نظام متعدد الأطوار

📅 آخر تحديث: ٣ أغسطس ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٣ أغسطس ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 2 صور
الموسوعة الحرة
دورة جهد واحدة لنظام ثلاثي الأطوار

نظام متعدد الأطوار ( مصطلح صاغه سيلفانوس طومسون ) هو وسيلة لتوزيع الطاقة الكهربائية بالتيار المتردد ، حيث يستخدم أكثر من طور واحد . يشير الطور إلى قيمة فرق الطور (بالدرجات) بين التيار المتردد في أسلاك موصلة متعددة. قد تشير الأطوار أيضًا إلى الأطراف والموصلات المقابلة، كما هو الحال في رموز الألوان . تحتوي أنظمة متعددة الأطوار على موصلين كهربائيين أو أكثر يحملان تيارات مترددة بفارق طور محدد بين موجات الجهد في كل موصل. استخدمت الأنظمة القديمة نظامًا ثنائي الطور بأربعة أسلاك بزاوية طور 90 درجة، [ 1 ] لكن الأنظمة الحديثة تستخدم بشكل شبه كامل جهدًا ثلاثي الأطوار بزاوية طور 120 درجة (أو 2π/3 راديان).

تُعدّ أنظمة الطاقة متعددة الأطوار مفيدةً للغاية لنقل الطاقة إلى المحركات الكهربائية التي تعتمد على التيار المتردد للدوران. تُستخدم الطاقة ثلاثية الأطوار في التطبيقات الصناعية ولنقل الطاقة . بالمقارنة مع نظام أحادي الطور ثنائي الأسلاك، ينقل نظام ثلاثي الأطوار ثلاثي الأسلاك طاقةً أكبر بثلاثة أضعاف لنفس حجم الموصل والجهد، باستخدام 1.5 ضعف عدد الموصلات فقط، مما يجعله أكثر كفاءةً بمرتين في استخدام الموصلات. كذلك، تسحب المحركات متعددة الأطوار المتناظرة، مثل المحركات ثلاثية الأطوار، طاقةً ثابتةً وتُنتج عزم دوران ثابتًا، بينما يسحب المحرك أحادي الطور طاقةً نابضةً ويُنتج عزم دوران نابضًا مصحوبًا باهتزاز.

تُستخدم الأنظمة التي تحتوي على أكثر من ثلاث مراحل في كثير من الأحيان لأنظمة التقويم وتحويل الطاقة، وقد تمت دراستها لنقل الطاقة.

عدد المراحل

في بدايات استخدام الطاقة الكهربائية التجارية، اعتمدت أنظمة النقل على أسلاك متعددة لتجنب مخاطر الجهد العالي ؛ حيث استخدم معياران شائعان ثلاثة أسلاك (طورين + سلك محايد) وخمسة أسلاك (أربعة أطوار + سلك محايد). [ 2 ] وقد تم الاستغناء عن هذه الأنظمة مع تطوير المحول الكهربائي ، إلا أن بعض المنشآت احتفظت بنظام ثنائي الطور بأربعة أسلاك للمحركات. وكانت الميزة الرئيسية لهذا النظام الأخير هي أن تكوين اللفائف كان مماثلاً لمحرك أحادي الطور ذي مكثف بدء التشغيل، وباستخدام نظام رباعي الأسلاك، كانت الأطوار مستقلة نظرياً ويسهل تحليلها باستخدام الأدوات الرياضية المتاحة آنذاك. [ 3 ]

يمكن أيضاً تنفيذ الأنظمة ثنائية الطور باستخدام ثلاثة أسلاك (سلكان "حاران" بالإضافة إلى سلك محايد مشترك). إلا أن هذا يُحدث عدم تناظر؛ إذ أن انخفاض الجهد في السلك المحايد يجعل الطورين ليسا متقابلين بزاوية 90 درجة تماماً.

استُبدلت الأنظمة ثنائية الطور بأنظمة ثلاثية الطور. وكان الدافع الأصلي وراء هذا التحول هو الحصول على مجال دوار مثالي لمحركات التيار المتردد: فقد حسب ميخائيل دوليفو-دوبروفولسكي أنه في تكوينات اللف البسيطة آنذاك، يمكن تقليل تذبذب المجال المغناطيسي من 40% إلى 15% . وهذا الأمر أقل أهمية في الآلات الحديثة التي تُنتج مجالًا دوارًا مثاليًا تقريبًا باستخدام لفات موزعة جيبيًا ، إلا أن الأنظمة ثلاثية الطور تحتفظ بمزايا أخرى.

