مرحلة واحدة مقابل ثلاث مراحل: مقارنة تقنية ودليل الاختيار

في هندسة الطاقة الكهربائية الحالية والأتمتة الصناعية، يعد الفرق الرئيسي بين الطاقة ثلاثية الطور مقابل الطاقة أحادية الطور أمرًا أساسيًا. وينطبق هذا على تصميم أنظمة توزيع الطاقة في المنازل السكنية، وتخطيط المنشآت التجارية، وكذلك بناء أنظمة الطاقة في المنشآت الصناعية. لا يؤثر القرار على مستويات الجهد وعدد الأسلاك فحسب، بل يؤثر أيضًا على كفاءة النظام وتكلفته وأداء المعدات وقدرته على التوسع في المستقبل.

هذه المدونة هي دليل اختيار كهربائي كامل. فهي تُجري مقارنات بين التعريفات الأساسية واختلافات الأداء والتطبيق وعوامل التكلفة لأنظمة الطاقة أحادية الطور وثلاثية الطور. يساعد هذا الدليل مهندسي الكهرباء، ومديري المشاريع، وأصحاب الأعمال، وعشاق التقنية على اتخاذ قرارات ذكية.

الاختلافات والتعاريف الأساسية

إن كلا النظامين أحادي الطور وثلاثي الطور هما نظامان للتيار المتردد (AC). ويكمن الاختلاف الرئيسي بينهما في كيفية توليد الطاقة الكهربائية ونقلها. ويظهر هذا الاختلاف في شكل الموجة وهيكلها ونوع الطاقة التي توفرها.

ما هي المرحلة الواحدة؟

الطاقة أحادية الطور هي أكثر أشكال إمدادات الطاقة السكنية شيوعًا. ويتم تحديد خصائصه بهذه الطرق:

1. شكل الموجة: الجهد أحادي الطور وشكل موجة التيار والجهد أحادي الطور هو شكل موجة تيار متردد واحد. في دورة واحدة، يتحرك الجهد والتيار من صفر إلى الذروة، ثم يعودان إلى الصفر.
2. الفولتية: في معظم البلدان، مثل الصين، عادةً ما يكون الجهد الكهربي الفعال في المنازل أحادية الطور 220 فولت أو 230 فولت.
3. الهيكل: يحتوي أبسط هيكل على موصلين: سلك طاقة واحد (Live L) وسلك واحد محايد (Neutral N)، والذي يعمل كمسار عائد.
4. تدفق الطاقة: الطاقة أحادية الطور نابضة؛ فهي تتغير بمرور الوقت وليست بمعدل ثابت.

لمعرفة المزيد عن المرحلة الواحدة، شاهد هذا الفيديو أدناه:

ما هي المرحلة الثالثة؟

تستخدم المباني الصناعية والتطبيقات التجارية الكبيرة إمدادات الطاقة الطورية كنظام طاقة قياسي. وهي تهدف إلى توفير طاقة كهربائية أكثر استقراراً وأقوى.

1. شكل الموجة: تتكون الطاقة ثلاثية الأطوار من ثلاثة تيارات تيار متردد، كل منها إشارة تيار متردد طور. ويشار إلى كل تيار على أنه طور. وزاوية هذه التيارات الثلاثة هي بالضبط 120 درجة كهربائية (360/3=120).
2. المرحلة: هناك أنواع مختلفة من التكوينات. عادةً ما تحتوي على ثلاثة أسلاك أطوار (L1,L2,L3) وسلك محايد واحد (N) (السلك الرابع) (نظام رباعي الأسلاك)، أو ثلاثة أسلاك أطوار فقط (نظام ثلاثي الأسلاك). ويُشار إلى السلك المحايد أحياناً على أنه سلك إضافي.
3. الهيكل: عادةً ما تحتوي على أسلاك ثلاثية الطور (L1,L2,L3) وسلك واحد محايد (N) (نظام رباعي الأسلاك)، أو ثلاثة أسلاك فقط (نظام ثلاثي الأسلاك).
4. الفولتية: هناك نوعان من الجهد في الطاقة ثلاثية الطور، جهد الخط (من خط إلى خط، مثل 380 فولت/400 فولت) وجهد الطور (من خط إلى محايد، مثل 220 فولت/230 فولت).

