أي الصناعات تستفيد أكثر من المحركات التزامنية التيار المتردد؟

توليد الطاقة واستقرار الشبكة: تمكين الدقة والتحكم في القدرة التفاعلية

الظاهرة: المحركات التزامنية كمصدر للقصور الذاتي المتزامن مع الشبكة

تُواكب محركات التيار المتردد المتزامنة تلقائيًا تردد الشبكة، مما يمنحها نوعًا من القصور الذاتي الدوراني يساعد فعليًا في الحفاظ على استقرار شبكات الطاقة عند حدوث تغيرات مفاجئة في الطلب على الأحمال. فكتلة دوارات هذه المحركات تعمل كعجلة طائرة، حيث تخزن الطاقة الحركية التي تُطلق تلقائيًا كلما انخفض التردد. وهذا بدوره يبطئ سرعة التغيرات في النظام، ما يدعم الاستقرار الكلي للشبكة. ومع انتقال المزيد من نظم الكهرباء حول العالم نحو مصادر الطاقة المتجددة والابتعاد عن المولدات التقليدية الدوارة، تصبح هذه النوعية من القصور الذاتي المدمج مهمة جدًا. إذ بدون تلك الآلات الدوارة التقليدية، لم تعد الشبكات الحديثة تمتلك التأثير المستقر الطبيعي نفسه بعد الآن.

المبدأ: تغذية الدوار لتصحيح معامل القدرة بدقة وتقديم الدعم بالقدرة التفاعلية

على عكس المحركات الحثية، تُقدِّم المحركات المتزامنة تحكّمًا ديناميكيًا في القدرة العاكسة من خلال إثارة محرّك تيار مستمر قابلة للتعديل. ومن خلال ضبط دقيق لتيار الإثارة، يمكن للمشغلين أن:

• يحققوا معامل قدرة وحيد، مما يتفادى الغرامات التي قد تفرضها شركة الكهرباء والتي قد تتجاوز 740,000 دولار سنويًا لكل منشأة
• ضخ أو امتصاص القدرة العاكسة (الفار) لتنظيم الجهد أثناء فترات الطلب القصوى
• تعويض الفار المتأخرة الناتجة عن المحولات والبنية التحتية للنقل

هذا يحوّل المحركات إلى أصول شبكيّة قابلة للبرمجة تحسّن كفاءة النقل وتساعد في الوقاية من انهيار الجهد، خاصةً في الشبكات الضعيفة أو النائية.

النفط والغاز والمعالجة الكيميائية: تشغيل عالي الكفاءة وثابت السرعة للتطبيقات الحرجة

الظاهرة: التخلص من خسائر الانزلاق في الضواغط الطاردة المركزية والمضخات

كانت الضواغط والمضخات الطاردة المركزية المستخدمة في معالجة الهيدروكربونات تفقد تقليديًا حوالي 3 إلى 7 بالمئة من طاقتها المدخلة بسبب خسائر الانزلاق المزعجة في المحركات الحثية العادية. ويُصلح محرك التيار المتردد المتزامن هذه المشكلة، حيث يبقي الدوار والمبدّل متزامنين تمامًا طوال فترة التشغيل، ما يرفع كفاءته إلى الفئة IE4 وفق معايير IEC 60034 أو ما يشابه ذلك. وتشير دراسات حديثة نُشرت العام الماضي في مجلات ديناميكا الموائع إلى أن هذه المحركات يمكنها تقليل استهلاك الطاقة بنسبة تصل إلى 40% عند تطبيقها على أنظمة ضغط الغاز. وهذا يعني وفورات فعلية في تكاليف التشغيل وانخفاضًا في انبعاثات الكربون دون التأثير على الأداء، وهو أمر مهم جدًا عند التعامل مع التغيرات غير المتوقعة في الضغط التي تحدث باستمرار في خطوط الأنابيب.

المبدأ: معدلات تدفق مستقرة تحت ظروف دخول متغيرة باستخدام محركات تيار متردد متزامنة

تحافظ المحركات التزامنية على سرعتها الدورانية شبه الثابتة عند التعامل مع النفط الخام الذي يتغير في اللزوجة أو عند معالجة المواد الكيميائية التفاعلية. تبقى هذه المحركات ضمن نسبة تقارب نصف بالمئة من السرعة المستهدفة، حتى عند تغير ظروف التحميل. ما يميزها هو الطريقة التي يستجيب بها نظامها الكهرومغناطيسي فورًا لتغيرات ضغط الدخول. ويؤدي هذا الاستجابة السريعة إلى منع التقلبات المزعجة في التدفق التي قد تؤدي إلى فصل المراحل المختلفة في خطوط الأنابيب التي تنقل مواد متعددة. بالنسبة لمحطات الضخ المساعدة التي تعمل مع الغاز الحامض، ينتج عن ذلك تجانسًا في معدلات التدفق بنسبة حوالي اثنين بالمئة. وصدقًا، فإن هذا النوع من الثباتية مهم جدًا، لأن التوقفات غير المخطط لها تكلف الملايين في المصافي التي تعالج أنواعًا شتى من المواد الكاوية يوميًا.

