شرح فئات الاستخدام: AC-3 و AC-4 لموصلات الفراغ MV

ما هي فئات استخدام الملامسات الكهربائية للمحركات؟

تصنف فئات الاستخدام الملامسات الكهربائية وفقًا لظروف التبديل التي يجب أن تتحملها عند التحكم في أنواع أحمال معينة. بالنسبة لتطبيقات التحكم في المحركات ذات الجهد المتوسط، تحدد هذه الفئات حجم التيار وعامل القدرة وتردد التشغيل الذي يتعرض له الملامس أثناء عمليات التوصيل والقطع — وهي معلمات تحدد بشكل مباشر ما إذا كان الملامس الفراغي سيستمر في العمل طوال عمره التشغيلي المقصود أم سيفشل قبل الأوان.

أنشأت اللجنة الكهروتقنية الدولية نظام التصنيف هذا في المواصفة القياسية IEC 60947-4-1، في الأصل للموصلات الكهربائية ذات الجهد المنخفض. تتبع التطبيقات ذات الجهد المتوسط نفس تعريفات الفئات، مع متطلبات اختبار معدلة بموجب المواصفة القياسية IEC 62271-106 للموصلات الكهربائية ذات الجهد العالي ومشغلات المحركات القائمة على الموصلات الكهربائية.

تحدد كل فئة من فئات الاستخدام أربعة معايير أساسية:

• جعل التيار — الحد الأقصى لتيار الاندفاع الذي يجب أن يغلقه الموصل دون حدوث لحام التلامس
• كسر التيار — الحجم الحالي في لحظة انفصال التلامس
• معامل القدرة (cos φ) — يحدد العلاقة الطورية بين التيار والجهد، مما يؤثر بشكل مباشر على طاقة القوس الكهربائي
• التحمل الكهربائي — عدد عمليات التبديل التي يجب أن يتحملها الموصل في الظروف المحددة

بالنسبة للمحركات الحثية ذات القفص السنجابي — وهي النوع السائد من المحركات في التطبيقات الصناعية ذات الجهد المتوسط — هناك فئتان مهمتان للغاية: AC-3 و AC-4. ويتمحور الاختلاف بينهما حول سؤال واحد: في أي نقطة من منحنى تسارع المحرك يقوم الملامس بقطع التيار؟ وتحدد الإجابة ما إذا كان تآكل الملامس يتراكم تدريجياً على مدى مئات الآلاف من العمليات أم بسرعة في غضون عشرات الآلاف.

AC-3 مقابل AC-4: فهم الفرق الأساسي

يكمن الاختلاف الأساسي بين AC-3 و AC-4 في الضغط الكهربائي المفروض في لحظة فصل التلامس. ينطبق AC-3 على بدء تشغيل محركات القفص السنجابي وإيقافها أثناء التشغيل بالسرعة العادية. يغطي AC-4 عمليات البدء والتوصيل والتحريك البطيء والعكس حيث يجب أن يقطع التلامس تيار المحرك المقفل بشكل متكرر.

AC-3: تبديل المحرك في حالة التشغيل العادي

عندما يصل المحرك إلى السرعة القصوى، ينخفض التيار إلى مستويات التشغيل المقدرة قبل أن يفتح موصل الفراغ. وفقًا للمعيار IEC 60947-4-1 القسم 4.3.5.1، يجب أن تتعامل الملامسات المصنفة AC-3 مع تيارات تبلغ حوالي 6× التيار التشغيلي المقنن (Ie) أثناء بدء تشغيل المحرك، ولكن الانقطاع يحدث عند 1× Ie فقط. يتراوح معامل القدرة أثناء القطع عادةً من 0.85 إلى 0.90، مما يقلل من طاقة القوس بشكل كبير أثناء فصل التلامس.

