جودة الطاقة
المعدات الكهربائية مصممة للعمل على طاقة كهربائية ذات جهد وتردد محددين وخالية نسبيا من مشاكل الجودة، مثل الارتفاعات والتوافقيات في الجهد. يمكن لمشاكل جودة الطاقة أن تقلل من الأداء وتقصير عمر المعدات الكهربائية وزيادة تكلفة التشغيل للعمل.
يمكن أن تحدث مشاكل جودة الطاقة بسبب مجموعة متنوعة من الظروف. ومن الضروري وجود نظام جيد التصميم لمراقبة الطاقة لتحديد المشاكل وحلها بسرعة قبل أن تصبح مكلفة.
ستساعدك هذه الدورة التدريبية على فهم أفضل لأنواع مشكلات جودة الطاقة التي تحدث عادة في أنواع مختلفة من المنشآت وكيف يمكن أن تساعدك منتجات وأنظمة مراقبة الطاقة على تقليل هذه المشكلات إلى الحد الأدنى. ولكن هناك أولاً بعض المفاهيم الأساسية التي يتعين علينا أن نتناولها.
التيار المستمر
قد يأتي التيار الخاص بالأجهزة الكهربائية من مصدر تيار مباشر (DC) أو مصدر تيار متردد (AC). وكما نوقش في دورة أساسيات الكهرباء، فإن المرافق الكهربائية تولد وتوزع طاقة التيار المتردد. ومع ذلك، هناك العديد من المصادر والاستخدامات للطاقة DC كذلك. وتشمل مصادر طاقة التيار المستمر مجموعة متنوعة من الأجهزة مثل الخلايا الشمسية والبطاريات والدوائر الإلكترونية التي تحول التيار المتردد إلى التيار المستمر ومولدات التيار المستمر.
في دائرة التيار المستمر، تتدفق الإلكترونات باستمرار في اتجاه واحد من مصدر الطاقة من خلال موصل إلى الحمل والعودة إلى مصدر الطاقة. قطبية الجهد لمصدر التيار المباشر تبقى ثابتة.
التيار المتردد
يجعل مولد التيار المتردد الإلكترونات تتدفق أولا في اتجاه واحد ثم في اتجاه آخر. في الواقع، مولد التيار المتردد يعكس الأقطاب الطرفية عدة مرات في الثانية، مما تسبب في التيار لتغيير الاتجاه مع كل عكس.
الجهد والتيار يختلفان باستمرار. التمثيل البياني لـ AC هو موجة جيبية. يمكن أن تمثل الموجة الجيبية التيار أو الجهد. يوضح الرسم التوضيحي المرافق دورة واحدة لموجة جيبية على الرسم البياني مع محورين. المحور العمودي يمثل اتجاه وحجم التيار أو الجهد. المحور الأفقي يمثل الوقت.
عندما يكون شكل الموجة فوق محور الزمن، يتدفق التيار في اتجاه واحد. ويشار إلى ذلك على أنه الاتجاه الإيجابي. عندما يكون شكل الموجة تحت محور الزمن، يتدفق التيار في الاتجاه المعاكس. ويشار إلى ذلك على أنه الاتجاه السلبي.
تتحرك الموجة الجيبية خلال دورة كاملة 360 درجة، والتي يشار إليها بدورة واحدة. كما سنناقش لاحقا في هذه الدورة، تمر موجة جيبية نموذجية من التيار المتردد عبر العديد من هذه الدورات كل ثانية.
التردد
يشار إلى عدد الدورات في الثانية من الجهد والتيار التي ينتجها مولد التيار المتردد بتردد هذا الجهد والتيار. وحدة التردد المعترف بها هي الهرتز، وتختصر إلى هرتز. 1 هرتز تساوي دورة واحدة في الثانية.
وتقوم شركات الطاقة بتوليد الكهرباء وتوزيعها بترددات منخفضة للغاية. تردد خط الطاقة القياسي في الولايات المتحدة والعديد من البلدان الأخرى هو 60 هرتز. 50 هرتز هو تردد خط الطاقة المشترك الآخر المستخدم في جميع أنحاء العالم. يوضح الرسم التوضيحي التالي 15 دورة في 1/4 ثانية. وهذا يعادل 60 هرتز.
على الرغم من أن شركات الطاقة تقوم بتوليد الكهرباء بتردد ثابت منخفض، إلا أن العديد من الدوائر الإلكترونية تحول هذا التردد المنخفض إلى تردد أعلى أو تردد متغير للاستخدام في عدة طرق.
التردد هو سمة مهمة من خصائص التيار المتردد لأن العديد من الأجهزة والدوائر تستجيب بشكل مختلف للترددات المختلفة.
السعة
الجهد والتيار في دائرة التيار المتردد يرتفع وينخفض مع مرور الوقت في نمط يشار إليه باسم الموجة الجيبية. كما نوقش سابقا، يشار إلى موجة جيبية كاملة بدورة، ويشار إلى عدد الدورات في ثانية واحدة بالتردد. بالإضافة إلى التردد، لموجة جيب التيار المتردد سعة أيضًا، وهي مدى الاختلاف من قيمتها القصوى إلى قيمتها الدنيا. يمكن تحديد السعة بثلاث طرق: قيمة الذروة وقيمة الذروة والقيمة الفعالة.
