اختلال محاذاة عمود التغذية المزدوج للمولد الكهربائي الحثي

معالجة اختلال محاذاة عمود التغذية المزدوج للمولد الكهربائي الحثي

يُنظر إلى توليد الرياح البحرية على أنه عامل مهيمن في إزالة الكربون من إمدادات الطاقة لدينا ومن المقرر أن يصبح أكبر مصدر للكهرباء في الاتحاد الأوروبي بحلول عام 2040م، ومع تزايد حجم توربينات الرياح (WTs) في الحجم وقدرة الطاقة لاستغلال موارد الرياح الأعلى والأكثر اتساقاً في الخارج؛ فإن تعرضها للظروف المحيطة القاسية في المواقع البعيدة عن الشاطئ يخلق تحديات للتشغيل والصيانة (O&M).

وغالباً ما يكون الوصول محدوداً وتكلفة الصيانة بسبب متطلبات البنية التحتية للإصلاح المعقدة التي يفرضها موقع الجهاز ومقياسه، وبالتالي؛ فإن تطوير تقنيات المراقبة أثناء الخدمة التي يمكن أن تساعد في اتخاذ قرارات الصيانة له أهمية كبيرة لأنه يمكن أن يحسن التوافر ويقلل من التكلفة العالية للتشغيل والصيانة، كما يقدر هذا حالياً بحوالي (30٪) من إجمالي عمر المزرعة البحرية التكلفة، حيث تكون نفقات التشغيل والصيانة لنظام الدفع التوربيني مساهماً رئيسياً.

كما أنه من المتوقع أن تشكل صناعة التشغيل والصيانة للرياح البحرية في المملكة المتحدة وحدها صناعة بقيمة (2) مليار جنيه إسترليني سنوياً على الصعيد الوطني بحلول عام 2025م، كما أنه يُعتقد أن الكثير من تكاليف التوفير اللازمة في هذا المجال ممكنة من خلال تنفيذ أفضل تقنيات الصيانة الاستباقية المدعومة بحلول محسنة لمراقبة الحالة.

وفي هذا الصدد، تتطلب المعايير ذات الصلة للحصول على شهادة توربينات الرياح، كذلك تزويد محركات التوربينات بأنظمة مراقبة مناسبة لتمكين فهم سلامة مكوناتها الرئيسية (مثل المحامل والمولد وعلبة التروس) مع معظم الشركات المصنعة التي تتوسع مع أنظمة الملكية تهدف إلى مراقبة مجموعة أوسع من أنظمة الدفع وأنماط فشل الجهاز المرتبطة بها.

كما تشير التقديرات إلى أن محاذاة العمود الخاطئة تساهم في ما يصل إلى (50٪) من جميع أعطال الآلات الدوارة، كما ويمكن أن تؤدي إلى تعطل كبير وخسائر اقتصادية إذا لم يتم اكتشافها في الوقت المناسب، بحيث يتم تعريف المحاذاة الخاطئة على أنها حالة لا يتم فيها محاذاة عمود الماكينة الدافعة وعمود الماكينة المدفوعة مع نفس خط الوسط.

التأثيرات الميكانيكية لمحاذاة العضو الدوار

بشكل عام، يمكن تصنيف حالة محاذاة العمود على النحو التالي، وهو اختلال موازٍ (أو تعويض)، كما أن اختلال زاوي أو مزيج من الاثنين، بحيث يراجع هذا القسم السمات الميكانيكية لسلوك عمود الدوران المقترن في وجود اختلال الزاوي، وذلك كما هو موضح في الشكل التالي (1)، بهدف تحديد الاضطرابات الميكانيكية التي يمكن أن تنشأ من هذه الحالة.

كما يمكن تمثيل اختلال محاذاة العمود الزاوي عموماً بواسطة نظام مبسط يتضمن نموذج المفصل العام، وذلك كما هو موضح في الشكل التالي (2)، وهنا يتم استخدام زاوية المحاذاة الخاطئة وزاوية موضع المحرك الكهربائي، حيث أن (θm) لتعريف الاختلال الزاوي.

وفي الشكل (2) تعتبر (l) هو الموضع الزاوي لعمود جانب التحميل، (k) هي الزاوية المساعدة المحددة لتمثيل الموضع الزاوي الدوراني المشترك على جانب المحرك (l ،k) هما جانب الحمل المشترك والسرعة الزاوية للعمود الجانبي للمحرك، (Tl ، Tk) هي جانب الحمل المشترك وعزم دوران العمود الجانبي للمحرك، (Jm ، Jl) هما المحرك وقصور الحمل و (Ka) هو ثابت مرونة الاقتران المرن.