في عمليات النشر الميداني عبر منشآت البتروكيماويات ومحطات معالجة المياه، يمثل AC-3 سيناريو التبديل الأكثر شيوعًا. يقلل التيار الكهربائي المعاكس للمحرك بشكل كبير من جهد الاسترداد الذي يظهر عبر فجوة الفراغ. تظهر الاختبارات الميدانية على موصلات الفراغ 7.2 كيلو فولت تيارات انقطاع تتراوح من 200 أمبير إلى 400 أمبير لتطبيقات المحركات النموذجية، مع مسافات فجوة تلامس تتراوح من 6 إلى 10 ملم توفر قوة عازلة كافية.

AC-4: تبديل المحركات في الظروف القاسية

في ظل ظروف AC-4، يجب أن يقطع موصل الفراغ التيار عند 6× Ie مع معامل قدرة يبلغ 0.35 إلى 0.40 فقط. لا توجد مساعدة من قوة الدفع الكهرومغناطيسية العكسية لأن الدوار يظل ثابتًا أو يعكس اتجاهه. يجب أن يطفئ قاطع الفراغ القوس الكهربائي مع تدفق التيار الكامل المتوقع عبر أسطح التلامس CuCr عند الجهد الكامل للخط.

تفسر علاقة طاقة القوس شدة الحالة:

طاقة القوس ∝ I² × t × (1 – cos φ)

يعني معامل القدرة المنخفض أن التيار والجهد الكهربائي غير متزامنين بشكل كبير، مع حدوث تقاطعات صفرية للتيار تحت ضغط جهد استرداد أعلى. وهذا يترجم إلى تسخين قوسي مكثف، وتآكل أكبر لمواد النحاس والكروم لكل عملية، وتراكم أسرع لتآكل فجوة التلامس.

---

[رؤية الخبراء: ملاحظات ميدانية حول أداء AC-3/AC-4]

• تُظهر أنظمة النقل في المناجم التي تعمل بشكل متكرر أن الملامسات المصنفة فقط للخدمة AC-3 تتعرض لتآكل سريع عند تعرضها لدورات AC-4 متكررة.
• يحقق الموصل الذي يحقق مليون عملية في وضع AC-3 عادةً ما بين 100,000 و 150,000 عملية فقط في ظل ظروف AC-4 بنفس تصنيف التيار.
• تصل معدلات تآكل التلامس في ظل ظروف التشغيل AC-4 إلى 0.01-0.02 مم لكل 1000 عملية مقابل 0.002-0.005 مم في ظل ظروف التشغيل AC-3.
• عادة ما تشهد الصناعات التحويلية 100-300 عملية في اليوم؛ وقد تتجاوز تطبيقات AC-4 50 دورة تحريك بطيئة في كل نوبة عمل.

---

جدول مقارنة فئات مكيفات الهواء الكاملة

يحدد إطار عمل IEC فئات متعددة لاستخدام التيار المتردد، كل منها تتناول أنواع أحمال وظروف تبديل محددة. بالنسبة للموصلات الفراغية ذات الجهد المتوسط التي تتحكم في المحركات الحثية ذات القفص السنجابي، تهيمن المواصفات AC-3 و AC-4، على الرغم من أن فهم المجموعة الكاملة يوفر السياق.

الفئة	التطبيق	جعل التيار	كسر التيار	cos φ
AC-1	أحمال غير حثية أو حثية قليلاً	1.5 × Ie	أي	0.95
AC-2	محركات الحلقة المنزلقة: التشغيل والإيقاف	2.5 × Ie	2.5 × Ie	0.65
AC-3	محركات القفص السنجابي: بدء التشغيل، التشغيل، التوقف	6 × Ie	أي	0.35
AC-4	محركات قفص السنجاب: التوصيل، التحريك البطيء، التحريك المتقطع	6 × Ie	6 × Ie	0.35

يكمن الاختلاف الجوهري في عمود التيار المقطوع. يفترض AC-3 انقطاع محرك يعمل بسرعة قريبة من السرعة القصوى — حيث انخفض التيار إلى مستويات التشغيل المقدرة. يفترض AC-4 انقطاعًا في حالة أو قريبة من حالة المحرك المقفل: تيار أعلى بست مرات مع طاقة قوس كهربائي أكبر بكثير يجب إطفاءها.