لمعرفة المزيد عن المراحل الثلاث، شاهد هذا الفيديو أدناه:

الكفاءة والتكلفة والاستقرار

تتمثل الاعتبارات المهمة في اختيار نوع إمداد الطاقة في أداء النظام والتكلفة. تتفوق الأنظمة ثلاثية الطور على الأنظمة أحادية الطور في كل جانب من جوانب الأداء تقريبًا، على الرغم من أنها عادةً ما تنطوي على تكلفة أولية أعلى.

مقارنة تدفق الطاقة والاستقرار

الميزة الرئيسية للطاقة ثلاثية الطور هي تدفق الطاقة:

• طاقة ثابتة: تتشابك القمم ونقاط الصفر للتيارات الثلاثة. تظل الطاقة اللحظية الإجمالية للطاقة ثلاثية الطور ثابتة تقريبًا وتوفر تدفقًا مستمرًا للطاقة. وهذا يزيل نبض الطاقة في الأنظمة أحادية الطور. ويرجع ذلك إلى اتساق توصيل الطاقة.
• الاستقرار: تدفق الطاقة المستمر يجعل المحركات ثلاثية الطور تعمل بسلاسة أكبر مع اهتزاز أقل. تحافظ الأنظمة ثلاثية المراحل على استقرار الجهد بشكل أفضل عند بدء تشغيل المعدات الكبيرة أو عند تغير الحمل.
• الكفاءة: لنقل نفس القدرة، تحتاج الأنظمة ثلاثية الطور إلى مواد موصلة إجمالية أقل. ويكون فقدان الخط (فقدان I2R) أقل أيضاً. كفاءة الإرسال أعلى.

تحليل التكلفة الأولية مقابل تحليل التكلفة التشغيلية

تحليل متعمق:

في قرارات التكلفة، لا يمكنك ببساطة النظر في التكلفة الأولية. في أي مشروع تجاري أو صناعي حيث يكون التشغيل طويل الأجل أو حيث تكون المعدات المستخدمة ذات طاقة عالية، فإن فوائد النظام ثلاثي المراحل من حيث كفاءة الطاقة وعمر المعدات توفر مبلغًا كبيرًا من المال في الكهرباء والصيانة على مر السنين. وسرعان ما يعوض ذلك التكلفة الأولية المتزايدة للتركيب.

السلامة والمعايير

يجب أن تكون سلامة النظام والامتثال له الأولوية الأولى عند اختيار نظام إمداد الطاقة.

• قواطع دوائر كهربائية: يجب أن تستخدم الأنظمة ثلاثية الطور قواطع دارة ثلاثية الأقطاب (أو أربعة أقطاب). وهذا يضمن فصل الطاقة ثلاثية الطور في وقت واحد (فصل جميع الأقطاب) في حالة حدوث ماس كهربائي أو حمل زائد. تقوم قواطع الدارة أحادية الطور ببساطة بفتح الدائرة الكهربائية المباشرة.
• آلية الحماية: تحتاج الأنظمة ثلاثية المراحل إلى حماية إضافية من أجل تسلسل الطور وفقدان الطور واختلال توازن الجهد. قد تعمل المعدات الصناعية بشكل عكسي مع تسلسل الطور الخاطئ؛ وقد يحترق المحرك في وقت قصير مع فقدان الطور. تتطلب هذه الضمانات المتطورة منتجات تحكم كهربائية أكثر تطوراً ذات جهد منخفض.
• معايير الأسلاك: إن توصيل أسلاك الأنظمة ثلاثية الطور أكثر تعقيداً. فلديها لوائح أكثر صرامة بشأن موازنة الأحمال والتأريض والأسلاك المحايدة. يجب اتباع المعايير الكهربائية الدولية والوطنية مثل IEC أو NEC.

