تشخيص أخطاء المحولات باستخدام إشارات الاهتزاز

أهمية تشخيص خطأ المحول باستخدام إشارات الاهتزاز

تعتبر إدارة الأصول أكثر أهمية الآن من أي وقت مضى للصناعات، وفي الواقع تركز إدارة المرافق وجميع مهندسي الصناعة والأنظمة بشكل أكبر هذه الأيام على التقييم التنبئي الذكي بدلاً من استعادة الأصول بعد الفشل الذريع، وبالنسبة للعناصر الكهربائية؛ فإنه يصبح التقييم التنبئي الذكي ذا مغزى عندما يتم أخذ تقنيات تشخيص الأصول عبر الإنترنت في الاعتبار.

وفي الوقت نفسه، عملت “التقنيات الناشئة” مثل إنترنت الأشياء (IoT) والحوسبة السحابية على تمكين أنظمة المراقبة الذكية المختلفة، ومع تطور التكنولوجيا وتحديداً في سياق الشبكة الذكية، حيث أصبح استخدام إنترنت الأشياء في جوانب مختلفة من نظام الطاقة شائعاً.

لذلك من المتوقع أن تعمل المعدات مع بروتوكولات إنترنت الأشياء ونقل البيانات واستعادتها وتحليلها من خلال بيئة السحابة، ومع ذلك؛ فإن إنشاء خوارزميات آلية وإدارة المعدات وتوصيلها بالنظام السحابي وتقييم أدائها في الوقت الفعلي عبر السحابة لا يزال يمثل تحديات كبيرة في المستقبل.

وعلاوة على ذلك؛ فإنه من المعروف أن محولات القدرة الكهربائية هي واحدة من أغلى المعدات بين جميع العناصر الكهربائية، كما يتم استخدام هذه المعدات القيمة في مختلف المناخات وكذلك في مختلف الظروف الكهربائية والميكانيكية.

وبناءً على هذه الحقيقة؛ فقد تواجه المحولات الكهربائية باستمرار مخاطر هائلة على مدار العملية، لذلك يعد الحصول على المعلومات باستمرار من حالة المحول والحصول على فهم معقول حول الاستقرار الميكانيكي الداخلي أمراً مهماً للغاية لمشغلي النظام.

كما تم تقديم وتنفيذ طرق مختلفة عبر الإنترنت وخارج الخط لتقييم سلامة المحولات الميكانيكية، ومع ذلك لا تزال الأساليب الأساسية العملية مثل تحليل استجابة التردد (FRA) تعمل خارج الخط، حيث أن تنفيذ تقييم الموارد الحرجية على الإنترنت قيد الدراسة والتطوير بشكل جدي.

حيث ستحقق فوائد كبيرة للصناعة إذا تم تنفيذها بشكل مثالي، وفي الوقت نفسه؛ فإن (FRA) ليست الطريقة الوحيدة التي توفر معلومات عن السلامة الميكانيكية للمحول، حيث تم تقديم قياس مقاومة الدائرة القصيرة عبر الإنترنت وتحليل صوت المحولات (تحديداً تفسير الموجات فوق الصوتية) والطرق القائمة على الاتصال بالإضافة إلى تقنية تعتمد على مخطط الموضع للكشف عن تشوه لف المحولات، لذلك يعد تقييم اهتزاز المحولات أيضاً أسلوباً معروفاً لتقييم السلامة الميكانيكية للمحول.

نمذجة الاهتزاز الأساسية للمحول

الانقباض المغناطيسي هو تعبير عن تغيير الطول في مادة مغنطيسية حديدية بمجرد أن تكون تحت المغنطة، كما سيؤدي اتجاه المغناطيسية وامتدادها إلى فرض إجهاد على المادة المغناطيسية، وبمعنى آخر في حالة عدم وجود المجال المغناطيسي، تكون المادة المغناطيسية في وضع السكون وتكون مجالاتها المغناطيسية موجهة بشكل عشوائي.

بحيث سيؤدي تنشيط المجال المغناطيسي إلى بدء المجالات المغناطيسية في محاذاة نفسها مع المجال المفروض والحصول على الاتجاه، كما ستكون محاور مبدأ التباين عندئذٍ متداخلة مع المجال المغناطيسي، لذلك يتم الحصول على تشوه ميكانيكي كبير في النطاق المجهري بسبب زيادة المجال المغناطيسي على مادة مغناطيسية.

حيث يتم الوصول إلى هذا التشوه إلى أقصى قيمته بمجرد وصول المجالات المغناطيسية إلى نقاط التشبع الخاصة بها، بحيث اكتشف هذا من قبل (J. Jole) في عام 1842م، مما لا شك فيه أن التضيق المغناطيسي فعال للغاية وكبير بالنسبة للمواد المغناطيسية بدلاً من البار مغناطيسية، كما يرجع اهتزاز قلب المحول بشكل أساسي إلى التضيق المغناطيسي، وبافتراض أن صفيحة أساسية مغنطيسية بسمك (B) وعرض (w) وطول (L) معرضة للمجال المغناطيسي.

حيث:

(U0): هو مصدر الجهد المطبق على الملف.