ينطبق AC-2 بشكل خاص على المحركات ذات الحلقات المنزلقة (الدوار الملفوف)، والتي لها خصائص بدء تشغيل مختلفة وهي أقل شيوعًا في التركيبات الحديثة ذات الجهد المتوسط. يغطي AC-1 الأحمال المقاومة والحمل الاستقرائية الخفيفة مثل عناصر التسخين — والتي نادرًا ما تكون الشاغل الرئيسي لاختيار موصلات الفراغ في تطبيقات التحكم في المحركات.

تشمل معلمات AC-3 الهامة ما يلي: التحمل الكهربائي ≥ 1 × 106 دورة تشغيل عند التيار المقنن، والتحمل الميكانيكي حتى 3 × 106 عملية، ومعدلات تآكل التلامس عادةً. < 0.1 ميكروغرام لكل أمبير ثانية من مدة القوس الكهربائي.

بالنسبة للمهندسين الذين يحددون موصلات الفراغ MV، يصبح السؤال واضحًا: هل سيتم إيقاف هذا المحرك قبل أن يصل إلى السرعة القصوى؟ إذا كانت الإجابة نعم، فإن AC-4 ينطبق. إذا كان المحرك يعمل دائمًا بالسرعة القصوى قبل التوقف، فإن AC-3 يكفي.

كيف يؤثر التيار المتردد AC-4 على ملامسات قاطع الفراغ

تتحمل نقاط التلامس CuCr (النحاس والكروم) لمقاطع الفراغ الكهربائي العبء الكامل لشدة التيار المتردد AC-4. إن فهم آلية التآكل يفسر سبب تأثير اختيار فئة الاستخدام بشكل مباشر على فترات الصيانة وتكلفة العمر الافتراضي.

أثناء انقطاع التيار المتردد ثلاثي الأطوار (AC-3)، ينتشر القوس الكهربائي الفراغي المنتشر عبر سطح التلامس، مما يؤدي إلى توزيع الطاقة الحرارية بشكل متساوٍ نسبيًا. تكون شدة التيار منخفضة (1× Ie)، ويعني معامل القدرة المواتي أن مدة القوس الكهربائي قبل وصول التيار إلى الصفر تكون قصيرة. تظل خسارة مادة التلامس لكل عملية ضئيلة.

تؤدي ظروف AC-4 إلى سلوك قوس كهربائي مختلف تمامًا. عند 6× Ie مع معامل قدرة 0.35، ينتقل القوس الكهربائي من الوضع المنتشر إلى الوضع المقيد. تتركز الطاقة في نقاط محددة على سطح التلامس، مما يتسبب في:

• تسخين مكثف موضعي يتجاوز 3000 درجة مئوية عند جذور القوس
• تآكل تفضيلي للكروم من مصفوفة CuCr
• ترسيب بخار معدني على الدرع المحيط
• زيادة تدريجية في مقاومة التلامس على مدار العمر التشغيلي

توفر نقاط التلامس القياسية CuCr التي تحتوي على 25-50% من الكروم الأساس لتشغيل المحرك. بالنسبة للخدمة الشاقة AC-4، قد يحدد المصنعون ما يلي:

• محتوى كروم أعلى (حتى 75%) لتحسين مقاومة تآكل القوس الكهربائي
• CuCr المكرر بالحبوب مع بنية مجهرية محكومة لأداء ثابت عبر نطاقات درجات الحرارة
• تصميمات التلامس المغناطيسي الحلزوني أو الشعاعي التي تستخدم مجالات مغناطيسية ذاتية التوليد لتدوير القوس، وتوزيع التآكل على كامل سطح التلامس

يجب أن تحافظ فجوة التلامس — التي تتراوح عادةً بين 8 و12 ملم للموصلات MV المصنفة بقدرة 7.2 كيلو فولت — على قوة عازلة كافية حتى مع تراكم التآكل. يتيح مستوى الفراغ الأقل من 10⁻³ باسكال إزالة أيونات أقواس بخار المعدن بسرعة، ولكن الانقطاعات المتكررة عالية الطاقة تؤدي إلى تدهور البيئة الداخلية تدريجيًا من خلال تلوث الدرع واستنفاد الماص.

