المحرك التزامني (Synchronous Motor) هو أحد أنواع محركات التيار المتردد (AC)، ويتميز بأن سرعة العضو الدوار تساوي السرعة التزامنية أثناء التشغيل المتزامن.
وتعتمد سرعة المحرك التزامني بشكل أساسي على تردد مصدر الكهرباء وعدد أقطاب المحرك. لذلك، يحافظ المحرك على سرعة ثابتة مع تغير الحمل، ما دام قادرًا على الحفاظ على التزامنه.
كما يتميز بعض أنواع المحركات التزامنية بإمكانية التحكم في معامل القدرة، مما يجعلها مناسبة للعديد من التطبيقات الصناعية.
ما هي السرعة التزامنية للمحرك؟
السرعة التزامنية هي سرعة دوران المجال المغناطيسي الدوار الذي يتولد داخل العضو الثابت للمحرك.
ويتم حساب السرعة التزامنية باستخدام القانون التالي:
Ns = 120 × f ÷ P
حيث:
- Ns = السرعة التزامنية بوحدة دورة/دقيقة.
- f = تردد مصدر الكهرباء بوحدة Hz.
- P = عدد أقطاب المحرك.
مثال على حساب السرعة التزامنية
إذا كان لدينا محرك يعمل عند تردد:
f = 50 Hz
وعدد أقطابه:
P = 4
فإن:
Ns = 120 × 50 ÷ 4
Ns = 1500 دورة/دقيقة
إذن السرعة التزامنية للمحرك تساوي 1500 دورة/دقيقة.
ويمكنك أيضًا معرفة العلاقة بين السرعة وعدد الأقطاب من خلال مقال شرح لوحة بيانات المحرك الكهربائي ومعنى الرموز والأرقام، حيث يتم توضيح رمز Pole وعلاقته بسرعة المحرك.
تركيب المحرك التزامني
يتكون المحرك التزامني من مجموعة من الأجزاء الأساسية، ويختلف تصميم بعضها حسب نوع المحرك وطريقة الإثارة المستخدمة.
1. العضو الثابت (Stator)
العضو الثابت هو الجزء الثابت من المحرك، ويحتوي على ملفات كهربائية موزعة داخل مجاري الحديد.
وعند توصيل هذه الملفات بمصدر تيار متردد ثلاثي الأطوار، يتولد مجال مغناطيسي دوار.
وتتحرك هذه المجال بسرعة تزامنية تعتمد على تردد المصدر وعدد الأقطاب.
2. العضو الدوار (Rotor)
العضو الدوار هو الجزء الذي يدور داخل المحرك، ويمكن أن يكون بتصميمين رئيسيين:
- عضو دوار ذو أقطاب بارزة (Salient-Pole Rotor): يستخدم عادة في التطبيقات ذات السرعات المنخفضة نسبيًا.
- عضو دوار أسطواني (Cylindrical Rotor): يستخدم بشكل أكبر في التطبيقات ذات السرعات العالية.
وقد يحتوي العضو الدوار على ملفات مجال يتم تغذيتها بتيار مستمر، أو يعتمد على مغناطيسات دائمة كما في المحركات التزامنية ذات المغناطيس الدائم (PMSM).
3. ملفات التخميد (Damper Windings)
توجد ملفات التخميد في العديد من المحركات التزامنية، وتساعد على:
- بدء تشغيل المحرك.
- تقليل التذبذبات أثناء التشغيل.
- تحسين استقرار المحرك عند حدوث تغيرات في الحمل.
كيف يعمل المحرك التزامني؟
يعتمد مبدأ عمل المحرك التزامني على التفاعل بين المجال المغناطيسي الدوار للعضو الثابت والمجال المغناطيسي للعضو الدوار.
ويمكن تلخيص طريقة العمل في الخطوات التالية:
- يتم توصيل ملفات العضو الثابت بمصدر تيار متردد ثلاثي الأطوار.
- يتولد مجال مغناطيسي دوار داخل المحرك.
