الإطارات الثابتة ثلاثية الأطوار القياسية للآلات الكهربائية

أهمية الإطارات الثابتة ثلاثية الأطوار القياسية للآلات الكهربائية

شهد العقد الماضي اهتماماً أكاديمياً واسعاً بالآلات الكهربائية متعددة المراحل (الأطوار) وأنظمة التشغيل للتطبيقات الصناعية المختلفة، كما يمكن القول إن الاهتمام بأنظمة ترتيب المرحلة العالية هذه يمثل فرصة واعدة للوفاء بالمعايير الصارمة لبعض تطبيقات السلامة الحرجة، بحيث يبقى اختيار العدد الأمثل من المراحل خياراً مشكوكاً فيه لا يستلزم فقط العديد من المقايضات في التكلفة والتعقيد.

ولكنه أيضاً وفي الواقع هناك حالة تعتمد على التطبيق، وذلك على الرغم من أن استخدام الآلات متعددة الأطوار في التطبيقات الصناعية قد يكون قد بدأ منذ بضعة عقود، إلا أن الآلات ذات المراحل الست كانت سائدة منذ ذلك الحين في معظم التطبيقات، كما وقد تم إملاء ذلك بشكل أساسي من خلال قيود عملية وتكنولوجية مختلفة في هذه المرحلة المبكرة من التطور.

لذلك؛ فإن الأوراق الرئيسية المبكرة في الآلات متعددة الأطوار في الواقع لم توصي باستخدام عدد أولي من المراحل بسبب هذه القيود، ومع ذلك فقد أوضحت الدراسات الحديثة أن الآلات ذات العدد الأولي من الأطوار، بما في ذلك (خمس- سبعة- أو أحد عشر مرحلة)، لذلك من المحتمل أن تقدم العديد من المزايا الجذابة على الآلات ذات اللفات المتعددة ثلاثية الطور.

كما يتضمن ذلك كثافة عزم دوران أفضل من خلال الحقن التوافقي بدون مكونات أجهزة إضافية وإمكانية استخدام ملفات ذات طبقة واحدة مع الحفاظ على جودة عالية لتوزيع التدفق والقدرة الكهربائية على تحمل الأخطاء بشكل أفضل نسبياً.

في حين أنه من الإنصاف الاعتراف بأن الصناعة لا تزال مترددة في تبني هذه التكنولوجيا، كما ويبدو أن الآلات ذات مجموعات اللف المتعددة ثلاثية الطور هي الخيار المفضل في العديد من القطاعات الصناعية منذ التكنولوجيا ثلاثية الطور الراسخة، وبالتالي لا يزال من الممكن استخدام المحولات الكهربائية ثلاثية الطور الجاهزة للاستخدام.

وبالإضافة إلى ذلك يمكن في معظم الحالات إنشاء الأجزاء الثابتة ذات مجموعات اللف المتعددة ثلاثية الطور باستخدام إطارات ثابتة ثلاثية الطور بدون قيود كثيرة. في واقع الأمر، بحيث لا تزال جميع إطارات الجزء الثابت المتوفرة التي توفرها معظم الشركات المصنعة للمحركات الكهربائية مقصورة على التصميمات القياسية ثلاثية الطور، لذلك؛ فإن بناء إطار الجزء الثابت مع عدد من الفتحات المختلفة عن هذه الإطارات القياسية سيكون بالتأكيد مهمة مخصصة أعلى تكلفة، خاصة بالنسبة للتصاميم عالية الطاقة.

ترتيب المرحلة الأولية متعدد الأطوار باستخدام إطارات قياسية ثلاثية الطور

يتم تفصيل خطوات التصميم لإرجاع إطار ثابت ثلاثي الطور قياسي مع أي ملف (n-phase) له ترتيب أولي، بحيث يعتمد المفهوم ببساطة على نظرية (SoS) بافتراض ملف طبقة واحدة، حيث تشتمل كل مرحلة على عدد من الملفات المتصلة بالسلسلة مع عدد مختلف من المنعطفات، وبشكل عام وبناءً على العدد المتاح من الفتحات؛ تُستخدم نظرية (SoS) لحساب العدد المطلوب من المنعطفات لكل ملف بحيث يتم الحصول على جهد متوازن من الطور (n – emf) عبر جميع المراحل.

ولتحقيق هذا الهدف، سيشهد هذا التصميم الأولي أحادي الطبقة في الغالب تحويلاً ملحوظاً بين عدد الموصلات لكل فتحة في فتحات الجزء الثابت المختلفة، لذلك يتم استخدام مفهوم إزاحة الجزء الثابت، وذلك لتقليل هذا التحويل من خلال استخدام تصميم متعرج متعدد الطبقات، ومن أجل بساطة اللف؛ فإنه تم تقييد معيار التصميم الوارد في التخطيطات طبقة مزدوجة.