لذلك يتيح النموذج المبسط إجراء تحليل تحليلي للطبيعة العامة لإشارة عزم الدوران وبالتالي اضطرابات إشارة الاهتزاز النظيرة الناشئة عن وجود اختلال في المحاذاة الزاويّة، أيضاً العلاقات الحركية الأساسية للمفصل العام راسخة وتعطي العلاقة بين الحمل والأعمدة الحركية إزاحة الزاوية (l ، k) لمفصل منحرف (β) درجة.

كما يتم الحصول على السرعة الزاوية لعمود المحرك عن طريق التمايز بين تعبير الزاوية في المعادلة السابقة للحصول على:

وبافتراض ثبات القوة بين الحمل وجانب المحرك يسمح لكتابة التعبير المتعلق بالحمل وعزم دوران جانب المحرك والسرعات:

كما يتم الحصول على عزم الدوران المنقول من الحمل الكهربائي إلى جانب المحرك عبر نموذج المفصل العالمي المنحرف عن طريق استبدال المعادلة (2) في المعادلة (3) لإعطاء:

والتي يمكن إعادة ترتيبه بسهولة إلى المصطلح التالي:

ومن أجل الوضوح؛ فإن الإزاحة الزاوية للحمل (θl = 2πfrt)، حيث أن (fr) هو تردد الدوران الأساسي لعمود التحميل (fr = ωr / 2π)، كما يصبح من الواضح أن وجود محاذاة زاويّة سيؤدي بشكل أساسي إلى ظهور نبضات إشارة عزم الدوران عند ضعف الدوران تردد السرعة (على سبيل المثال 2fr)، عادةً ما يُتوقع نقل نبضات عزم الدوران إلى اهتزاز إطار الآلة المقابل عند ترددات متطابقة.

وبالتالي يمكن توقع عموماً أن تظهر على شكل تشوه إطار تردد متطابق (إجهاد)، وعلاوة على ذلك أشارت الممارسة العامة والبحث حول مراقبة اختلال المحاذاة الزاوي إلى أن اهتزاز الإطار المتزايد عند تردد الدوران الأساسي ممكن أيضاً مع عدم المحاذاة الزاويّة.

ممارسة المراقبة الحثيثة لدوران المولد الكهربائي

تستخدم الممارسة الصناعية الشائعة في مراقبة اختلال محاذاة عمود الماكينة الكهربائية عموماً، وهم مستشعرين لمقياس التسارع، بحيث يعملان عند الإزاحة المكانية بزاوية (90) درجة، كما يعكس هذا حقيقة أن المحاذاة الزاويّة تسبب اهتزازاً محورياً عند تردد الدوران الأساسي (fr)، بينما ينتج عن المحاذاة المتوازية اهتزازاً شعاعياً عند ضعف تردد سرعة الدوران الأساسي (2fr).

وباستخدام مقياسين للتسارع، والتي أحدهما يكون محورياً والآخر مثبتاً بشكل قطري على إطار الماكينة، وذلك لرصد إشارات الاهتزاز المحورية والقطرية بشكل منفصل يسمح بتحديد التأثيرات التي يسببها كلا النوعين من المحاذاة الخاطئة وبالتالي تشخيصها.

كما تتولى أنظمة كشف المحاذاة التجارية تحليل أطياف الاهتزاز الملتقطة لاستخراج محددات مميزة لاختلال المحاذاة، كما أنه من المسلم به على نطاق واسع أن معظم المحاذاة الخاطئة هي مزيج من الإزاحة والزاوية، وبالتالي فإن كلا من مكونات التردد الكهربائي (fr) و (2 fr) في كل من إشارات الاهتزاز الشعاعية والمحورية لوحظ لأغراض التشخيص.

كما أنه من الأساليب الشائعة المستخدمة في الممارسة العملية ملاحظة النسبة بين مقادير مكونات (2fr و fr)، والمشار إليها في نص آخر كـ (M2fr و Mfr) على التوالي، في إشارات تسريع الإطار ومراقبة تغير اتساعها، وفي حالة وجود اختلال في النظام، كما تكون قيمة مؤشر تشخيص اختلال المحاذاة أعلى من الطبيعي (على سبيل المثال في ظروف النظام الصحي)، حيث (m = | M2fr / Mfr |).

وأخيراً قدمت هذه الدراسة تطبيقياً لمستشعر الإجهاد (FBG) لرصد وتشخيص ظروف المحاذاة الخاطئة في مجموعات قيادة الآلة الكهربائية، وذلك بناءً على ملاحظة الإجهاد النسبي لإطار الماكينة، كما تمكّن الطريقة المقترحة من التعديل التحديثي المباشر للآلات الموجودة، كما ويظهر أن لديها القدرة على توفير وسيلة فعالة للقياس الموزع ورصد التأثيرات الناتجة عن المحاذاة الخاطئة.