تحديد الخسائر الأساسية في محولات القدرة مفتوحة النواة

ضرورة تحديد الخسائر الأساسية في محولات القدرة مفتوحة النواة

تعد محولات جهد الطاقة (PVTs)، والمعروفة أيضاً باسم محولات جهد خدمة المحطة أو محولات جهد الخدمة المساعدة، بمثابة مكاناً متوسعاً للمنتج، وذلك لكل من تطبيقات الطاقة المساعدة والكهرباء الريفية، حيث أن (PVTs) هي محولات أدوات في المقام الأول من خلال فلسفة التصميم وتكنولوجيا الإنتاج، مما يعني أنها محددة حالياً بمعايير قابلة للتطبيق على محولات الأجهزة، كما تحدد هذه المعايير عادةً فئة ارتفاع درجة الحرارة (55) درجة مئوية.

وعلى عكس نظرائهم في محولات الأجهزة؛ فإن الخسائر المصاحبة المتولدة في (PVTs) ليست ضئيلة، مما يعني أن كل من تقنيات تحديد الخسارة وطرق تقليلها أصبحت ذات أهمية متزايدة، كما يؤدي استخدام مفهوم النواة المفتوحة كأساس لتصميم (PVT) إلى عدد من المزايا من حيث أداء الخدمة وموثوقية المحولات.

لذلك تستلزم هذه المزايا تصميماً مناعياً وأماناً داخلياً متأصلاً للخطأ والقضاء على تيار التدفق ونظام عزل قوي، وغير حساس للغاية للجهد الكهربائي الزائد من مختلف السمات والأصل، كما تم الكشف عن مخطط التصميم والمكونات الرئيسية للوحدات الأساسية المفتوحة.

ومن ناحية أخرى؛ فإن تخصصات مفهوم النواة المفتوحة فيما يتعلق بخسائر المحولات ليست معروفة على نطاق واسع، وفي هذا الطرح؛ سوف يتم التركيز على تحديد الخسائر في النواة المفتوحة نفسها، حيث إنها تمثل التحدي الأكبر.

كما أن الهدف الأساسي هو تقديم منهجية جديدة قائمة على القياس لتقييم الخسائر الأساسية المفتوحة، بحيث تعتمد الطريقة على قياسات الخسارة الأساسية، والتي يتم إجراؤها في دائرة اختبار تم تطويرها خصيصاً لهذا الغرض، والتي تتم معالجتها لاحقاً باستخدام برنامج تحليل العناصر المحدودة (FEA).

كذلك تم التحقق من صحة الطريقة من خلال قياسات توزيع كثافة التدفق، والتي يتم إجراؤها على العديد من النماذج الأساسية التي تم تجميعها في تكوينات مختلفة بمعلمات مختلفة، وأخيراً؛ فإنه يتم دعم الطريقة من خلال قياسات على عدة وحدات (PVT) مخصصة للتطبيق التجاري، مما يؤكد كفايتها كنهج صالح ومفيد ويستغرق وقتاً طويلاً للغاية مخصص للتطبيق على مستوى الصناعة.

تعريف المشاكل المرتبطة بمحولات القدرة مفتوحة النواة

يمكن رؤية مثال نموذجي لهندسة النواة المفتوحة، وذلك إلى جانب متطلباتها التعريفية الرئيسية في الشكل التالي، وبصرف النظر عن هذه المتطلبات؛ فإن المتغيرين الرئيسيين اللذين يحددان النواة المفتوحة هما عامل الاستخدام (KU) وعامل الشكل (KF).

كما يتم تحديد عامل الاستخدام (KU) بالمعادلة (1)، ويمثل النسبة بين صافي مساحة المقطع العرضي (SFe) والمساحة الإجمالية للدائرة الأساسية التي يبلغ قطرها (∅limb)، بحيث يُعرَّف عامل الشكل (KF) بأنه نسبة متوسط طول مسار التدفق (lFe)، وقطر الطرف الأساسي (limb)، وكما هو موضح في المعادلة (2)، بحيث يعرف متوسط طول مسار التدفق (lFe) في المعادلة (3).

حيث تتراوح القيم النموذجية لـ (KU)  من (0.5 إلى 0.95) و (KF) في نطاق (5-20)، وذلك اعتماداً على الهندسة الأساسية ومتطلبات المنتج المحددة، كذلك جميع النوى التي تم النظر فيها في هذا البحث لها عامل تكديس يبلغ (0.9593)، ووفقاً للمعلومات المقدمة من الشركة المصنعة الأساسية وتم تصنيعها من نفس مادة (M140-35S).

ونظراً لمسار الحقل الهام عبر الهواء المحيط بالطرف المفتوح النواة، وكما هو موضح في الشكل 1 (B)؛ فإنه يكون تيار المغنطة مستقلاً عملياً عن المادة الأساسية، وكجزء من التيار المطلوب لمغنطة مادة الفولاذ الرقائقي لا يكاد يذكر بالمقارنة مع جزء التيار المطلوب لمغنطة الهواء.