للحصول على فهم أعمق لتصميم قاطع الفراغ وفيزياء إطفاء القوس الكهربائي، راجع دليلنا الكامل: ما هو قاطع الفراغ وكيف يعمل؟

---

[رؤية الخبراء: إدارة الحياة الاتصالية]

• العمر الكهربائي في ظل تشغيل AC-4 هو عادةً 10-20% من عمر AC-3 لنفس إطار الموصل
• يجب أن تؤدي مؤشرات تآكل التلامس (إن وجدت) إلى إجراء فحص عند 70-80% من حد التآكل المحسوب.
• يمكن أن تطيل ملامسات الحقل اللولبي عمر AC-4 بنسبة 30-50% مقارنة بملامسات التوصيل عند التصنيفات المكافئة
• تصبح اتساق آلية التشغيل أمراً بالغ الأهمية: يؤدي التباين في سرعة الإغلاق إلى تسريع التآكل غير المتساوي للاتصال

---

التطبيقات في العالم الواقعي: متى يتم تحديد كل فئة

تطابق فئة الاستخدام مع دورة العمل الفعلية يمنع حدوث عطل مبكر وتضخم غير ضروري. إن ملف تعريف التطبيق — وليس لوحة بيانات المحرك وحدها — هو الذي يحدد المواصفات الصحيحة.

التطبيقات النموذجية لـ AC-3 في أنظمة MV:

• محركات المضخات في منشآت معالجة المياه والبتروكيماويات التي تعمل بشكل مستمر أو شبه مستمر
• محركات المراوح والمنافيخ في أنظمة التدفئة والتهوية وتكييف الهواء وأنظمة التهوية الصناعية
• محركات ناقلات ذات تسلسلات تشغيل/إيقاف قياسية حيث تصل المحركات إلى السرعة القصوى
• محركات الضاغط التي تعمل في دورات تلقائية مع وقت تسارع مناسب

تشترك هذه التطبيقات في خاصية مشتركة: يتسارع المحرك إلى سرعة التشغيل قبل أمر التوقف. يقطع الموصل التيار المقنن فقط في ظل ظروف معامل القدرة المواتية.

التطبيقات النموذجية لـ AC-4 في أنظمة MV:

• محركات الرافعات والرافعات التي تتطلب تحديد المواقع بدقة من خلال الحركة البطيئة
• عكس محركات المطاحن في إنتاج الصلب باستخدام عمليات السد
• أجهزة التحكم في المصاعد والمحركات مع تغييرات متكررة في الاتجاه
• محركات الفهرسة على خطوط التصنيع الآلية
• أي تطبيق يوقف المحرك قبل أن يصل إلى السرعة القصوى

تشكل عمليات التعدين تحديًا خاصًا. قد تعمل أنظمة النقل بشكل أساسي في الوضع AC-3، ولكنها تتطلب التشغيل المتقطع من حين لآخر من أجل وضع الصيانة. سيتعرض الملامس المخصص حصريًا للعمل في الوضع AC-3 إلى تآكل متسارع خلال دورات AC-4 هذه.

حساب الرسوم المختلطة

غالبًا ما تجمع التطبيقات الواقعية بين كلا النوعين من الأحمال. تسمح طريقة IEC بحساب التآكل المكافئ:

عمليات AC-3 المكافئة = عمليات AC-3 + (k × عمليات AC-4)

يتراوح المضاعف k عادةً بين 3 و 10 اعتمادًا على بيانات الاختبار الخاصة بالشركة المصنعة. بالنسبة للرافعة التي تقوم بـ 50 عملية بدء/إيقاف عادية و 5 دورات بطيئة يوميًا، قد يكون التآكل المكافئ لـ AC-3 هو 50 + (5 × 8) = 90 عملية في اليوم بدلاً من 55.