متطلبات المحرك والمعدات

المحركات هي الحمل الرئيسي في القطاع الصناعي. كما أنها تُظهر أكبر فرق في الأداء بين الأنظمة أحادية الطور والأنظمة ثلاثية الطور.

حدود المحرك أحادي الطور

تصميم المحرك أحادي الطور أكثر تعقيدًا من المحركات ثلاثية الطور. وله حدود أداء أساسية:

1. بداية ضعيفة عزم الدوران: لا يمكن للطاقة أحادية الطور إنشاء مجال مغناطيسي دوار بشكل طبيعي. يجب أن تعتمد على لفات بدء تشغيل إضافية، أو مكثفات، أو مفاتيح طرد مركزي لتوفير قوة بدء التشغيل. وهذا يجعل المحرك أحادي الطور معقدًا ويمنحه عزم بدء تشغيل ضعيفًا.
2. الكفاءة وحدود الطاقة: عادةً ما تكون كفاءة المحرك أحادي الطور أقل من المحركات ثلاثية الطور من نفس الطاقة. وغالباً ما تكون الطاقة محدودة بأقل من 10 كيلوواط، مما يجعل من الصعب استخدامها في الآلات الثقيلة.
3. سلاسة التشغيل: بسبب نبض الطاقة، قد يكون للمحركات أحادية الطور اهتزازات وضوضاء طفيفة عند التشغيل.

قوة المحركات ثلاثية الأطوار

المحركات ثلاثية الطور هي أساس الصناعة الحديثة. وتأتي ميزتها من ميزات إمدادات الطاقة الطبيعية:

1. انطلاقة ذاتية قوية: يؤدي فرق الطور البالغ 120 درجة بشكل طبيعي إلى خلق استقرار مجال مغناطيسي دوار داخل المحرك. وهذا يعني عدم الحاجة إلى مساعدة إضافية لبدء التشغيل. عزم بدء التشغيل قوي وسلس.
2. كفاءة عالية وعمر طويل: تدفق الطاقة المستمر يجعل المحركات تعمل بسلاسة مع خسارة منخفضة وكفاءة عالية. الهيكل بسيط، واحتياجات الصيانة منخفضة، والعمر الافتراضي أطول بكثير من المحركات أحادية الطور.

دور أومتش في تحسين التحكم في المحركات

تمنح الطاقة ثلاثية الطور المحركات أداءً قويًا. ولكن تشغيلها الطويل والمستقر يعتمد كلياً على جودة وموثوقية المكونات الكهربائية ذات الجهد المنخفض المستخدمة للتحكم والحماية.

إن فقدان الطور، واختلال توازن الجهد، والحمل الزائد، والدوائر القصيرة هي التهديدات الرئيسية لأنظمة المحركات ثلاثية الطور. إذا كانت الحماية ضعيفة، يمكن أن يؤدي العطل السريع إلى تلف لفات المحرك بشكل دائم، مما يتسبب في خسارة كبيرة من وقت التعطل.

أومتش إنسايت المنتجات الكهربائية ذات الجهد المنخفض هي شريان الحياة للأنظمة الكهربائية ثلاثية الطور

بالنسبة للمصنعين (مصنعي المعدات الأصلية) الذين يعتبرون التحكم في المحركات مكونًا أساسيًا في معداتهم، فإن قرار استخدام منتجات أومتش يعني قرارًا باستخدام الاستقرار والثقة.

