التحكم في الآلات المتزامنة الكبيرة بتعديل عرض النبضات

الضرورة من التحكم في الآلات المتزامنة الكبيرة بتعديل عرض النبضات

يتطلب إنتاج آلات الأسمنت تكسيراً متكرراً للجزيئات بشكل مستمر يسمى “كلنكر”، حيث أن الأسمنت المنتج بواسطة فرن دوار يتم طحنه إلى مسحوق متناهي في حجم الجزيئات الصغيرة، كما يتم اتباع نفس الإجراء في تعدين النحاس، بحيث يُطحن خام النحاس المسحوق إلى مسحوق، كما يُستخرج منه محتوى النحاس في عملية كيميائية.

لذلك يعتبر إنتاج المسحوق الناعم فعالاً في المطاحن شبه المستقلة (SAG)، كما يوضح الشكل التالي (1) بناء مطحنة (SAG)، بحيث يتكون من أسطوانة جوفاء دوارة يبلغ قطرها حوالي (12) متراً، كما أن مجموعتان من المحامل في الهياكل ذات الشكل الدائري تدعمان الأسطوانة للسماح لها بالدوران، بحيث تحتوي محركات الأقراص المتطورة بدون تروس على حوالي (76) عموداً بارزاً متصلة بأسطوانة المطحنة.

كما أنها تشكل الدوار لمحرك حلقي متزامن متحمس بشكل منفصل، بحيث يتم تثبيت الجزء الثابت بشكل منفصل على الطابق السفلي، كما يتم تغذيته بواسطة محول حلقي مبادل للحمل مع معدل قدرة نموذجياً 20 ميغاوات عند أقصى تردد أساسي يبلغ (6) هرتز، كما المحول مجهز بالثايرستور، وهي أقوى أجهزة أشباه الموصلات المتاحة.

كما يظهر الجزء الداخلي من مطحنة (SAG) كمقطع عرضي في الشكل السابق (2)، بحيث تشير المنطقة المظللة في الجزء الأيمن السفلي إلى مكان مواجهة مادة الطحن وعدد من الكرات الفولاذية، كما تدور الأسطوانة في اتجاه عكس اتجاه عقارب الساعة، مما يرفع الكرات الفولاذية والكتل كبيرة الحجم من المواد غير المؤرضة إلى مستوى معين.

لذلك ستسقط هذه الأشياء في النهاية في الجزء السفلي من الأسطوانة، مما يؤدي إلى تحطيم المواد غير المؤرضة هناك إلى قطع أصغر، وأخيراً تعود إلى مسحوق بحجم جسيم يبلغ 180 مايكرومتر، بحيث يُطلق على هذا النوع من المطاحن اسم شبه مستقل حيث أن قوى القصور الذاتي للكرات الفولاذية المتساقطة والمواد غير المؤرضة التي توفر تأثير الطحن.

نظام القيادة والتحكم البديل لمطاحن SAG

 عاكس ثلاثي المستويات بجهد متوسط

كانت الأعطال التي حدثت أثناء تشغيل مطاحن (SAG) ناتجة عن استخدام محرك حلقي حساس ميكانيكياً ومحول حلقي للتحكم فيه، كما يتم السعي إلى التحسين من خلال تركيب مجموعة نقل الحركة الكلاسيكية، وذلك مع وجود محامل خاصة بمحرك الدفع وطاحونة (SAG).

أيضاً تم تطوير محرك متزامن بقطب بارز بقدرة (23) ميغاوات، وذلك كما هو موضح في الشكل التالي (3)، ولهذا الغرض؛ فإنه يتم توضيح الأبعاد الضخمة لهذا المحرك من خلال شخص يقف في المقدمة، وذلك ما يوضح الشكل التالي (4) أقطاب الدوار وملف المحرك.

يتم استبدال المحول الحلقي غير الموثوق به بعاكس مصدر جهد معدل عرض النبض (PWM) لتحويل الطاقة والتحكم فيها، بحيث تعمل أزواج الترانزستورات “ثنائية القطب” (IGBTs) ذات التوصيل المتوازي (6.5 كيلو فولت 600 أمبير.

كما أن ذلك يعتبر  كعناصر تبديل في طوبولوجيا مكونه من ثلاثة مستويات، حيث استخدام تصاريح (PWM) المثلى تعمل بتردد تحويل منخفض للغاية دون التضحية بتشويه التيار التوافقي، وبالتالي يتم تقليل خسائر التبديل وزيادة تصنيف القدرة الاسمي للعاكس.

كما أصبح تقليل التيارات التوافقية عن طريق (PWM) الأمثل المتزامن تقنية راسخة للمحركات الحثية ذات الجهد المتوسط، بالنسبة لمحركات مطحنة (SAG)، والتي تعمل بسرعة ميكانيكية منخفضة جداً، بحيث تعد الآلات المتزامنة خياراً أفضل، كما يقلل عدم وجود الانزلاق من خسائر الماكينة ويؤدي إلى مفاضلة أفضل بين تكلفة التركيب والكفاءة والفجوة الهوائية الكبيرة تزيد من الموثوقية.