استكشف مجموعتنا الكاملة من الملامسات الفراغية المصممة خصيصًا لخدمة AC-3 و AC-4: مصنع موصلات الفراغ

اختيار فئة الاستخدام الصحيحة

يتطلب الاختيار الصحيح للفئة تحليل ملف التشغيل الفعلي بدلاً من تطبيق عوامل أمان عامة. هناك أربعة أسئلة توجه التقييم:

1. كم عدد العمليات في الساعة؟ تكرار الدوران الذي يتجاوز 30 مرة في الساعة يشير إلى ضرورة النظر في استخدام AC-4 حتى في حالة التشغيل “العادي” ظاهريًا.
2. هل توقف المحرك قبل الوصول إلى السرعة القصوى؟ أي إجابة بالإيجاب تشير إلى متطلبات AC-4
3. هل يتضمن التطبيق عكس الاتجاه أو التوصيل؟ هذه العمليات هي تعريفياً AC-4
4. ما هو العمر الافتراضي المستهدف للموصل؟ تتطلب التطبيقات عالية الدورات تصنيفًا دقيقًا

واقع التخفيض

لا يمكن لموصل مصنّف للعمل في AC-3 أن يخدم ببساطة تطبيقات AC-4 بنفس تصنيف التيار. تشمل الطرق القياسية ما يلي:

المعلمة	تصنيف AC-3	تصنيف AC-4 (نفس الإطار)
التيار التشغيلي المقنن	400 أمبير	200 نموذجي
التحمل الكهربائي	500,000–2,000,000 عملية	100,000–500,000 عملية
تآكل التلامس لكل 1000 عملية	0.002–0.005 مم	0.01-0.02 مم

يحافظ اختيار حجم إطار أكبر على التصنيف الحالي المطلوب في ظل ظروف AC-4. تقدم بعض الشركات المصنعة مواد تلامس محسّنة — التنغستن والنحاس (WCu) أو كربيد التنغستن والفضة (AgWC) — للاستخدامات الشاقة التي لا يمكن فيها زيادة حجم الإطار.

التحقق من المعايير

يجب على الشركات المصنعة إثبات الامتثال من خلال اختبار النوع وفقًا للمعيار IEC 62271-106 [التحقق من المعيار: تأكيد أن الإصدار الحالي ينطبق على فئة الجهد المحددة]. تختبر اختبارات النوع قدرة التشغيل والقطع عند قيم الفئة المقدرة، والتحمل الكهربائي من خلال دورات اختبار مخفضة مستقراء إلى العمر المقدرة، ومقاومة العزل الكهربائي بعد عمليات التبديل.

عند إعداد المواصفات الخاصة بشراء موصلات الفراغ، يرجى الرجوع إلى دليلنا التفصيلي: قائمة مراجعة طلب عرض الأسعار من VCB: المتطلبات الفنية

موصلات فراغية XBRELE MV لخدمة AC-3 و AC-4

تقوم شركة XBRELE بتصنيع موصلات فراغية متوسطة الجهد تتراوح من 3.6 كيلو فولت إلى 12 كيلو فولت، مصممة لتوفير أداء موثوق به في فئتي الاستخدام AC-3 و AC-4. تتميز قواطع الفراغ الخاصة بنا بمواد تلامس CuCr محسنة مع محتوى كروم متحكم فيه لخصائص تآكل قوس ثابتة طوال العمر التشغيلي.

يخضع كل موصل لاختبارات روتينية للتحقق من قدرة تحمل الجهد الكهربائي لتردد الطاقة، ومقاومة الدائرة الرئيسية، ومعلمات التشغيل الميكانيكي. تتوفر تقارير اختبار النوع التي تشير إلى فئات استخدام محددة عند الطلب، وتوفر الوثائق المطلوبة لمواصفات المشروع وبرامج ضمان الجودة.

بالنسبة للتطبيقات التي تتضمن مهام AC-3/AC-4 مختلطة أو ملفات تشغيل غير عادية، يقدم فريقنا الهندسي استشارات فنية لتحديد الحجم المناسب واختيار مواد التلامس. سواء كان تطبيقك يتضمن التحكم القياسي في محرك المضخة أو عمليات رافعة صعبة مع دورات تباطؤ متكررة، فإن مطابقة فئة الاستخدام المناسبة تضمن أداء تبديل موثوق وفترات صيانة يمكن التنبؤ بها.