تحتاج أنظمة التحكم الأساسية مثل PLC وشبكات الاستشعار الخاصة بها إلى طاقة نظيفة ومستقرة للغاية لتشغيلها. إن مزود طاقة عقدة التبديل من Omch قادر على تحويل الطاقة ذات الجهد العالي وغير المستقرة ثلاثية الطور (أو أحادية الطور) إلى إمدادات طاقة نظيفة ومستقرة ومنخفضة مثل 24 فولت تيار مستمر أو 5 فولت تيار مستمر. وهذا يجعل مزود الإمداد بالطاقة ذو المحولات الصغيرة والمتوسطة بالغ الأهمية لشبكة التحكم بأكملها.

منتجاتنا لأنظمة التوزيع ذات الجهد المنخفض (مثل قواطع التيار المتردد، ومرحلات الحمل الزائد الحرارية، وقواطع الدوائر الكهربائية) تخضع لرقابة عالية من حيث الجودة. فهي تعمل بإرسال الإشارات الصحيحة لمرحلات التحكم الصناعي. وهذا يضمن:

• أداء أساسي موثوق: تبدأ المحركات بسلاسة وتعمل بكفاءة في الظروف الصناعية الصعبة.
• منتج عالي الجودة الاتساق: نحن نوفر مواد خام إنتاج ضخم وموثوق بها ومتسقة. وهذا يقلل من نفقات الضمان والصيانة الخاصة بمصنعي المعدات الأصلية.

إن شراء منتجات أومتش هو رهان طويل الأجل على موثوقية معداتك النهائية. وهذا يشكل قاعدة صلبة لخطة التحكم الصناعي بأكملها.

الاستخدامات السكنية مقابل الاستخدامات الصناعية

يعني اختيار نظام إمداد الطاقة وضع حد واضح بين الطور الواحد والطور الثلاثي بناءً على طاقة الحمل وبيئة التشغيل والمتطلبات الحاسمة.

ملفات تعريف الأحمال السكنية النموذجية

• الخصائص: طاقة تحميل منخفضة، تشغيل غير متواصل، أحمال مقاومة وإضاءة بشكل أساسي.
• هيمنة مرحلة واحدة: عادةً ما تستخدم المنازل والمكاتب الصغيرة طاقة أحادية الطور. تعمل الأجهزة المنزلية القياسية مثل المصابيح والثلاجات وأجهزة التلفاز وأجهزة الكمبيوتر الشخصية ومكيفات الهواء الصغيرة (أقل من 5 أطنان) بشكل جيد مع الطاقة أحادية الطور.
• نقطة الترقية: فقط في حالات استثنائية (مثل الورش المنزلية الكبيرة التي يجب أن تشغل ماكينات CNC، أو تركيب أنظمة تكييف مركزي ثلاثية الطور فائقة الطاقة/مضخة حرارية مركزية ثلاثية الطور) يجب أن تفكر في إضافة طاقة ثلاثية الطور جزئياً. ومع ذلك، فإن هذه الإضافة معقدة فيما يتعلق بالتصاريح والتكلفة.

التطبيقات الصناعية عالية الطلب

الطاقة ثلاثية الطور هي الأساس المتين للمواقع الصناعية والتجارية الكبيرة. تحتاج هذه المواقع إلى طاقة وثبات وكفاءة عالية جداً.

• كثافة طاقة عالية: يحتاج التصنيع الصناعي (مثل القولبة بالحقن والتشكيل والتعدين) وأنظمة التدفئة والتهوية وتكييف الهواء التجارية الكبيرة والمصاعد ومحطات الضخ الكبيرة إلى طاقة ثلاثية الطور لتشغيل المحركات عالية الطاقة.
• التشغيل المستمر: يجب أن تعتمد المواقع ذات الاستمرارية العالية جدًا للطاقة، مثل مراكز البيانات والمستشفيات ومحطات الاتصالات الأساسية، على الاستقرار العالي للطاقة ثلاثية الأطوار.
• الإرسال لمسافات طويلة: في توزيع الطاقة لمسافات طويلة داخل مباني المصنع، تكون الطاقة ثلاثية الطور هي الخيار الوحيد نظرًا لكفاءة نقلها الفائقة.

