتم معالجتها، وأي مروحة تبريد خارجية تتم إضافتها للتعويض عن انخفاض تدفق الهواء الناتج عن العمود تستهلك طاقة إضافية لا تساهم في كفاءة المحرك بشكل مباشر.

عرض النظام الشامل

عند تقييم إعداد محرك تيار متردد متغير السرعة، من المهم النظر إلى كفاءة المحرك بالإضافة إلى المحرك بدلاً من كفاءة المحرك وحدها. قد يكون محرك الأقراص فعالاً بنسبة 96% إلى 98% عند الإنتاج الكامل، لكن هذا الرقم ينخفض ​​عادةً عند السرعة المنخفضة والحمل الخفيف أيضًا، متراكمًا فوق كفاءة المحرك المنخفضة في منطقة التشغيل تلك.

سلوك الكفاءة النموذجي عبر نطاق التحميل

خطوات عملية لتحسين كفاءة التحميل المنخفض

إذا كان تطبيقك يقوم بانتظام بتشغيل محرك تيار متردد أقل من حمله أو سرعته المقدرة، فهناك العديد من التدابير العملية التي يمكن أن تقلل من عقوبة الكفاءة:

1. قم بضبط حجم المحرك بما يتناسب مع حمل التشغيل النموذجي لديك بدلاً من تضخيمه في حالات الذروة النادرة
2. استخدم محرك تيار متردد متغير السرعة تم تكوينه بشكل صحيح مع التحكم الأمثل في التدفق عند السرعة المنخفضة، بدلاً من قياس الفولت لكل هرتز البسيط
3. أضف تبريدًا خارجيًا قسريًا للمحركات التي يجب أن تعمل بشكل مستمر بسرعة منخفضة، نظرًا لأن المراوح التي تعمل بالعمود تفقد فعاليتها أقل من عدد الدورات في الدقيقة المقدر
4. قم بتركيب مكثفات تصحيح معامل القدرة حيث تعمل محركات متعددة ذات حمل خفيف على نفس النظام الكهربائي
5. ضع في اعتبارك تصميمات المحركات ذات الكفاءة المتميزة أو عالية الكفاءة، والتي تحافظ عمومًا على منحنيات كفاءة أفضل عبر نطاق حمل أوسع