للحصول على إرشادات حول اعتبارات بيئة التثبيت، راجع مورد الاختيار الخاص بنا: دليل اختيار VCB الداخلي مقابل الخارجي

للاطلاع على متطلبات الاختبار الكاملة وتعريفات فئات الاستخدام، يرجى الرجوع إلى المعايير المنشورة من قبل اللجنة الكهروتقنية الدولية.

---

الأسئلة المتكررة

السؤال 1: ما الذي يحدد ما إذا كان تطبيقي يتطلب موصلات مصنفة AC-3 أو AC-4؟
A1: العامل الرئيسي هو ما إذا كان المحرك يصل إلى سرعة التشغيل الكاملة قبل فتح الملامس. إذا كان المحرك يتسارع دائمًا بشكل كامل قبل التوقف، فإن AC-3 ينطبق. إذا كانت العمليات تتضمن التشغيل المتقطع أو التشغيل البطيء أو التوصيل أو أي توقف قبل الوصول إلى السرعة الكاملة، فإن متطلبات AC-4 تحكم اختيار الملامس.

السؤال 2: إلى أي مدى يقلل واجب AC-4 من عمر خدمة موصل الفراغ مقارنة بـ AC-3؟
A2: عادةً ما تنخفض القدرة على التحمل الكهربائي في ظروف AC-4 إلى 10-30% من عمر AC-3 لإطارات الملامسات المتطابقة، ويرجع ذلك أساسًا إلى زيادة تيار القطع و طاقة القوس المرتبطة به بمقدار ستة أضعاف في كل عملية.

السؤال 3: هل يمكنني تطبيق عامل أمان على موصل مصنف AC-3 لعمليات AC-4 عرضية؟
ج 3: تتطلب عمليات AC-4 العرضية حسابات تآكل مكافئة بدلاً من عوامل أمان بسيطة. اضرب عدد دورات AC-4 في 3-10 (وفقًا لبيانات الشركة المصنعة) وأضفها إلى عمليات AC-3 لتقدير التراكم الحقيقي لتآكل التلامس.

السؤال 4: ما هي مواد التلامس الأكثر ملاءمة للاستخدام في ظروف التشغيل القاسية AC-4 في موصلات الفراغ MV؟
A4: توفر سبائك CuCr عالية الكروم (50–75% Cr) ذات البنية المجهرية المكررة مقاومة فائقة للتآكل القوسي، بينما تعمل هندسة التلامس الحلزونية على توزيع طاقة القوس عبر سطح التلامس لتقليل التآكل الموضعي.

س 5: كيف يمكنني التحقق من أن موصل الفراغ مصنّف بشكل صحيح لفئة الاستخدام المحددة لدي؟
A5: اطلب شهادات اختبار النوع التي تشير إلى فئة الاستخدام المحددة والتصنيف الحالي لتطبيقك. يجب أن تثبت الاختبارات وفقًا للمعيار IEC 62271-106 القدرة على التشغيل والقدرة على القطع والتحمل الكهربائي في الفئة المعلنة.

س 6: هل يؤثر جهد التشغيل على متطلبات فئة الاستخدام؟
A6: تنطبق تعريفات فئات الاستخدام بشكل متسق عبر فئات الجهد الكهربائي، ولكن الجهد الكهربائي العالي للنظام يزيد من ضغط الجهد الكهربائي أثناء الانقطاع، مما يجعل اختيار الفئة المناسبة أكثر أهمية بالنسبة لتطبيقات 7.2 كيلو فولت و 12 كيلو فولت.

السؤال 7: ما هي مؤشرات الصيانة التي تشير إلى أن الملامس قد تجاوز فئة الاستخدام المقننة له؟
A7: تشير قياسات مقاومة التلامس المتزايدة، وأوقات القوس الكهربائي الأطول أثناء الانقطاع، وتآكل التلامس المرئي الذي يتجاوز حدود الشركة المصنعة، وانخفاض قدرة التحمل العازلة الكهربائية، إلى تراكم الضغط الذي قد يتجاوز افتراضات التصميم للفئة المصنفة.