ضمان الموثوقية في الأتمتة الصناعية

نظام الأتمتة الصناعية هو وحدة واحدة متكاملة. وتعتمد موثوقيته على شبكة الطاقة الخارجية وكذلك على جودة توزيع الطاقة الداخلية والتحكم فيها.

حلول أومتش: توفير حلول موثوقة البنية التحتية لتجار الكهرباء العالمية

هناك العديد من المكونات المطلوبة في الأتمتة الصناعية لتعمل بشكل مستقر. تعتمد ربحية تجار الجملة وتجار التجزئة الذين يرغبون في خدمة السوق بكفاءة عالية وبتكلفة منخفضة على إدارة سلسلة التوريد. تقدم أومتش منتجات عالية الجودة. كما نقدم أيضًا الطريقة الأكثر ملاءمة لشراء الأجزاء:

• خبير الحاويات المختلطة: تمتلك أومتش ستة خطوط إنتاج تشمل أكثر من 3000 وحدة تخزين. نحن نوفر خط إنتاج واسع النطاق وتسليم مضمون في مكونات التحكم الصناعي الأساسية مثل مفاتيح الاستشعار، ومزودات الطاقة التحويلية، وأجهزة التشفير، والمرحلات الأخرى، والتوزيع التقليدي منخفض الجهد. نحن نتيح لعملائنا شراء أنواع عديدة من المنتجات بكميات صغيرة داخل حاوية واحدة. وهذا يقلل بشكل كبير من الضغط على مخزون التجار ويسرّع التدفق النقدي.
• القنوات العالمية والامتثال: الكل أومتش تتوافق المنتجات مع العديد من معايير اعتماد الدول. وهذا سيضمن لك حرية حركة مكونات الأتمتة الخاصة بك في السوق الدولية، مما يقضي على مشاكل دخول السوق.
• الميزة الفعالة من حيث التكلفة: تتمتع أومتش بأسعار تنافسية للغاية بسبب الإنتاج الكبير والقنوات المباشرة. وهذا يساعد تجار التجزئة عبر الإنترنت على تحقيق هوامش ربح أفضل في سوق مليء بالتحديات.

اختيار أومتش يعني اختيار شريك استراتيجي. يمكن لهذا الشريك تبسيط سلسلة التوريد الخاصة بك، وتحسين تكاليف المخزون، ومساعدتك على النمو في الأسواق العالمية.

التحجيم العملي والسلامة والتوصيلات الكهربائية

بعد فهم النظرية والتطبيقات، فإن الخطوة التالية هي إتقان التفاصيل الفنية الرئيسية للأنظمة ثلاثية المراحل في الاستخدام الواقعي.

حساب الحمل: kW مقابل kVA

في الهندسة الكهربائية، يعد حساب الحمولة بشكل صحيح أمرًا أساسيًا لتجنب نقص سعة النظام أو الإفراط في الاستثمار.

• الطاقة النشطة (كيلوواط): تتحول الطاقة في الواقع إلى طاقة ميكانيكية أو حرارة.
• القوة الظاهرة (كيلو فولت أمبير): إجمالي الطاقة التي يجب أن يوفرها نظام الإمداد.
• معامل القدرة (PF): PF= كيلوواط/كيلو فولت أمبير. بالنسبة للأنظمة الصناعية ذات الأحمال الحثية الكثيرة مثل المحركات، غالبًا ما يكون PF أقل من 1.
• حساب ثلاثي المراحل: يجب استخدام المعادلة kW=3
• ×VLine×I×PF. يجب أن يكون حجم جميع المعدات الرئيسية (المحولات والمولدات) على أساس الحد الأقصى القوة الظاهرة (كيلو فولت أمبير).

موازنة التحميل وتصميم النظام

موازنة الأحمال أمر حيوي للأنظمة ثلاثية المراحل.