كما يمكن رؤية توزيع كثافة التدفق النموذجي في القلب المفتوح، وكما هو موضح في نموذج لب تمثيلي مع تناظر (1/4)، محسوباً بخصائص مادة متباينة الخواص في الشكل 1 (B).

لذلك يمكن ملاحظة أن متجه كثافة التدفق موجه في اتجاهات مختلفة فيما يتعلق باتجاه اتجاه التصفيح الأساسي، بينما يحتوي أيضاً على مكون مهم يكون عمودياً على التصفيح نفسه، كما يتسبب هذان التأثيران في ظهور خسائر إضافية في النواة المفتوحة.

أيضاً يمكن رؤية تمثيل مبسط لهذه التأثيرات في الشكل 1 (C)، بحيث يمكن تقسيم متجه كثافة التدفق إلى ثلاثة مكونات، (BL و BN و BTو BL)، وهو المكون الموازي لاتجاه اتجاه التصفيح، كما أن (BN) هو المكون الطبيعي، ويكون عمودي على سطح التصفيح، بينما (BT) هو المكون المماسي.

لذلك تتسبب مكونات متجه كثافة التدفق في حلقات تيار دائرية ضيقة في المستوى المتداول، والمسمى (JL) و(JT)، على التوالي، وفي المحولات الأساسية المغلقة التقليدية، تكون هذه الحلقات سائدة بشكل عام، وعلى النقيض من ذلك ومع النواة المفتوحة؛ فإن حلقات التيار الدوامة السائدة (JN) ناتجة عن المكون الطبيعي لمتجه كثافة التدفق (BN).

حيث أن النطاق المدروس لكثافة التدفق هو نتيجة لظروف التشغيل المستمرة النموذجية لـ (PVTs)، ونظراً لعوامل الجهد المستمرة وقصيرة المدى، والتي يمكن أن تتراوح من (1.1 إلى 2.2) مرة من الجهد المقنن؛ فإن كثافة التدفق المقدرة في هذه الوحدات أقل نسبياً من التوزيع التقليدي أو محولات الطاقة، لذلك يتراوح نطاق ذروة كثافة التدفق المقدر بين (0.9 و 1.35 T)، كما تقتصر جميع التأثيرات التي تم تناولها في هذه الورقة على التردد الكهربائي المقدر البالغ 50 هرتز.

المقاربة بين نتائج الخسار في محولات القدرة مفتوحة النواة

تم فحص الخسائر في الوسائط المغلفة بدقة من قبل باحثين مختلفين على مدى فترة طويلة من الزمن لمختلف التطبيقات، ونظراً لصعوبة نمذجة الرقائق الفردية باستخدام محللات (FEM) ثلاثية الأبعاد المتوفرة؛ فهناك عدة طرق مختلفة لتجاوز هذه العقبات.

كما يتمثل أحد الأساليب في تقديم طريقة من خطوتين، بحيث تتكون من نمذجة متطلبات “المواد المغناطيسية” متباينة الخواص للحصول على التوزيع الصحيح للمجال، ثم تصحيح خسائر التيار الدوامة الناتجة عن طريق مراعاة المجال المحلي في الرقائق بالإضافة إلى تأثيرات الحافة.

أيضاً يمكن استخدام طرق التجانس، مما ينتج عنه توزيعات دقيقة لكثافة التدفق وتنبؤ أقل دقة بالخسارة، كما تكون خاصة عند قيم كثافة التدفق الأعلى “تشنغ وآخرون”، كما يقترحون التجانس الجزئي للوسائط الرقائقية، ومع نماذج التصفيح القليلة الأولى بشكل فردي وبقية التصفيحات على شكل مادة سائبة ذات خصائص متباينة الخواص.

ومن ناحية أخرى، لا تزال محللات (FEM) التجارية تنفذ النماذج القائمة على الاختلافات في نموذج خسارة التباطؤ (Steinmetz)، وعادة ما يتم توسيعها إلى نموذج خسارة مكون من ثلاثة مكونات بما في ذلك التباطؤ والتيار الدوامي والإضافي، أو الخسارة الزائدة، مما يؤدي الاعتماد المتبادل بين هذه الظواهر إلى طرح نماذج فصل الخسارة محل التساؤل. ومع ذلك، ونظراً لتطبيقها على نطاق واسع وسهولة استخدامها؛ فإنه لا يزال هذا النهج شائعاً للغاية.

في عملية تصميم المحولات؛ فإنه يتم أيضاً استخدام النتائج التي يمكن الحصول عليها بسرعة بناءً على الأساليب التجريبية وشبه التجريبية، وفي المحولات الأساسية المغلقة التقليدية، يمكن تحديد الخسائر الأساسية باستخدام منحنيات خسارة محددة مسبقاً مقدمة من مصنعي الفولاذ الكهربائي وتصحيح هذه القيم باستخدام عامل بناء قائم على التجربة.