أنظمة التدفئة والتهوية وتكييف الهواء وأنظمة المباني الكبيرة: الوفاء بمعايير الكفاءة باستخدام كفاءة IE4

الظاهرة: اعتماد المحركات التزامنية التيار المتردد في وحدات التبريد الخاضعة لتحكم محول التردد (VFD) وأنظمة الصمامات

يُفضِّل مهندسون متزايدون في الوقت الحاضر استخدام محركات التيار المتردد المتزامنة في أنظمة تكييف الهواء والتدفئة والتبريد الكبيرة، مثل المبردات التي يتم التحكم بها بواسطة محولات التردد المتغير (VFD) ومشغّلات الصمامات التي نراها في كل مكان. ما يميز هذه المحركات هو قدرتها على الحفاظ على تحكم دقيق في السرعة حتى عند التشغيل بسرع منخفضة. وهذا يعني أن نظام التبريد يمكنه التعديل بسلاسة دون حدوث تلك الزيادات المفاجئة المزعجة التي تحدث مع الأنواع الأخرى من المحركات. ولا ينبغي لنا أن ننسى جانب توفير الطاقة أيضًا. فعادةً ما تُضيّع المحركات الحثية حوالي 3 إلى 7 بالمئة من الطاقة عندما لا تعمل بكامل طاقتها، في حين تقلل المحركات المتزامنة من هذا الفقد بشكل كبير. على سبيل المثال، وفقًا لدراسة نُشرت في مجلة ASHRAE العام الماضي، فإن وحدات معالجة الهواء عند تزويدها بمحركات متزامنة تشهد انخفاضًا بنسبة 22 بالمئة في تقلبات ضغط القنوات. والنتيجة؟ تدفق هواء أكثر استقرارًا في جميع أنحاء المباني، وشعور الأشخاص براحة أكبر في أماكنهم.

الاتجاه: معيار ASHRAE 90.1-2022 يدفع نحو تحديث المحركات من النوع الحثي إلى محركات متزامنة من الفئة IE4

يتطلب معيار ASHRAE 90.1-2022 المُحدّث كفاءة أعلى بنسبة 15٪ لمحركات أنظمة التدفئة والتهوية وتكييف الهواء التجارية، مما يسرع استبدال المحركات الحثية القديمة. وتفي المحركات المتزامنة التيار المتردد من فئة IE4 بهذا الشرط من خلال:

• دوارات مغناطيس دائم تلغي خسائر الدوار
• كفاءة قصوى تبلغ 97٪ عند حمل 25٪، مقارنة بـ 89٪ للمحركات الحثية المماثلة
• معامل القدرة يتجاوز 0.95 عبر نطاق واسع من السرعة

أفاد مديرو المرافق بفترات عائد استثمار لا تتجاوز 18 شهرًا بعد التحديث، حيث تقلل هذه المحركات من استهلاك الطاقة في محطات التبريد سنويًا بنسبة 31٪ — مما يدعم الامتثال لمعايير التهوية والمبادرات العالمية للوصول إلى صافي انبعاثات صفرية.

التطبيقات البحرية والسفن: دفع موثوق باستخدام المحركات المتزامنة ذات المغناطيس الدائم

الاستراتيجية: دمج المحركات المتزامنة ذات المغناطيس الدائم (PMSMs) في الدفع البحري الهجين الكهربائي من أجل الكفاءة والمتانة

تُعيد محركات المغناطيس الدائم المتزامنة (PMSMs) تشكيل دفع السفن البحري بفضل دمجها في الأنظمة الهجينة الكهربائية على متن السفن. وعندما تحل هذه المحركات محل المحركات الحثية التقليدية في نظم نقل حركة السفن، فإنها تقضي على خسائر الانزلاق المزعجة وتصل بكفاءتها إلى أكثر من 95٪ في معظم الحالات. والنتيجة؟ انخفاض ملحوظ في استهلاك الوقود أثناء الرحلات البحرية الطويلة. وميزة كبيرة أخرى لمحركات PMSMs هي بنيتها الخالية من الفُراشات، ما يعني حاجة أقل للصيانة، وهي نقطة مهمة بشكل خاص عند التعامل مع مشاكل التآكل الناتجة عن مياه البحر المالحة. علاوةً على ذلك، فإن القدرة على ضبط العزم بدقة تجعل التبديل بين الطاقة الكهربائية ومحركات الديزل أكثر سلاسة بكثير مما كان عليه الحال من قبل. وقد شهدنا نجاح هذا النظام بشكل خاص في سفن الدعم البحري التي تعمل حول منصات النفط. وعلى الرغم من تعرض هذه المحركات باستمرار للاهتزازات الناتجة عن تشغيل المحركات، ومستويات الرطوبة العالية، وضرورة العمل ضمن نطاقات درجات حرارة قصوى تمتد من مياه القطب الشمالي إلى المناخات الاستوائية، إلا أنها تستمر في العمل دون أي فشل.

الميزة: كثافة عزم دوران عالية وقدرة على التحمل في البيئات البحرية القاسية

يمكن للمحركات المتزامنة ذات المغناطيس الدائم (PMSMs) توليد دفع عند التشغيل يزيد بنسبة حوالي 30٪ مقارنة بالمحركات الأخرى ذات الحجم المماثل، وذلك لأنها مصممة بتصاميم مدمجة تُنتج عزم دوران عالي. كما أن المغناطيسات النيوديمية الموجودة داخل هذه المحركات تتحمل الأحمال الصدمية بشكل جيد جدًا عندما تواجه السفن ظروفًا بحرية خشنة. علاوةً على ذلك، تأتي هذه المحركات مع طلاءات خاصة مقاومة للتآكل، مما يحميها من الهواء المالح والرطوبة التي قد تتسبب عادةً في تلف مكونات المحركات التقليدية مع مرور الوقت. ولهذا السبب، تعمل محركات PMSMs بكفاءة استثنائية في وحدات الدفع الآزيموتية وأنظمة التموضع الديناميكي على السفن. عندما تحتاج السفينة إلى الحفاظ على موضعها أو المناورة بدقة في بيئات صعبة، فإن امتلاك محركات موثوقة لا تفشل في اللحظات الحرجة هو ما يصنع الفارق بين نجاح العمليات أو وقوع كوارث محتملة في البحر.