كما تختلف الآلات المتزامنة ذات الأقطاب البارزة عن محركات المحركات التحريضية وكذلك عن خصائص مغناطيسية متباينة الخواص، بحيث يتم تحليل ردود فعل هذا الجهاز على العابرين الناتجة عن التغيرات المتكررة في خطوة الجهد لشكل موجة (PWM).

ديناميكيات الآلات الكهربائية المتزامنة

تتطلب “الخصائص المغناطيسية” (متباينة الخواص للآلات المتزامنة) المثارة بشكل منفصل استخدام إطار مرجعي (dq)، وهو ثابت الدوار للتحليلات الديناميكية، بحيث يتم محاذاة المحور (d) مع اتجاه القطب الدوار لآلة ثنائية القطب مكافئة، وذلك كما يوضح الشكل التالي لطوبولوجيا المستوى المعقد لآلة متزامنة.

المعادلات التفاضلية التالية تحمل:

حيث أن (ud) و (uq) هما مكونات المحرك (الجزء الثابت) الجهد الكهربائي، كذلك (uf) إذا كان جهد إثارة لف المجال والتيار المعني؛ فإن (id)، (iq) هما مكونات تيار الجزء الثابت و (iD)، (iQ) هما مكونات لف المثبط التيار في الدوار.

أيضاً يتم تمييز مقاومات اللف الخاصة بكل منها (Ri) بواسطة رموز خاصة، كما أن (Ld)، (Lq) هما محاثات لفائف المحرك، (Lf) هو محاثة لف المجال. يتم تمييز الحث المتبادل بأزواج من الرموز المنخفضة، على سبيل المثال، يصف (LDq) الاقتران المغناطيسي بين (iD) الحالي المثبط وملف المحرك المحور (q).

حساب التيارات التوافقية

الهدف من هذا البحث هو تحسين تسلسل نبضات (PWM) لعاكس التغذية للحد الأدنى من التشوه التوافقي لتيار المحرك، وكما يشير الشكل السابق (1) إلى أن هذا يقلل أيضاً من التيارات التوافقية في لف المخمد وفي لف الحقل، كما سيتم استخدام معادلات الحالة لحساب التيارات التوافقية.

لذلك يتم إثارة هذه بالمحتوى التوافقي لتسلسل نبضات العاكس ويمثلها أطياف توافقية في مجال التردد، ووفقاً لذلك؛ فإنه يتم الحصول على حل (1) و (2) في مجال التردد، والذي يتم اتباع الخوارزمية خاصة، بحيث يعتمد النهج على تعريف مشغلي الحث المعقد [Λd (s) و q (s)]، كما أن كل منها يصف تماماً الخصائص المغناطيسية في المحور المرجعي المعني، أي (d) أو (q) مشغلي الحث.

حيث تشير (s) إلى التردد المعقد، كذلك استخدام عوامل الحث يزيل التيارات ذات الاهتمام الثانوي من معادلات الحالة الأولى، بحيث يتم ذلك هنا للتيارات المثبطة (iD)، (iQ) وللتيار الميداني، ثم أن هناك  معادلتان فقط يقومان بوصف كيفية اعتماد معرف التيارات و (iq) على جهد المحرك (ud) و (uq) على النحو التالي:

تستخدم مطاحن (SAG) على نطاق واسع في صناعات تعدين الأسمنت والنحاس لطحن المعادن، كما يتم استخدام آلات متزامنة متحمس بشكل منفصل مع عدد كبير من أزواج الأعمدة كمحركات قيادة، بحيث تعمل بسرعة دوران منخفضة للغاية.

كما يتم تشغيل مطاحن (SAG) الحديثة بواسطة “محركات دائرية” مع أعمدة الجزء الثابت المركبة على محيط أسطوانة المطحنة، وبالتالي يشكل الجزء الثابت والدوار وحدات منفصلة ميكانيكياً، بحيث تتم تغذية ملفات الجزء الثابت عن طريق محول حلقي (IGBT) مبادل للحمل.

كما أظهرت أنظمة القيادة الحالية انقطاعات غير مرغوب فيها ناتجة عن الأعطال المتكررة في المحولات الحلقية المطلوبة لأعمال الإصلاح المكثفة، بحيث يتم تحقيق الموثوقية العالية من خلال المحرك المتزامن الذي تم إنشاؤه كوحدة منفصلة، وهو مقترن بأسطوانة المطحنة من خلال عمود مشترك، كما يتم استخدام عاكس مصدر الجهد (IGBT) لتحويل الطاقة والتحكم فيها، وهذا يسمح بتشغيل عامل القدرة الموحد الذي يزيد من كفاءة نظام القيادة.