(ω): هو التردد الزاوي.

(Nw): هو عدد لفات اللف.

(B): هو الحث المغناطيسي.

(Ac): هي منطقة المقطع العرضي للصفائح أحادية النواة، لذلك يتم حساب الحث المغناطيسي على أنه:

حيث:

(B0): هو الحد الأقصى لحجم الحث.

(B0): أقل أو يساوي مستوى التشبع بالحث (BS).

لذلك يبدأ أي تغيير في طول الصفائح الأساسية بالتغيرات في شدة المجال المغناطيسية، وبالتالي؛ فإن الحركة القصوى للصفائح الأساسية بسبب تغيرات شدة المجال تعطى بواسطة:

حيث أن (λs) هي أقصى قيمة للتضيق المغناطيسي، لذلك يتم الحصول على التسارع الأساسي للصفائح.

توضح المعادلة الأخيرة أن حجم اهتزاز قلب المحول يتناسب مع مربع جهد الإثارة، أيضاً يتم مطابقة تردد اهتزاز الموجات مع الترتيب التوافقي الثاني للتردد الأساسي للجهد الكهربائي، وبالتالي؛ فإنه بالنسبة للأنظمة ذات التردد الأساسي البالغ 50 هرتز، تهتز شرائح المحولات الأساسية بتردد 100 هرتز باعتباره التردد الاهتزازي الأساسي للمحول.

وبالنسبة للأنظمة التي تعمل بتردد 60 هرتز؛ فإنها تهتز بتردد 120 هرتز، وعلاوة على ذلك؛ فإنه سيتم إنشاء أوامر توافقية اهتزازية أعلى في قلب المحولات بسبب تصادم الشرائح الأساسية، وفي الواقع؛ فإن التمديدات والتقلصات للصفائح الأساسية ستؤدي إلى اصطدامها ببعضها البعض بانتظام.

كما ترددات الاهتزاز لهذا الصدام أعلى من تردد الاهتزاز الأساسي، بحيث سيشهد قلب المحول 200 و 400 و 600 هرتز أو حتى نادراً أوامر توافقية أعلى في طيف الاهتزازات بسبب تصادم شرائح اللب، بحيث تكون مقادير الأوامر التوافقية الأعلى في اهتزاز قلب المحولات عشوائية تماماً، وهذا يعني أنها لا تتناسب بالضرورة مع قيمة مربع جهد الإثارة.

كما يمكن أن تؤثر ترددات الرنين الميكانيكي الطبيعي بالإضافة إلى اعتبارات التجميع الفني وقوى “لورنتز” وكذلك جودة النواة المغناطيسية بسهولة على طيف الاهتزاز الأساسي بأكمله، وبالتالي؛ فمن الممكن استكشاف مجموعة من الترددات في طيف اهتزاز قلب المحولات ومع ذلك يعتبر الجزء التوافقي الثاني (2ω) بمثابة التردد الاهتزازي الأساسي للمحول.

آلية لف محولات الاهتزاز التي تم نمذجتها

يؤدي جمع تدفقات الارتباط والتسرب إلى جعل التدفق بالكامل في الجزء النشط من المحولات، ومن الناحية الفنية؛ فإنه يتدفق جزء كبير من تدفق الوصلة وتدفق التسرب عبر قلب المحول وملف المحولات وثغرات الجزء النشط على التوالي.

وبمعنى آخر؛ فإنه يبدأ الاهتزاز في قلب المحول والملف بشكل أساسي عن طريق الارتباط وتدفق التسرب على التوالي، وفي الواقع يرجع اهتزاز لف المحولات إلى القوة الكهرومغناطيسية الناتجة عن التدفق المغناطيسي المتسرب، وهي العناصر التي تتدفق عبر اللف وتيار اللف.

كما يوضح الشكل التالي أن اتجاه التدفق المغناطيسي للتسرب يتغير بالانتقال من جوانب اللف نحو مركز اللف، لذلك؛ فإنه يمكن تغيير اتجاه القوة الكهرومغناطيسية، وبالتالي يتغير اتجاه القوة الميكانيكية، وعلاوة على ذلك ميكانيكياً يمكن تشكيل لف المحولات بالنوابض، ومن ثم يمكن استخدام نموذج قوة الزنبرك لتحليل اهتزاز لف المحولات، وبالتالي يمكن افتراض أربعة سيناريوهات مختلفة.

• السيناريو الأول: يمثل قوة دافعة على اللف (الزنبرك) بدون عامل التخميد، بحيث ستتم إزالة هذه القوة أثناء اهتزاز اللف وهذا بدوره نموذج اهتزاز أساسي.

• السيناريو الثاني: يحدث عندما تبقى القوة فوق لف المحول، ومع ذلك؛ فإنه لا نعتبر عامل التخميد.

• السيناريو الثالث: مشابه للسيناريو الأول، ومع ذلك؛ فإنه يؤخذ عامل التخميد في الاعتبار.

• السيناريو الرابع: هو نموذج كامل لحالة لف المحولات حيث ستبقى القوة على عامل التخميد والتخميد أيضاً في الاعتبار عند النمذجة.