• الحاجة إلى موازنة التحميل: يجب التأكد من أن التيار في المراحل الثلاث (L1،L2،L3) متوازن قدر الإمكان. يؤدي اختلال التوازن إلى أن يكون التيار المحايد كبيرًا بشكل مفرط (ارتفاع مفرط في درجة الحرارة وحريق) واختلال في الفولتية ثلاثية الأطوار (تلف شديد في عمر المحرك).
• تصميم النظام: عند تصميم لوحة التوزيع، يجب أن تكون الأحمال أحادية الطور موزعة بالتساوي على المراحل الثلاث. ويفضل ألا يتجاوز الفرق بين المراحل الثلاث 10 في المائة. وهذا يتطلب تصميمًا كهربائيًا احترافيًا ومراقبة مستمرة.

مخططات الأسلاك العملية

السلامة ملاحظة: في جميع أعمال الأسلاك، يجب عليك اتباع ما يلي بدقة التأريض و سلك محايد معايير لضمان سلامة النظام.

الاتجاهات المستقبلية والاختيار النهائي

يجب أن يتطلع اختيار نظام الطاقة إلى المستقبل. يستمر نمو الطاقة الجديدة والمركبات الكهربائية والشبكات الذكية في تغيير احتياجاتنا من الأنظمة أحادية الطور وثلاثية الطور.

تأثير شحن السيارات الكهربائية ودمج الطاقة الشمسية

1. مركبة كهربائية (EV) الشحن:
   1. الشحن البطيء (منزلي): يستخدم عادةً طاقة تيار متردد أحادي الطور.
   2. الشحن السريع (تجاري): تحتاج شواحن التيار المستمر السريعة (المستوى 3) إلى سحب طاقة هائلة من الشبكة. فهي يجب أن تعتمد على تيار متردد ثلاثي الطور المدخلات للتصحيح.
2. أنظمة الطاقة الشمسية (الشمسية):
   1. كبير فولتو فولتو النباتات: الاستخدام محولات ثلاثية الطور للاتصال بالشبكة، مما يضمن كفاءة عالية وحقن طاقة متوازن.
   2. تخزين الطاقة الأنظمة: تعتمد وحدات تخزين البطاريات الكبيرة أيضاً على واجهات ثلاثية المراحل للشحن والتفريغ.

تحتاج هذه التطبيقات الجديدة إلى طاقة عالية وتوازن عالٍ. وهي تؤكد كذلك دور الطاقة ثلاثية الطور باعتبارها جوهر البنية التحتية الكهربائية المستقبلية.

شجرة قرار الاختيار النهائي

فيما يلي مخطط انسيابي عملي من ست خطوات لاتخاذ القرار للعثور بسرعة على أفضل نظام:

الخلاصة: الموازنة بين الاستثمار والعائد

النظام أحادي الطور هو النظام الأنسب للاستخدام في المنازل والشركات الصغيرة لأنه غير مكلف وسهل الاستخدام. يتم توحيد جميع التطبيقات الصناعية والتجارية عالية الطلب على النظام ثلاثي الطور فقط نظرًا لكفاءته التي لا مثيل لها واستقراره وقدرته على الطاقة.

بالنسبة للعملاء في صناعة الأتمتة الصناعية والمكونات الكهربائية، فإن الخيار الأهم بالنسبة للعملاء في صناعة الأتمتة الصناعية والمكونات الكهربائية هو أن يكون لديهم شريك يوفر منتجات موثوقة وفعالة من حيث التكلفة ومعتمدة عالميًا ومدعومة من سلسلة التوريد. تلبي Omch هذه المتطلبات باعتبارها “سوبر ماركت المكونات”. فهي تساعد العملاء على العمل في السوق العالمية بطريقة مستقرة وفعالة من خلال خط إنتاجها الواسع وسلسلة التوريد القوية.