يمكن الحصول على مصدر طاقة ثنائي الطور مع 90 درجة بين الأطوار من نظام ثلاثي الأطوار باستخدام محول متصل بـ Scott ، والذي يمكنه أيضًا إنتاج طاقة ثلاثية الأطوار من مدخل ثنائي الطور.

يجب أن يوفر النظام متعدد الأطوار اتجاهًا محددًا لدوران الطور، لذا لا تُحتسب جهود الصورة المعكوسة ضمن ترتيب الطور. يظل النظام ثلاثي الأسلاك ذو موصلين طوريين يفصل بينهما 180 درجة نظامًا أحادي الطور. تُسمى هذه الأنظمة أحيانًا بالأنظمة ذات الطور المنفصل .

المحركات

آلة كهربائية ثلاثية الأطوار ذات مجالات مغناطيسية دوارة

يُعدّ التيار متعدد الأطوار مفيدًا بشكل خاص في محركات التيار المتردد ، مثل المحرك الحثي ، حيث يُولّد مجالًا مغناطيسيًا دوّارًا . عند إتمام دورة كاملة لمصدر تيار ثلاثي الأطوار أو أكثر، يكون المجال المغناطيسي لمحرك ثنائي الأقطاب لكل طور قد دار 360 درجة في الفضاء الفيزيائي؛ أما المحركات التي تحتوي على أكثر من قطبين لكل طور فتتطلب دورات طاقة أكثر لإتمام دورة كاملة للمجال المغناطيسي، ولذلك تعمل هذه المحركات بسرعة أقل. اخترع غاليليو فيراريس ونيكولا تيسلا بشكل مستقل المحركات الحثية التي تستخدم مجالًا مغناطيسيًا دوّارًا ، وطُوّرت في شكل ثلاثي الأطوار على يد ميخائيل دوليفو-دوبروفولسكي عام 1889. [ 4 ] سابقًا، كانت جميع المحركات التجارية تعمل بالتيار المستمر، وتتميز بمبدلات باهظة الثمن ، وفرش تتطلب صيانة دورية، وخصائص غير مناسبة للتشغيل على شبكة تيار متردد. تتميز المحركات متعددة الأطوار بسهولة بنائها، وقدرتها على بدء التشغيل الذاتي، وانخفاض اهتزازاتها مقارنةً بالمحركات أحادية الطور.

رتبة طور أعلى

بمجرد توفر الطاقة متعددة الأطوار، يمكن تحويلها إلى أي عدد مطلوب من الأطوار باستخدام مجموعة مناسبة من المحولات. لذا، فإن الحاجة إلى أكثر من ثلاثة أطوار أمر غير شائع، ولكن تم استخدام أعداد أطوار أعلى من ثلاثة.

كثيرًا ما يُقترح نقل الطاقة عبر خطوط ذات رتبة طورية عالية (HPO) كوسيلة لزيادة سعة النقل ضمن مسار محدود العرض . [ 5 ] تتناسب الطاقة المنقولة طرديًا مع مربع انخفاض الجهد بين الطور والأرض، ولكن تتطلب خطوط النقل موصلات متباعدة بمسافات كافية لمنع حدوث أقواس كهربائية بين الطور والأرض وبين الأطوار . في أنظمة الطاقة ثلاثية الأطوار، يكون الجهد بين الأطوار، والذي يساوي تقريبًا 1.7 ضعف الجهد بين الطور والأرض (√3 )، هو العامل المهيمن. تتميز الأنظمة ذات الأطوار الأعلى، عند نفس الجهد بين الطور والأرض، بفرق جهد أقل بين الأطوار المتجاورة، مما يسمح بتقارب أكبر بين الموصلات. أما في أنظمة الطاقة سداسية الأطوار وما فوق، فيصبح الجهد بين الطور والأرض هو العامل المهيمن. [ 6 ]

يُمكّن التشغيل سداسي الأطوار خط نقل الطاقة ثنائي الدائرة الحالي من نقل طاقة أكبر دون الحاجة إلى كابلات موصلة إضافية. مع ذلك، يتطلب ذلك تكلفة رأسمالية وخسائر في المعاوقة لمحولات تحويل الطور الجديدة للربط مع شبكة الكهرباء التقليدية ثلاثية الأطوار. [ 5 ] وتُعدّ هذه التقنية اقتصادية للغاية، خاصةً عند اختيار ترقية خط نقل الطاقة ذي الجهد العالي جدًا (EHV، أكثر من 345  كيلوفولت بين الأطوار) إلى  معايير الجهد العالي جدًا جدًا (UHV، أكثر من 800 كيلوفولت).

