اقرأ في هذا المقال
الحاجة إلى تصميم المحرك المتزامن المغناطيسي لتطبيقات المضخة
تتناقص موارد الطاقة المحدودة في العالم بسرعة لأن استهلاك الطاقة يزداد يوماً بعد يوم، لذلك؛ فإنه يجب استخدام أنظمة فعالة لتقليل استهلاك الطاقة، بحيث تستهلك المحركات الكهربائية ما يقرب من نصف الكهرباء المنتجة في العالم، ونظراً لمزاياها العديدة، تُستخدم المحركات الحثية على نطاق واسع في التطبيقات الصناعية.
ومع ذلك؛ فإنه من المعروف أن هذه المحركات لديها “كفاءة أقل” من المحركات المتزامنة بحيث تسمى فئات الكفاءة للمحركات الحثية (IE1 ،IE2 ،IE3) ومع ذلك، لا تتمتع (IMs) أحادية الطور بكفاءة عالية؛ فقد تم تقديم بعض الدراسات حول المحركات الفعالة في الدراسات.
وفي الوقت الحاضر، تم استخدام محركات متزامنة ذات مغناطيس دائم (PMSM) ومحركات (DC) (BLDC)، وذلك من أجل الحصول على كفاءة عالية، لذلك لا يمكن لهذا النوع من المحركات الاتصال مباشرة بالشبكة الكهربائية المعنية ويتطلب تشغيل أنظمة قيادة باهظة الثمن.
حيث أن هذا يمثل عيباً تقنياً، وذلك خاصة بالنسبة لتطبيقات الطاقة المنخفضة، وبالإضافة إلى ذلك، تنتج دوائر محرك المحرك توافقيات غير مرغوب فيها عبر الشبكة وتقلل من جودة الطاقة، وفي حين أن المحرك المتزامن المتضمن التباطؤ المقترح، لا يتطلب أي معدات بدء مساعدة مثل المحركات المتزامنة الأخرى، حيث ركزت العديد من الدراسات في على هيكل الدوار الهجين لتحسين أداء المحرك الكهربائي.
دراسة نموذج المحرك الخاص بتطبيقات المضخة
كما أن المحرك الذي تم إجراؤه في هذه الدراسة هو نوع محرك تباطؤ هجين يمكن أن يبدأ مباشرة عن طريق الاتصال من الشبكة دون الحاجة إلى محرك، كما يمكن استخدام هيكل الجزء الثابت للمحرك نفس بنية (IMs) التقليدية ثلاثية الطور.
ومع ذلك؛ فإن هيكل الدوار المقترح يختلف تماماً عن هيكل الشكل التقليدي، حيث أن هذا الاختلاف في هيكل الدوار يحسن أداء المحرك، كما تستخدم محركات (IM) التقليدية في دوار “قفص السنجاب”، كذلك لا يتم تصنيع قفص السنجاب بسهولة في الإنتاج الضخم، وبشكل عام؛ فإنه يتم استخدام قضبان الألمنيوم في أقفاص السنجاب التي تتطلب آلة الصب والحقن، وهذه العملية تحتاج إلى الوقت وتكلفة العمالة وتكلفة المواد.
لذلك تحتاج هذه العملية إلى استخدام حلقة سهلة بدلاً من “محرك قفص السنجاب”، وهكذا يتغير نوع المحرك من غير متزامن إلى متزامن، كما أن هناك العديد من الدراسات حول المحركات المتزامنة ذات المغناطيس الدائم ببدء التشغيل بدون استخدام الحلقة التخلفية في الدراسات الخاصة بقياس موضع الدوران غير المطلوب لبدء تشغيل هذا المحرك ومزامنته على عكس المحركات المتزامنة الأخرى.
أيضاً تستخدم (IMs) الكلاسيكية على نطاق واسع “للمضخات الغاطسة” ومضخات الحريق والمضخات النفاثة ومضخات آبار النفط ومضخات الدوران، كما تحتوي (IMs) على انزلاق دوار تحت ظروف التحميل عند استخدام (IMs) كمحرك مضخة.
أيضاً يتم تقليل سرعة مراوح المضخة بشكل كبير بسبب الانزلاق، كما يتم تقليل كفاءة نظام المضخة نظراً لوجود علاقة تناقص أسياً بين الحمل وسرعة المضخة تم توضيح هيكل الجزء الثابت والدوار للمحرك المصمم في الشكل التالي (1).
وكما هو موضح في الشكل السابق؛ فإن بنية الجزء الثابت هي نفسها للجزء الثابت للعضو الثابت (IM) التقليدي، ومع ذلك؛ فإن هيكل الدوار المقترح يختلف تمامًا عن “الهياكل الدوارة التجارية”.
لذلك يتكون الهيكل الدوار المصمم من بنيتين لحلقة التخلفية تسمى الحلقة الداخلية والحلقة الخارجية والمغناطيس الدائم المتداخلة بينهما، وفي هذه الدراسة، تم تصميم نوع دوار جديد يمكن أن يبدأ بدون أي دائرة محرك للسماح بالاتصال بالشبكة المباشرة.