قيمة الذروة لموجة الجيب هي القيمة القصوى لكل نصف موجة جيب.
قيمة القمة إلى الذروة هي المدى من الذروة الإيجابية إلى الذروة السلبية. وهذا ضعف القيمة القصوى.
يتم تعريف القيمة الفعالة للتيار المتردد من حيث التأثير الحراري المكافئ عند مقارنته بالتيار المستمر. الأجهزة المصممة لقياس الجهد والتيار المتردد عادة ما تعرض القيمة الفعالة. القيمة الفعلية لجهد التيار المتردد أو التيار تساوي تقريبا 0.707 أضعاف قيمة الذروة.
ويشار إلى القيمة الفعالة أيضا باسم قيمة RMS. هذا الاسم مشتق من العملية الرياضية الجذر -المتوسط -المربع المستخدمة لتحديد القيمة الفعالة لشكل الموجة.
القيمة الفورية
القيمة اللحظية هي القيمة في أي نقطة على موجة الجيب. ويسمى شكل موجة الجهد الناتج من إنتاج مولد التيار المتردد الأساسي ثنائي القطب من خلال دورة واحدة كاملة 360 درجة موجة جيبية لأن الجهد أو التيار الفوري مرتبط بالدالة المثلثية الجيبية.
كما هو مبين في الرسم التوضيحي المرافق، فإن الجهد الفوري (e) والتيار (i) عند أي نقطة على موجة الجيب يساوي قيمة الذروة مضروبة في جيب الزاوية. يتم الحصول على قيم الجيب المبينة في الرسم التوضيحي من جداول مثلثية. تذكروا أن لكل نقطة قيمة لحظية، ولكن هذا الرسم التوضيحي يظهر جيب الزاوية فقط على فترات 30 درجة.
طاقة ثلاثية المراحل
حتى الآن، كنا نتحدث فقط عن طاقة تيار متردد أحادية الطور. يتم استخدام طاقة أحادية الطور عندما تكون متطلبات الطاقة صغيرة نسبيًا، كما هو الحال في المنزل النموذجي.
ومع ذلك، تقوم شركات الطاقة بتوليد وتوزيع الطاقة ثلاثية المراحل. تستخدم الطاقة ثلاثية المراحل في التطبيقات التجارية والصناعية حيث تكون متطلبات الطاقة أعلى من تلك الموجودة في المساكن العادية.
الطاقة ثلاثية الطور، كما هو موضح في الرسم التوضيحي المصاحب، هي سلسلة مستمرة من ثلاث دورات متردد متداخلة. تمثل كل موجة الطور ويقابلها 120 درجة كهربائية من كل من المرحلتين الأخريين. ويشار إلى المراحل الثلاث على أنها مراحل A و B و C.
دوران الطور
كما هو موضح سابقا، يمكن عرض علاقات الطور لجهد التيار المتردد الثلاثي الطور النموذجي أو التيار الذي توفره شركة الطاقة باستخدام أشكال الموجة المرسومة على الرسم البياني. ومع ذلك، يمكن وصف هذه العلاقة ببساطة أكثر مع رسم بياني يظهر متجهات الطور الثلاثة. طول كل متجه يمثل سعة واحدة من الأطوار. كل من هذه المتجهات ينفصل عن المتجهين الآخرين بمقدار 120 درجة.
عندما يتم تطبيق جهد التيار المتردد ثلاثي الطور على العضو الساكن لمحرك ثلاثي الطور، يتم إنتاج مجال مغناطيسي دوار. يتم استخدام السهم على مخطط الطور في هذا المثال لإظهار اتجاه الدوران لهذا المجال المغناطيسي.
مخططات الطور، مثل تلك الموضحة في الزاوية اليمنى السفلية، متاحة على العديد من مقاييس الطاقة في سيمنز.
الأحمال الخطية
يمكن أن تكون أحمال المعدات الكهربائية إما خطية أو غير خطية. من المهم فهم الاختلافات بين هذين النوعين من الأحمال وكيف تؤثر هذه الأنواع من الأحمال على جودة الطاقة.
الحمل الخطي هو أي حمل يزيد أو ينقص فيه الجهد والتيار بشكل متناسب. قد يكون الجهد والتيار خارج الطور في الحمل الخطي، ولكن لا تزال الأشكال الموجية لكل منهما جيبية ومتناسبة. ومن أمثلة الأحمال الخطية المحركات وعناصر التسخين المقاومة والمصابيح المتوهجة والمرحلات. يمكن أن تسبب الأحمال الخطية مشكلة في نظام التوزيع إذا كانت تعطلت أو تجاوزت حجمها بالنسبة لنظام التوزيع. ومع ذلك، عندما يتم تشغيلها ضمن المواصفات، فإنها لا تسبب التشويه التوافقي، وهو نوع من التشويه الموجي الذي سيتم مناقشته في وقت لاحق.