بين عامي 1992 و1995، شغّلت شركة نيويورك ستيت إلكتريك آند غاز خط نقل كهربائي بطول 1.5 ميل، بجهد 93 كيلوفولت، سداسي الأطوار، تم تحويله من خط نقل كهربائي مزدوج الدائرة، ثلاثي الأطوار، بجهد 115 كيلوفولت. وكانت النتيجة الرئيسية هي أن تشغيل خط نقل كهربائي قائم مزدوج الدائرة، ثلاثي الأطوار، بجهد 115 كيلوفولت، كخط سداسي الأطوار، يُعدّ مجديًا اقتصاديًا لمسافات تزيد عن 23-28 ميلًا. [ 7 ] : xvii-xviii

تعتمد خطوط نقل الطاقة ثلاثية الأطوار على التبديل لمعادلة فقد الطاقة عبر جميع الأطوار نتيجةً للانحرافات الطفيفة عن الشكل الهندسي المثالي. هذا غير ممكن مع الخطوط ذات الأطوار المتعددة، لأن التبديل لا يسمح إلا بتبديل الأطوار المتجاورة، وتتطابق المجموعة ثنائية السطوح على n عنصرًا مع المجموعة المتناظرة الكاملة فقط عندما يكون n ≤ 3. لذا، فإن التطبيق الكامل حتى لهذا المخطط المحدود للتبديل ضروري للحماية من الأعطال الأرضية. [ 7 ] : 45-52

تم اقتراح تصميمات لتوليد الطاقة متعددة الأطوار بخمسة، وسبعة، وتسعة، واثني عشر، وخمسة عشر طورًا، بالاقتران مع مولدات الحث متعددة الأطوار (MPIGs) التي تُدار بواسطة توربينات الرياح. يُنتج مولد الحث الطاقة الكهربائية عندما يدور دواره بسرعة تفوق السرعة التزامنية . يحتوي مولد الحث متعدد الأطوار على عدد أكبر من الأقطاب، وبالتالي سرعة تزامنية أقل. ولأن سرعة دوران توربينات الرياح قد تكون بطيئة جدًا بحيث لا يُمكن توليد طاقة تيار متردد أحادية الطور أو حتى ثلاثية الأطوار في جزء كبير من تشغيلها، فإن زيادة عدد الأطوار يسمح للنظام بالتقاط جزء أكبر من الطاقة الدورانية كطاقة كهربائية.

انظر أيضاً

مراجع

  1. ↑ بلالوك، تي جيه (مارس-أبريل 2004). "أول نظام متعدد الأطوار: نظرة إلى الوراء على الطاقة ثنائية الطور لتوزيع التيار المتردد". مجلة IEEE للطاقة والكهرباء . 2 (2): 63-66 . Bibcode : 2004IPEnM...2b..63B . doi : 10.1109/MPAE.2004.1269626 .
  2. ↑ هوكينز، نحميا؛ وآخرون (1914). دليل هوكينز الكهربائي . المجلد 4. نيويورك، نيويورك: ثيو. أوديل. فصل "أنظمة التوزيع" – عبر مشروع غوتنبرغ .  
  3. ↑ تيريل كروفت، دليل الكهربائيين الأمريكيين، الطبعة السادسة ، ماكجرو هيل، 1948، الصفحات 54-57
  4. ↑ أيون بولديا، سيد أبو ناصر، دليل آلة الحث - مطبعة سي آر سي، 2002، صفحة 2
  5. 1 2 لونغو، فيتو (1 يوليو 2011). "الطور العالي ماذا؟" . عالم النقل والتوزيع . مؤرشف من الأصل في 28 يوليو 2016.
  6. ↑ دورازيو، ت. ف. (25 أبريل 1990). نقل عالي الرتبة الطورية . المؤتمر الفني حول المنطقة الجنوبية. بينغهامتون، نيويورك: معهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات. ص 31-32 . doi : 10.1109/STIER.1990.324628 .  
  7. 1 2 "عرض توضيحي لنقل الطاقة عالي الطور" (ملف PDF) . CERC-Reactors.com . هيئة الكهرباء والغاز بولاية نيويورك.

للمزيد من القراءة