- يدور المجال بسرعة تزامنية.
- يتولد مجال مغناطيسي للعضو الدوار باستخدام تيار مستمر أو مغناطيسات دائمة حسب التصميم.
- يتم رفع سرعة العضو الدوار إلى قيمة قريبة من السرعة التزامنية باستخدام وسيلة بدء مناسبة.
- يحدث ارتباط مغناطيسي بين المجالين.
- يدخل العضو الدوار في حالة التزامن ويدور بسرعة مساوية للسرعة التزامنية.
وبمجرد دخول المحرك في حالة التزامن، تظل السرعة ثابتة ما دام المحرك قادرًا على الحفاظ على التزامنه.
كيف يتولد العزم في المحرك التزامني؟
ينشأ العزم الكهرومغناطيسي نتيجة التفاعل بين المجال المغناطيسي للعضو الدوار والمجال المغناطيسي الدوار للعضو الثابت.
وعند زيادة الحمل الميكانيكي، تزداد زاوية العزم، ويرمز لها بالرمز:
δ
وفي النموذج المبسط للعضو الدوار الأسطواني، يتناسب العزم تقريبًا مع:
T ∝ sin δ
أي أن العزم يرتبط بزاوية العزم بين المجالين المغناطيسيين.
ومع زيادة الحمل، تزداد زاوية العزم حتى يصل المحرك إلى حد قدرته على الحفاظ على التزامنه.
وإذا تجاوز الحمل هذا الحد، فقد يفقد المحرك التزامنه، وقد تحدث تذبذبات وارتفاعات في التيار قبل أن تعمل وسائل الحماية.
لماذا لا يبدأ المحرك التزامني من تلقاء نفسه؟
المحرك التزامني التقليدي لا ينتج عادة عزم بدء كافيًا من حالة السكون.
ويرجع ذلك إلى أن المجال المغناطيسي للعضو الثابت يبدأ بالدوران بسرعة تزامنية، بينما يكون العضو الدوار في البداية ساكنًا.
لذلك يحتاج المحرك إلى وسيلة تساعده على الوصول إلى سرعة قريبة من السرعة التزامنية قبل الدخول في حالة التزامن.
طرق بدء تشغيل المحرك التزامني
1. البدء باستخدام ملفات التخميد
تستخدم ملفات التخميد في بعض المحركات التزامنية للمساعدة في بدء التشغيل.
وتعمل هذه الملفات بطريقة مشابهة لقفص السنجاب في المحرك الحثي، مما يسمح للعضو الدوار بالتسارع.
وعندما يصل العضو الدوار إلى سرعة قريبة من السرعة التزامنية، يتم تطبيق الإثارة المناسبة حتى يدخل المحرك في حالة التزامن.
وقد تصل سرعة العضو الدوار قبل التزامن إلى قيمة تقريبية مثل:
N ≈ 0.95 × Ns
لكن هذه النسبة تقريبية وليست قيمة ثابتة لجميع المحركات.
2. استخدام محرك مساعد
يمكن استخدام محرك مساعد صغير لرفع سرعة العضو الدوار إلى قيمة قريبة من السرعة التزامنية.
بعد ذلك يتم تطبيق الإثارة المناسبة حتى يدخل المحرك في حالة التزامن.
3. استخدام محرك التردد المتغير VFD
يمكن استخدام محرك التردد المتغير للتحكم في تردد التغذية أثناء بدء التشغيل.
ويبدأ النظام بتردد منخفض ثم يرفع التردد تدريجيًا، مما يسمح بالتحكم في سرعة المجال المغناطيسي والوصول إلى سرعة التشغيل المطلوبة.
تأثير الإثارة في معامل القدرة
من أهم مميزات بعض المحركات التزامنية إمكانية التحكم في معامل القدرة عن طريق تغيير تيار الإثارة.
وتوجد ثلاث حالات رئيسية:
الإثارة الناقصة
عند انخفاض تيار الإثارة، يعمل المحرك عادة بمعامل قدرة متأخر.