كما تم تقديم المفهوم الوارد في لعدد من الفتحات أو العمود الأكثر شيوعاً أي (6 ، 9 ، 12 ، 18) ولعدد من المراحل من (5 ، 7 ، 11)، كما وقد تم الانتهاء منه بناءً على تحليل العناصر المحدودة (FEA) أن الخيار الأفضل يبدو أنه الخيار الذي يتوافق مع عدد من الفتحات القريبة من أو أعلى من عدد فتحات الملف القياسي (n -phase).

على سبيل المثال، عادةً ما يستلزم الجزء الثابت القياسي خماسي الطور (20) فتحة أو زوج قطب (مع عدد من الفتحات / الطور / القطب q = 2)، كما تم إثبات فعالية الجزء الثابت المكون من (18) فتحة للحصول على ملف متوازن من خمس مراحل، وبالمثل؛ فإن الملف القياسي ذي الطور السبع ذي القطبين يستلزم 28 فتحة (q = 2)، بحيث سيكون أقرب إطار قياسي ثلاثي الأطوار يحتوي على (24) فتحة.

ومع ذلك؛ فإن الجزء الثابت المكون من (18) فتحة ينتج مكون تيار تسلسل ثانوي ملحوظ، وأخيراً يمكن استخدام الجزء الثابت المكون من (22) فتحة مع ملف مركَّز لبناء أحد عشر طوراً ثابتاً بتوزيع تدفق عالي الجودة، بحيث سيكون أقرب إطار قياسي ثلاثي الأطوار يحتوي على (24) فتحة.

كما يلخص الجدول التالي (1) قيم الفتحة أو العمود الممكنة لعدد مختلف من المراحل التي تنتج مخططات متعرجة مع طبقتين فقط مع توفير توزيعات تدفق عالية الجودة وعوامل تعبئة فتحة مقبولة، كما يوضح الشكل (1-4) التخطيطات المتعرجة لبعض الحالات المهمة، والتي يعتمد عليها التحليل المحدد في هذه الدراسة المفصلة.

مقارنة مع معيار متماثل متعرج (n- الطور)

على الرغم من أن المفهوم المقدم؛ فإنه ينتج بشكل عام تخطيطات متعرجة لها عدد إجمالي متساوٍ من الدورات ومقاومة متساوية للجزء الثابت لجميع المراحل؛ فإن الاختلاف في عدد الدورات للملفات المنفصلة التي تشتمل على كل مرحلة سيؤدي إلى درجة معينة من عدم التناسق في الجزء الثابت مقاومة المراحل المختلفة.

كما ويرجع ذلك إلى الاختلاف في مكونات محاثة التسرب للجزء الثابت بين الأطوار المختلفة، ومن ثم من أجل التحقق من أن تخطيطات اللف هذه يمكنها محاكاة أو تقريب اللفات القياسية المتناظرة على شكل (n) بنجاح، كما يجب التحقق من النقاط التالية رياضياً.

• يجب أن يكون مكون المغنطة، وبالتالي الحث الممغنط لجميع المراحل هو نفسه لجميع المتواليات.

• يجب أن تكون المكونات الذاتية والمتبادلة لمحاثة تسرب الجزء الثابت في المراحل المختلفة قريبة جداً من أجل تقليل عدم تطابق الممانعة بين المراحل.

• سيؤدي استخدام تحويل (VSD) القياسي لللفات المتناظرة ذات الطور (n) المعطى بواسطة المعالة التالية لتحليل متغيرات الطور لتخطيطات اللف المقترحة في النهاية إلى فضاءات فرعية منفصلة.

وبالنسبة مكونات تسلسل التمغنط الجريان مطلوب في هذا الدليل التحقق من أن مخططات اللف؛ ستوفر توزيع تدفق ممغنط مشابه، وبالتالي مكونات تدفق متسلسلة، مثل لف الطور (n) القياسي، كما يتم تنفيذ ذلك من خلال التحقيق في تعيين التدفق التوافقي بين المساحات الفرعية المتاحة لأوامر طور مختلفة ممثلة في الحالات التالية بافتراض تخطيطات متعرجة ثنائية القطب:

• لف تقليدي خماسي الأطوار باستخدام (20) فتحة للجزء الثابت.

• ملف مقترح خماسي الأطوار باستخدام (18) فتحة للجزء الثابت.

• الجزء الثابت التقليدي من سبع مراحل باستخدام الجزء الثابت ذو (28) فتحة.

• ملف مقترح بسبع مراحل باستخدام (18) فتحة للجزء الثابت.

• ملف مقترح بسبع مراحل باستخدام (24) فتحة للجزء الثابت.

• الجزء الثابت التقليدي ذو الطور الحادي عشر باستخدام الجزء الثابت ذو (22) فتحة.

• اللف المقترح من أحد عشر طوراً باستخدام (24) فتحة للجزء الثابت.