استشعار ومراقبة عمود الحث في الآلات الكهربائية

بالعادة يتم الكشف عن إمكانية استخدام استشعار الإجهاد (FBG) لتمكين التعرف على اختلال محاذاة العمود المتحرك في مجموعات محركات الماكينة (الآلة) الكهربائية من خلال مراقبة الضغط النسبي الموزع لإطار الماكينة، كما أنه تم وصف مبادئ الكشف والتصميم وطرق التثبيت للتقنية المقترحة بالتفصيل من خلال العديد من التجارب العملية.

الغرض من استشعار ومراقبة عمود الحث في الآلات الكهربائية

يُنظر إلى توليد الرياح البحرية بشكل متزايد على أنه عامل مهيمن في إزالة الكربون من إمدادات الطاقة، كما أنه ومن المتوقع أن تصبح أكبر مصدر للكهرباء في الاتحاد الأوروبي بحلول عام (2040)م، ومع نمو توربينات الرياح (WTs) في الحجم وقدرة الطاقة للاستفادة من إمدادات الرياح البحرية الأعلى والأكثر اتساقاً؛ فإن تعرضها للظروف البيئية القاسية في المواقع البعيدة عن الشاطئ يخلق تحديات للتشغيل والصيانة (O & M).

وغالباً ما يكون الوصول محدوداً و الصيانة إنها مكلفة بسبب متطلبات البنية التحتية للإصلاح المعقدة التي يفرضها موقع الجهاز وحجمه، لذلك فإن؛ تطوير تقنيات مراقبة (WT) أثناء الخدمة التي يمكن أن تساعد في اتخاذ قرارات الصيانة له أهمية كبيرة لأنه يمكن أن يزيد التوافر ويقلل من تكلفة التشغيل والصيانة العالية، بحيث يقدر حالياً بحساب (30٪) من إجمالي عمر المزارع البحرية.

كذلك؛ فإن تكلفة مجموعة نقل الحركة التوربينية حيث تقدم نفقات التشغيل والصيانة مساهمة كبيرة، كما من المتوقع أن تولد صناعة تشغيل وصيانة طاقة الرياح البحرية في المملكة المتحدة وحدها صناعة بقيمة (2) مليار جنيه إسترليني سنوياً على المستوى الوطني بحلول عام (2025)م، بحيث يُعتقد أن العديد من وفورات التكلفة اللازمة في هذا المجال ممكنة من خلال تطبيق أفضل الممارسات.

أيضاً تعتبر تقنيات الصيانة الاستباقية مدعومة بحلول محسنة لمراقبة الحالة، وفي هذا السياق تتطلب المعايير ذات الصلة لشهادة توربينات الرياح، بحيث تزويد محركات التوربينات بأنظمة مراقبة مناسبة لضمان سلامة مكوناتها الرئيسية (مثل المحامل والمولدات وعلبة التروس)، ومع قيام معظم الشركات المصنعة بتوسيعها بملكية خاصة.

التركيب الخاطئ للعمود المحاذي وتأثيره على أعطال الآلات الكهربائية

تشير الدراسات إلى أن محاذاة “العمود الخاطئة” تساهم في ما يصل إلى النصف من جميع “أعطال الآلات الدوارة”، كما ويمكن أن تؤدي إلى تعطل كبير وخسائر اقتصادية كبيرة إذا لم يتم اكتشافها في الوقت المناسب والمقرر، بحيث يتم تعريف المحاذاة على أنها حالة لا يتماشى فيها عمود دوران آلة القيادة والآلة المدارة مع نفس خط الوسط.

في حين أن ضمان التوافق الدقيق يمكن أن يمنع من حيث المبدأ عدداً كبيراً من الأعطال، بما في ذلك التوقف غير المخطط له وفقدان الإنتاج، ومن الناحية العملية؛ فإن المحاذاة تمثل تحدياً للاستمرار على مدى فترات الخدمة الممتدة وتحتاج بشكل مثالي إلى مراقبة مستمرة، حيث يتم اختراقها بشكل لا مفر منه من قبل عدد من العوامل الكامنة في نظام الدفع.

وفي أنظمة (WT) على وجه الخصوص؛ فنه يمكن أن تؤدي محاذاة العمود الخاطئة إلى قوى غير مرغوب فيها تؤدي إلى تلف أو تدمير المحامل وموانع التسرب والوصلات، وفي النهاية صندوق التروس والمولد الكهربائي، وبالتالي؛ فإن مراقبة وتشخيص المحاذاة الخاطئة لهما أهمية خاصة في مجموعات الدفع المعاصرة في (WT)، حيث يكون لقضايا اختلال محاذاة بيئة التشغيل البعيدة والقاسية أهمية خاصة في وقت التوقف عن العمل وتكاليف الإصلاح.