الإثارة الطبيعية
عند ضبط تيار الإثارة على قيمة مناسبة، يمكن أن يكون معامل القدرة قريبًا من:
PF = 1
أي أن معامل القدرة يقترب من الواحد الصحيح.
الإثارة الزائدة
عند زيادة تيار الإثارة، يمكن أن يعمل المحرك بمعامل قدرة متقدم.
وهذا يسمح باستخدام بعض المحركات التزامنية للمساعدة في تحسين معامل القدرة في المنشآت الصناعية.
ولمزيد من المعلومات، يمكنك الاطلاع على مقال ما هو معامل القدرة PF؟.
ما هو المكثف التزامني؟
عند تشغيل محرك تزامني دون حمل ميكانيكي وبإثارة زائدة، يمكن استخدامه لتعويض القدرة غير الفعالة وتحسين معامل القدرة في الشبكة.
وفي هذه الحالة يسمى:
المكثف التزامني (Synchronous Condenser)
ولا يعني ذلك أن المحرك يتحول فعليًا إلى مكثف، وإنما يكون تأثيره على الشبكة مشابهًا لتأثير المكثفات في توفير القدرة غير الفعالة المتقدمة.
ويمكنك أيضًا الاطلاع على مقال ما هي طرق تحسين معامل القدرة؟ لفهم طرق تحسين معامل القدرة في الأنظمة الكهربائية.
معادلة الجهد في المحرك التزامني
يمكن التعبير عن معادلة الجهد لكل طور في النموذج المبسط للمحرك التزامني باستخدام العلاقة:
V = Ef + Ra × Ia + j × Xs × Ia
حيث:
- V = جهد الطور.
- Ef = الجهد الداخلي المتولد.
- Ra = مقاومة ملفات العضو المنتج.
- Ia = تيار العضو المنتج.
- Xs = المفاعلة التزامنية.
- j = الوحدة التخيلية.
وقد تختلف إشارات بعض الحدود في المعادلة حسب اصطلاح الإشارات المستخدم في المراجع.
معادلة القدرة في المحرك التزامني
في النموذج المبسط للعضو الدوار الأسطواني، ومع إهمال مقاومة ملفات العضو المنتج، يمكن حساب القدرة الكهرومغناطيسية باستخدام:
P = 3 × V × Ef ÷ Xs × sin δ
حيث:
- P = القدرة الكهرومغناطيسية.
- V = جهد الطور.
- Ef = الجهد الداخلي المتولد لكل طور.
- Xs = المفاعلة التزامنية.
- δ = زاوية العزم.
وتصل القدرة النظرية القصوى في هذا النموذج إلى قيمتها عند:
δ = 90°
أما المحركات ذات الأقطاب البارزة، فتكون معادلة القدرة أكثر تعقيدًا بسبب اختلاف المفاعلة على المحور المباشر والمحور المتعامد.
مزايا المحرك التزامني
يتميز المحرك التزامني بعدة مزايا، منها:
- سرعة ثابتة أثناء التشغيل المتزامن.
- كفاءة عالية في العديد من التطبيقات.
- إمكانية التحكم في معامل القدرة.
- إمكانية المساعدة في تحسين معامل القدرة.
- مناسب للتطبيقات ذات القدرة العالية.
- مناسب للتطبيقات التي تتطلب سرعة ثابتة.
عيوب المحرك التزامني
رغم مزايا المحرك التزامني، توجد بعض العيوب، ومنها:
- يحتاج إلى وسيلة بدء مناسبة في العديد من التصميمات.
- قد يحتاج إلى نظام إثارة للعضو الدوار.
- يكون أكثر تعقيدًا من المحرك الحثي في بعض التطبيقات.
- قد تكون تكلفته أعلى.
- قد يفقد التزامنه عند زيادة الحمل بشكل كبير.
ما هي استخدامات المحرك التزامني؟
يستخدم المحرك التزامني في التطبيقات التي تحتاج إلى سرعة ثابتة أو قدرة عالية أو إمكانية التحكم في معامل القدرة.