أنظمة مراقبة الطاقة مهمة للاستخدام مع جميع أنواع الأحمال. على سبيل المثال، يمكنهم تحديد متى تقترب تيارات الحمل من المستويات التي ستتسبب في زيادة الحمل وأجهزة حماية التيار الزائد.
يمكن استخدام أجهزة مراقبة الطاقة على دوائر التغذية والدوائر الفرعية وكذلك على أنابيب نظام التوزيع. على سبيل المثال، يمكن استخدامها لمراقبة الأحمال الفردية. شهادة LEED، التي وضعها مجلس المباني الخضراء الأمريكي، تتطلب حتى HVAC والإضاءة فوق أمبير معين ليتم مراقبتها بشكل فردي للالتزام بها.
الأحمال غير الخطية
عندما يكون تيار الحمل الآني غير متناسب مع الجهد الآني، يعتبر الحمل حمل غير خطي. أجهزة الكمبيوتر، أجهزة التلفزيون، PLCs، الإضاءة البالونت، محركات السرعة المتغيرة، ومجموعة متنوعة من الأجهزة مع إمدادات الطاقة الإلكترونية هي أمثلة على الأحمال غير الخطية.
يمكن أن تشوه الأحمال غير الخطية الأشكال الموجية، ولكن الكمية الدقيقة ونوع التشويه يختلف اعتمادًا على الحمل. الشكل الموجي الذي ترونه عندما تمررون الماوس فوق المستطيل الاحمر هو مثال واحد فقط على الشكل الموجي المشوه ثلاثي الطور للتيار.
إن وجود أنظمة جيدة لمراقبة جودة الطاقة أمر ضروري للحفاظ على نظام توزيع الطاقة الذي يوفر الطاقة النظيفة. وتطبيق الحل الخاطئ يمكن أن يكون مكلفا وخطيرا.
التوافقيات
تنتج العديد من الدوائر والأجهزة الإلكترونية ترددات تكون مضاعفات التردد المطبق. ويطلق على أي تردد يتم إنتاجه والذي يكون مضاعفاً للتردد الأصلي اسم توافقي.
ويشار إلى التردد الأصلي على أنه التردد الأساسي أو التوافقي الأول. ويشار إلى كل مضاعف تردد برقمه. على سبيل المثال، التوافقي الثاني هو ضعف التردد الأساسي، التوافقي الثالث هو ثلاثة أضعاف التردد الأساسي، إلخ.
عادة ما تنتجها الدوائر التي تنتج التوافقيات بسعات منخفضة من التردد الأساسي. بالإضافة إلى ذلك، هذه الدوائر لا تنتج كل المضاعفات التوافقية، ولكن التوافقيات المحددة المنتجة تعتمد على نوع الدائرة ومستويات الطاقة المعنية.
يمكن أن تظهر التأثيرات التوافقية في شكل حرارة في أماكن مختلفة مثل محايد الجهاز والمحولات والمكثفات. عندما تتراكم الحرارة بشكل كاف، تتلف المعدات. يمكن لأنظمة مراقبة الطاقة تحديد التوافقيات ومصادرها لتمكين التصحيحات.
الحفز و الحفز
المقاومة والجهد ليست الخصائص الوحيدة التي تؤثر على تدفق التيار. على سبيل المثال، المحاثة هي خاصية الدائرة الكهربائية التي تعارض أي تغيير في التيار الكهربائي. المقاومة تعارض تدفق التيار، ولكن المحاثة تعارض التغيرات في تدفق التيار. يتم تعيين المساهم بواسطة الحرف "L". وحدة قياس الحث هي هنري (h).
تدفق التيار ينتج مجال مغناطيسي في موصل. كمية التيار تحدد قوة المجال المغناطيسي. مع زيادة تدفق التيار، تزداد قوة المجال، ومع انخفاض تدفق التيار، تقل قوة المجال.
أي تغيير في التيار يسبب تغييرا موازيا في المجال المغناطيسي المحيط بالموصل. التيار ثابت لمصدر التيار المستمر المنظم، إلا عندما يتم تشغيل الدائرة وإيقاف تشغيلها، أو عندما يكون هناك تغيير في الحمل. ومع ذلك، فإن التيار المتردد يتغير باستمرار، والمحاثة تعارض التغيير باستمرار. التغير في المجال المغناطيسي المحيط بالموصل يحفز الجهد في الموصل. ويشار إلى هذا الجهد الذي يحفزه ذاتيًا على أنه عكس emf لأنه يعارض التغير في التيار.
جميع الموصلات لها محاثة، ولكن المستحثات هي لفائف من السلك الملفوف لمحاثة معينة. لبعض التطبيقات، يتم لف المستحثات حول قلب معدني لمزيد من تركيز الحث. يتم تحديد الحث من الملف من خلال عدد الدورات في الملف، وقطر الملف وطوله، والمادة الأساسية. وعادة ما يشار إلى المستحث بشكل رمزي على الرسم الكهربائي كخط ملتوي.
الإنجليزية
الروسية
الفرنسية
الإسبانية
العربية
تايلاندي