الاعتبارات الهندسية الخاصة بمحاذاة العمود الدوار في الآلات الكهربائية

التأثيرات الميكانيكية

بشكل عام، يمكن تصنيف وترتيب حالة العمود على النحو التالي، بالبداية اختلال موازٍ (أو تعويض) واختلال 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)، بحيث بهدف تحديد الاضطرابات الميكانيكية والحركية التي يمكن أن تنشأ من هذه الحالة.

أيضاً يمكن تمثيل اختلال محاذاة العمود الزاوي بشكل عام من خلال نظام بسيط يتضمن نموذج المفصل الرئيس، وهو الموضح في الشكل التالي (2)، وهنا تكون “زاوية المحاذاة” أيضاً تكون (β) وزاوية موضع المحرك الكهربائي، كذلك (m) التي تُستخدم لتعريف عدم المحاذاة الزاوي.

حيث أن:

(θl): هو البًعد الزاوي لعمود التحميل الجانبي.

(θk): هي الزاوية المساعدة والمحددة لتمثيل البُعد الزاوي الدوراني المشترك على جانب المحرك.

(l ،k): هما جانب تحميل المفصل والسرعة الزاوية للعمود الجانبي للمحرك.

(Tl ،Tk): هما جانب “الحمل الميكانيكي” المشترك وعزم دوران للعمود الجانبي للمحرك.

(Jm ،Jl): هما المحرك وقصور الحمل الكهربائي.

(Ka): هو ثابت مرونة الاقتران المرن.

ممارسة المراقبة

تستخدم التطبيقات الصناعية المتعارف عليها في مراقبة اختلال المحاذاة لعمود الماكينة الكهربائية، وعموماً هناك مستشعرين لمقياس التسارع الزاوي، بحيث يعملان عند الإزاحة المكانية بزاوية (90) درجة، كما أنه يعكس هذا حقيقة أن المحاذاة الزاويّة تسبب اهتزازاً محورياً عند التردد الدائري الأساسي (fr)، بينما ينتج عن المحاذاة المتوازية اهتزازاً شعاعياً عند ضعف تردد سرعة الدوران الأساسي (2fr).

كذلك يتم استخدام مقياسين للتسارع المعني، يكون أحدهما محورياً والآخر مثبتاً بشكل شعاعي على إطار الماكينة ولرصد إشارات الاهتزاز المحورية والقطرية بشكل منفصل يسمح بتحديد التأثيرات التي يسببها كلا النوعين من المحاذاة الخاطئة وبالتالي تشخيصها.

أيضاً تتولى أنظمة اكتشاف المحاذاة المطلوبة، من خلال تحليل “أطياف الاهتزاز” والحركة المكتسبة لاستخراج محددات مميزة لاختلال المحاذاة ومن المسلم به على نطاق واسع أن معظم المحاذاة الخاطئة هي مزيج من الإزاحة والزاوية، وبالتالي فإن؛ مكونات التردد الكهربائي (fr) و (2/fr) في كل من إشارات الاهتزاز الشعاعية والمحورية لوحظ لأغراض التشخيص.

استشعار وتصميم الأجهزة من خلال مبادئ (FBG)

يعتبر مستشعر (FBG) عبارة عن هيكل صغير مطبوع في قلب من الألياف الضوئية أحادية الوضع. يتم تصنيعه عن طريق إحداث تغيير دوري دائم (حواجز شبكية) في معامل انكسار قلب الألياف عن طريق تعريض قلب الألياف لنمط تداخل من ضوء الأشعة فوق البنفسجية.

كذلك عادةً ما يكون حجم مستشعر (FBG) صغيراً جداً (أي أن حجم الألياف الضوئية القياسي يبلغ قطره ≈ (125) مايكرومتر، بينما يتراوح طول رأس (FBG) عادةً من (2) إلى (20) مم، ومن حيث المبدأ يعمل مستشعر (FBG) كمرشح ضوئي يعكس طول موجة الضوء الضيق عندما تحتوي الألياف على رأس (FBG) مضاء بمصدر ضوء واسع النطاق.

وأخيراً يقدم هذا الطرح دراسة تطبيق مستشعر الإجهاد (FBG) لرصد وتشخيص ظروف المحاذاة الخاطئة في محركات الآلة الكهربائية، وبناءً على ملاحظة الإجهاد النسبي لإطار الماكينة؛ 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.

أيضاً تم تقييم أداء التقنية المبلغ عنها في الاختبارات المعملية على منشأة اختبار مولد الحث ذات التغذية المزدوجة، مما يسمح بإدخال متحكم فيه للمستوى المطلوب من اختلال الزاوية، بحيث توضح النتائج أن قياسات إجهاد (FBG) المقترحة على سطح إطار المولد يمكن أن تمكن من التعرف على وجود خطأ المحاذاة ومستواه واتجاهه.