التزامن (التيار المتردد)

في نظام الطاقة الكهربائية بالتيار المتردد ، تُعرف عملية التزامن بأنها مطابقة التردد والطور والجهد للمولد أو أي مصدر آخر مع الشبكة الكهربائية لنقل الطاقة . إذا كان من المقرر ربط جزأين غير متصلين من الشبكة ببعضهما، فلا يمكنهما تبادل الطاقة الكهربائية المترددة بأمان حتى يتم مزامنتهما .

يمكن توصيل مولد التيار المستمر بشبكة الطاقة ببساطة عن طريق ضبط جهد طرفه في حالة الدائرة المفتوحة ليتوافق مع جهد الشبكة، وذلك إما بضبط سرعته أو مجال إثارته. ولا تُعد سرعة المحرك الدقيقة أمرًا بالغ الأهمية. أما مولد التيار المتردد، فيجب عليه أيضًا مطابقة توقيته (التردد والطور) مع جهد الشبكة، الأمر الذي يتطلب تحكمًا دقيقًا في كل من السرعة والإثارة لتحقيق التزامن. وكان هذا التعقيد الإضافي أحد الحجج ضد تشغيل التيار المتردد خلال حرب التيارات في ثمانينيات القرن التاسع عشر. وفي الشبكات الحديثة، يتم تزامن المولدات بواسطة أنظمة آلية.

هناك خمسة شروط يجب استيفاؤها لتحقيق التزامن. يجب أن يكون للمصدر (المولد أو الشبكة الفرعية) نفس قيمة الجذر التربيعي المتوسط ​​للجهد ، والتردد ، وتسلسل الطور ، وزاوية الطور ، وشكل الموجة للنظام الذي تتم مزامنته معه. ^{[ 1 ]}

يُحدد شكل الموجة وتسلسل الأطوار من خلال تصميم المولد وتوصيلاته بالنظام. أثناء تركيب المولد، تُجرى فحوصات دقيقة للتأكد من صحة أطراف المولد وجميع أسلاك التحكم، بحيث يتطابق ترتيب الأطوار (تسلسل الأطوار) مع النظام. سيؤدي توصيل المولد بتسلسل أطوار خاطئ إلى تيارات عالية، قد تكون ضارة، لأن جهود النظام تكون معاكسة لجهود أطراف المولد. ^{[ 2 ]}

يجب التحكم في الجهد والتردد وزاوية الطور في كل مرة يتم فيها توصيل مولد كهربائي بشبكة كهربائية. ^{[ 1 ]}

تتمتع وحدات التوليد المتصلة بشبكة الكهرباء بنظام تحكم تلقائي في السرعة يسمح لها بتوزيع الحمل بما يتناسب مع قدرتها. وتعمل بعض وحدات التوليد، خاصة في الأنظمة المعزولة، بنظام تحكم متزامن في التردد، مما يحافظ على تردد ثابت للنظام بغض النظر عن الحمل.

تتشابه سلسلة الأحداث في التزامن اليدوي والتلقائي. يتم رفع سرعة المولد إلى سرعة تقارب السرعة التزامنية بتزويد عموده بمزيد من الطاقة، على سبيل المثال، بفتح صمامات التوربين البخاري ، أو فتح بوابات التوربين الهيدروليكي ، أو زيادة ضبط الخانق في محرك الديزل . يتم تنشيط مجال المولد، ثم يُرصد الجهد عند أطرافه ويُقارن بجهد النظام. يجب أن يكون مقدار الجهد مساويًا لجهد النظام.

إذا كانت إحدى الآلات خارج الطور قليلاً، فسوف تتزامن مع الآلات الأخرى، ولكن إذا كان فرق الطور كبيرًا، فسيكون هناك تيارات متقاطعة شديدة يمكن أن تسبب تقلبات في الجهد، وفي الحالات القصوى، تلفًا للآلات.

مزامنة المصابيح

في السابق، كانت تُوصل ثلاث مصابيح متوهجة بين أطراف المولد وأطراف النظام (أو بشكل أعم، بأطراف محولات القياس المتصلة بالمولد والنظام). ومع تغير سرعة المولد، تومض المصابيح بتردد الخفقان المتناسب مع الفرق بين تردد المولد وتردد النظام. عندما يكون الجهد عند المولد معاكساً لجهد النظام (متقدماً أو متأخراً في الطور )، تضيء المصابيح. وعندما يتطابق الجهد عند المولد مع جهد النظام، تنطفئ المصابيح. في تلك اللحظة، يمكن إغلاق قاطع الدائرة الذي يربط المولد بالنظام، فيبقى المولد متزامناً مع النظام. ^{[ 3 ]}

استخدمت تقنية بديلة مخططًا مشابهًا لما سبق، باستثناء تبديل توصيلات مصباحين إما عند أطراف المولد أو أطراف النظام. في هذا المخطط، عندما يكون المولد متزامنًا مع النظام، يكون أحد المصباحين مطفأً، بينما يكون المصباحان ذوا التوصيلات المبدلة متساويين في السطوع. يُفضّل التزامن باستخدام المصابيح "المطفأة" على المصابيح "الساطعة" لسهولة تمييز الحد الأدنى للسطوع. مع ذلك، قد يؤدي احتراق أحد المصابيح إلى نتيجة إيجابية خاطئة لنجاح التزامن.

جهاز التزامن

تعتمد طريقة يدوية أخرى للمزامنة على مراقبة جهاز يُسمى "مقياس التزامن"، والذي يعرض الترددات النسبية للنظام والمولد. يُشير مؤشر مقياس التزامن إلى سرعة المولد "السريعة" أو "البطيئة" بالنسبة للنظام. ولتقليل التيار العابر عند إغلاق قاطع دائرة المولد، يُجرى عادةً إغلاق القاطع عندما يقترب المؤشر ببطء من نقطة التزامن. سيؤدي خطأ بسيط في الطور بين النظام والمولد إلى تيار اندفاعي لحظي وتغيير مفاجئ في سرعة المولد.

أثناء تزامن المولد، يتغير تردد النظام تبعًا للحمل ومتوسط ​​خصائص جميع وحدات التوليد المتصلة بالشبكة. ^{[ 1 ]} قد تؤدي التغيرات الكبيرة في تردد النظام إلى فقدان المولد للتزامن معه. في هذه الحالة، تعمل أجهزة الحماية الموجودة على المولد على فصله تلقائيًا.

تعتمد السرعات المتزامنة للمحركات المتزامنة والمولدات على عدد الأقطاب الموجودة على الآلة وتردد التيار الكهربائي.

العلاقة بين تردد التغذية، f ، وعدد الأقطاب، p ، والسرعة التزامنية (سرعة المجال الدوار)، n _s، تُعطى بالعلاقة التالية:

${\displaystyle f={\frac {pn_{s}}{120\ }}}$.

في الجدول التالي، تظهر الترددات بالهرتز (Hz) وسرعات الدوران بالدورات في الدقيقة (rpm):

• تزامن الطور
• التيار المستمر عالي الجهد : يسمح بنقل الطاقة بين أنظمة نقل التيار المتردد غير المتزامنة

• الكتاب السنوي للكهرباء لعام 1937، من منشورات شركة إيموت المحدودة، مانشستر، إنجلترا، الصفحات 53-57 و72

• عرض رسوم متحركة بتقنية الفلاش حول مزامنة المولد الكهربائي .