ومن أبرز استخداماته:
- الضواغط الكبيرة.
- المضخات.
- المراوح.
- المطاحن الصناعية.
- أنظمة دفع السفن.
- أنظمة القيادة الصناعية.
- التطبيقات التي تتطلب سرعة ثابتة.
- تحسين معامل القدرة في المنشآت الصناعية.
كما تستخدم المحركات التزامنية ذات المغناطيس الدائم (PMSM) في العديد من التطبيقات الحديثة، مثل:
- المركبات الكهربائية.
- الروبوتات.
- أنظمة المؤازرة.
- الأتمتة الصناعية.
الفرق بين المحرك التزامني والمحرك الحثي
من أهم الفروقات بين المحرك التزامني والمحرك الحثي سرعة الدوران وطريقة بدء التشغيل ومعامل القدرة.
| وجه المقارنة | المحرك التزامني | المحرك الحثي |
|---|---|---|
| السرعة | تساوي Ns أثناء التزامن | أقل من Ns |
| الانزلاق | يساوي 0 أثناء التشغيل المتزامن | أكبر من 0 |
| بدء التشغيل | يحتاج عادة إلى وسيلة بدء | يبدأ ذاتيًا في الأنواع الشائعة |
| معامل القدرة | يمكن التحكم فيه في بعض الأنواع | غالبًا متأخر |
| السرعة مع تغير الحمل | ثابتة أثناء التزامن | تنخفض مع زيادة الحمل |
| التركيب | أكثر تعقيدًا في بعض الأنواع | أبسط عادة |
| التكلفة | قد تكون أعلى | أقل عادة |
ولمزيد من التفاصيل حول هذه المقارنة، يمكنك قراءة مقال ما الفرق بين المحرك الحثي والمحرك المتزامن؟ وأيهما أفضل؟.
أسئلة شائعة عن المحرك التزامني
المحرك التزامني هو محرك تيار متردد يدور العضو الدوار فيه بالسرعة التزامنية أثناء التشغيل المتزامن.
لا تتغير السرعة بشكل ملحوظ مع تغير الحمل ما دام المحرك يحافظ على التزامنه ولم يتجاوز الحمل قدرة المحرك.
لأن سرعة العضو الدوار تصبح متزامنة مع سرعة المجال المغناطيسي الدوار للعضو الثابت.
المحرك التزامني التقليدي يحتاج عادة إلى وسيلة مناسبة لبدء التشغيل ورفع سرعة العضو الدوار إلى قيمة قريبة من السرعة التزامنية.
تساعد ملفات التخميد في بدء تشغيل بعض المحركات التزامنية، كما تساعد على تخميد التذبذبات أثناء التشغيل.
نعم، يمكن لبعض المحركات التزامنية ذات الإثارة الكهربية العمل بإثارة زائدة ومعامل قدرة متقدم، مما يساعد في تعويض جزء من القدرة غير الفعالة.
المحرك التزامني يدور بسرعة تساوي السرعة التزامنية أثناء التشغيل الطبيعي، بينما يدور المحرك الحثي بسرعة أقل من السرعة التزامنية بسبب الانزلاق.
الخلاصة
المحرك التزامني هو محرك تيار متردد يتميز بثبات سرعة الدوران أثناء التشغيل المتزامن.
وتحسب السرعة التزامنية باستخدام القانون:
Ns = 120 × f ÷ P
ويعتمد عمل المحرك على التفاعل بين المجال المغناطيسي الدوار للعضو الثابت والمجال المغناطيسي للعضو الدوار.
ومن أبرز مميزاته ثبات السرعة وإمكانية التحكم في معامل القدرة في بعض أنواع المحركات التزامنية.
ولهذا السبب يستخدم في العديد من التطبيقات الصناعية، إضافة إلى المحركات التزامنية ذات المغناطيس الدائم المستخدمة في المركبات الكهربائية والروبوتات وأنظمة المؤازرة.
المصادر:
