التنبؤ في ضوضاء الحمل لمحولات الجهد العالي بواسطة معادلة تطبيق 3-D EMCN

الهدف من التنبؤ في ضوضاء الحمل لمحولات الجهد العالي على المدى البعيد

أدى النمو السريع للصناعة بأكملها والاهتمام الأخير بالتنمية المستدامة إلى زيادة متطلبات إمدادات الطاقة الكهربائية والطلب على محولات الجهد العالي (HV)، وعلاوة على ذلك؛ فإنه تم وضع لوائح الضوضاء بسبب الاهتمام المتزايد بتحسين نوعية الحياة، كما يجب توقع الضوضاء الناتجة عن محولات الجهد العالي لتلبية هذه المعايير في عملية التصميم.

كما أن هناك عدة أنواع من ضوضاء المحولات، وهي ضوضاء الحمل الناتجة عن “القوة الكهرومغناطيسية” الناتجة عن التفاعل بين “المجالات الكهربائية والمغناطيسية”، كذلك الضوضاء الأساسية الناتجة عن التضيق المغناطيسي للقلب الرقائقي وضوضاء التبريد الناتجة عن مكونات التبريد للمحولات مثل مراوح التبريد، ومن  بين مصادر الضوضاء هذه؛ فقد تصبح ضوضاء الحمل هي المصدر المهيمن لضوضاء المحولات الكلية.

كما كانت الدراسات السابقة حول الضوضاء الناتجة عن المحولات الكهربائية، بحيث تم تحليل تأثير الأحمال التوافقية على الضوضاء المسموعة للمحولات، كما أظهرت هذه الدراسة العلاقة بين التشويه التوافقي الكلي (THD) والتغير في ضوضاء الحمل ولكنها لم تتنبأ بضوضاء الحمل نفسه، ومن ناحية أخرى تظهر التحليلات الكهرومغناطيسية والهيكلية والصوتية للضوضاء، وذلك مع الأخذ في الاعتبار ملفات ونوى المحولات.

ومن خلال تطبيق “تحليل العناصر المحدودة” ثلاثية الأبعاد (3-D FEA)، قد توفر هذه الطريقة تنبؤات دقيقة “لضوضاء الحمل”، ولكن من الصعب توقع النتائج في وقت قصير لأن أوقات المعالجة المسبقة والحوسبة طويلة نسبياً.

آلية قياس ضوضاء محولات القدرة ذات الجهد العالي

لذلك يتم التركيز على الضوضاء الأساسية بينما تم قياس ضوضاء المحولات وتحليلها باستخدام طريقة شدة الصوت، كما حدد بعض أسباب الاختلافات بين الضوضاء في الموقع والضوضاء المقاسة في المصنع وتوقع ضوضاء المحول مع الأخذ في الاعتبار الرنين الأساسي.

وبالنسبة للمصممين؛ فإنه من المفيد توقع ضوضاء الحمل للمحول قبل الإنشاء، وخاصة أثناء عملية التصميم الأولية، وللتنبؤ بضوضاء الحمل لنماذج المحولات المختلفة؛ فإنه يبقى من المستحسن استخدام معادلة تحليلية، حيث يمكن تقليل وقت الحوسبة للتنبؤ مقارنة بوقت (FEA)، بالإضافة إلى ذلك يمكن تحديد المعطيات التي تساهم في توليد الضوضاء أثناء اشتقاق معادلة توقع ضوضاء الحمل.

وهكذا؛ فإن تتناول عملية اشتقاق معادلة تتنبأ بضوضاء الحمل لمحولات الجهد العالي، بحيث يتم حساب القوة الكهرومغناطيسية، المسماة “بقوة لورنتز” والتي تعد المصدر الرئيسي “لضوضاء الحمل”، كما يتم تطبيق شبكة دائرة مغناطيسية مكافئة ثلاثية الأبعاد (3-D EMCN) لعملية الحساب هذه، مما يؤدي إلى تقليل وقت الحوسبة والمعالجة المسبقة.

وبعد ذلك، ونظراً لأن ضغط الصوت يتولد عندما تتسبب “قوة لورنتز” في اهتزاز لفات المحولات، مما ينتج عنه ضوضاء حمل، بحيث يتم تطبيق “قوة لورنتز” المحسوبة على معادلة مستوى ضغط الصوت (SPL) للتعبير عن العلاقة بين قوة لورنتز وتحميل الضوضاء.

كما تم تبسيط بنية اللفات والأرجل الخاصة “بنواة المحول” إلى مكبر صوت غير محشور، والذي يمكن وصفه كنموذج مصدر صوت ثنائي القطب، بحيث يحدد هذا شكل معادلة ضغط الصوت ويوفر الأساس للتنبؤ بضوضاء حمل المحولات، وبالإضافة إلى ذلك ولتحسين دقة المعادلة للتنبؤ بضوضاء الحمل؛ فإنه يتم أخذ معطيات المحولات الإضافية التي تم تحديدها للتأثير على ضوضاء الحمل في الاعتبار.

كما أن المعطيات المؤكدة لزيادة ضوضاء الحمل تتضاعف بشكل مباشر في المعادلة، وفي حين أن تلك التي لها تأثير معاكس تتضاعف عكسياً، كما يتم حساب دقة معادلة توقع ضوضاء الحمل على أنها الانحراف المعياري للاختلافات بين النتائج المقاسة والمحسوبة.

بحيث يتم قياس مستويات ضوضاء الحمل من (32) محولاً بشكل تجريبي، وأخيراً للتحقق من دقة المعادلة، بحيث يتم مقارنة ضوضاء الحمل المقاسة من المحولات الإضافية بالنتائج المتوقعة، كما يوضح الشكل التالي (1) العملية الكلية للتنبؤ بضوضاء الحمل الناتجة عن محولات الجهد العالي، وذلك من مساهمات هذه الدراسة كما يلي:

• يمكن تقليل وقت حساب محولات ضوضاء الحمل باستخدام الطريقة المقترحة.

• يمكن توقع ضوضاء الحمل للمحولات بدقة ضمن “انحراف معياري” قدره (1.9) ديسيبل.

• يمكن تطبيق معادلة التنبؤ التي اقترحتها هذه الدراسة في عملية تصميم المحولات.

حساب قوة لورنتز بالتزامن مع 3-D EMCN

الضجيج هو صوت غير مرغوب فيه ينتج عن اهتزاز الأشياء التي تثيرها قوى خارجية، لذلك؛ فإن خصائص القوى والجسم ضرورية “للتنبؤ بالضوضاء”، بحيث يركز هذا القسم على حساب “قوة لورنتز” الناتجة عن لفات المحولات وتعمل على كل لف.

مقدمة حول 3-D EMCN

يظهر الجزء النشط من المحول حيث يتم إنشاء “قوة لورنتز” بشكل أساسي في الشكل التالي (2)، كما يتم لف اللفات ذات الجهد العالي والمنخفض على الأرجل وهي الأجزاء الرأسية من قلب الصلب، كما أن النير هو أحد الأجزاء الأفقية من قلب الصلب.

كما يمكن تمثيل معادلات كل عنصر من خلال المعادلة (1) و (2)، وذلك باستخدام “قانون غاوس” ومعادلات “الدائرة المغناطيسية” بين عقدتين:

حيث يتم تمثيل المعادلة أعلاه على أنها [P ∙ u = D]، حيث (P) هي مصفوفة النفاذية و (u) هي المصفوفة المحتملة و (D) هي المصفوفة الدافعة، وبالتالي؛ فإنه يتم الحصول على الجهد القياسي المغناطيسي من خلال حل هذه المعادلة البسيطة، وبعد ذلك يمكن حساب كثافة التدفق المغناطيسي لكل عنصر باستخدام الجهد القياسي.

حساب قوة لورنتز والتحقق منها باستخدام ثلاثي الأبعاد EMCN

تعمل (EMCN) ثلاثية الأبعاد على تقصير وقت الحوسبة باستخدام معادلات بسيطة كما تجعل المعالجة المسبقة أسهل من المعالجة الأولية ثلاثية الأبعاد، كما تعد دقة شبكة (EMCN) ثلاثية الأبعاد مهمة للتنبؤ الدقيق بضوضاء الحمل لمحولات الجهد العالي.

كما يمكن التحقق من ذلك من خلال مقارنة نتائج الحساب الخاصة بـ (EMCN) ثلاثي الأبعاد لقوة (Lorentz) مع نتائج حساب (FEA) ثلاثي الأبعاد في ظل ظروف التحميل نفسها، كما يستخدم الفولاذ الموجه بالحبوب بشكل شائع لتحسين أداء المحولات، وبالتالي؛ فإن النفاذية النسبية في كل اتجاه (أي اتجاهات x و y و z) مختلفة.

وأخيراً، بحث هذا الطرح في عملية التنبؤ بضوضاء الحمل لمحولات الجهد العالي، كما تم استخدام (EMCN) ثلاثي الأبعاد لحساب “قوة لورنتز”، وهي المصدر الرئيسي لضوضاء الحمل، حيث قللت طريقة الحساب المقترحة من وقت الحوسبة بمقدار (29) دقيقة واختصرت وقت المعالجة المسبقة مقارنة بوقت المعالجة ثلاثية الأبعاد (FEA).

كان التحليل الخطي ممكناً بسبب كثافة التدفق المغناطيسي المنخفضة (0.52 T) للنواة، كذلك تم حساب دقة المعادلة الأولية لتطبيق “القوة الكهرومغناطيسية” المحسوبة على (SPL) على أنها الانحراف المعياري للاختلافات بين ضوضاء الحمل المقاسة والمحسوبة، أي (3.77) ديسيبل.

وبعد التعديل؛ فإنه تم تقليل الانحراف المعياري بمقدار (1.87) ديسيبل، مما أدى إلى تحسين قيمة (1.9) ديسيبل، وعلاوة على ذلك؛ فقد تمت مقارنة ضوضاء الحمل المقاسة للمحولات الإضافية مع “ضوضاء الحمل” المحسوبة للتحقق من الدقة، حيث انخفض الانحراف المعياري إلى (1.87) ديسيبل، مما يشير إلى أن هذه المعادلة يمكن أن تتنبأ بدقة بضوضاء الحمل لمحولات الجهد العالي.