كما يتم تحليل المحرك المصمم باستخدام بيئة خاصة للمحاكاة. يتم اختبار المحرك المقترح متصلاً بمضخة غاطسة، بحيث يتم اختبار نظام المضخة نفسه باستخدام (IM) له نفس قيمة الطاقة للحصول على مقارنة جيدة بين المحرك المقترح والمحرك التجاري.
لذلك يُحقق المحرك المقترح نتائج مُرضية مثل الطاقة العالية والحجم والتشغيل الثابت الخالي من الانزلاق، كذلك أداء الضخ المتزايد وسهولة التصنيع الشامل للدوار عند مقارنته مع نفس المحرك العضوي.
حيث يعد التشغيل المتزامن للسرعة للمحرك أمراً مهماً للغاية من أجل زيادة كفاءة نظام المضخة الغاطسة، ولهذا السبب؛ فإنه يهدف إلى استخدام محرك متزامن يمكن أن يبدأ بالاتصال المباشر بالشبكة من أجل حل مشاكل انزلاق الدوار.
نمذجة محرك الـ Hyteresis
تعتبر بعض المعطيات ثابتة كنفاذية لمادة التخلفية لنمذجة محرك التخلفية مع لف جيبي موزعة ومتوازنة، بحيث يمكن نمذجة هيكل المغناطيس الدائم كمصدر تيار ثابت (Im)، كما يعبر المقاوم (Re) عن تأثير(eddy current)، كما يتم التعبير عن تأثير التباطؤ بمقاومة التباطؤ (Rh) ومحاثة التباطؤ المكافئة (Lh)، حيث أن هاتان المعلمتان يمثلان التباطؤ هما دالة لزاوية المسار المتوازي.
حيث تتكون حلقة التخلفية من جزأين مثل الحلقة الداخلية والحلقة الخارجية. يمكن تمثيل مقاومات ومحاثة هذه الأجزاء من خلال التعبيرات الواردة لاحقاً، كما يمكن تحديد الحث المغناطيسي، بحيث يتم استخدام المقاومة والتحريض في الدوائر المكافئة في نموذج (dq)، ويمكن تحديد مقاومات الدائرة المكافئة والمحاثة على أنها (Reeq -Rheq) و (Leeq- Lheq) على التوالي.
حيث:
(ω): هو التردد الزاوي.
(Vh): هو حجم حلقة التخلفية.
(rr): هو نصف قطر حلقة التباطؤ.
(rg): هو متوسط نصف قطر الفجوة الهوائية.
(lg): هو الطول الشعاعي للفجوة الهوائية.
حيث يُفترض أن (Lmq) و (Lmd) مساويان لـ (Lm)، ونظراً لعدم وجود أي ملوحة على بنية الجزء المتحرك؛ فإنه يتكون النموذج من عنصرين هما التباطؤ والدوامة، حيث أن هذه المكونات هي الخسائر التي تحدث في الدوار، كما يشار إلى خسارة التباطؤ على أنها (sRh) ويتم التعبير عن خسارة التيار الدوامي على أنها (Re)، كما يمثل المقاوم الآخر طاقة خرج المحرك.
لذلك؛ فإن (s) هو انزلاق الجزء المتحرك، كما أن [((1 − s) / s) Re] هو التيار الدوامي الفعال و [(1 − s) Rh] هو مقاومة التخلفية، بحيث تحدث خسائر الجزء المتحرك عندما تختلف سرعة الدوار عن سرعة التواقت.
لذلك إذا تم الوصول إلى الدوار إلى السرعة المتزامنة؛ فسيتم أيضاً تقليل هذه الخسائر، بحيث يتم إنشاء عزم دوران المحرك بمغناطيس دائم وحلقة تخلفية أثناء البدء، كما يستمر إنتاج عزم دوران العمود بواسطة مغناطيس دائم بعد تحقيق التزامن.
كما يتم إعطاء الدوائر الكهربائية المكافئة لمحرك المحور (dq) في الشكل التالي (2)، بحيث يمكن اشتقاق معادلات المحور (dq) للمحرك من الدائرة المكافئة ويمكن التعبير عنها بواسطة المعادلات الواردة على النحو التالي للعلاقات الرياضية، ويتم إعطاء جهد نموذج (dq) للجزء الثابت والدوار، أيضاً يمكن تحديد وصلة تدفق المحرك الكهربائي ويتم إعطاء عزم الدوران الكهربائي المتولد.
حيث:
(Rs): هي مقاومة طور الجزء الثابت.
(Lls): هي محاثة التسرب لكل طور الجزء الثابت.
[Lmq)،(Lmd)]: هما محاثة مغنطة المحور (dq).
(r): هي التردد الزاوي للدوار.
[(Vqs)،(Vds)]: يمثلان الفولتية الحثية لمحور (dq).
[(Vqr)،(Vdr)]: هما جهدان تحريض دوار لمحور (dq).
(qs ،ds): هو اقتران تدفق الجزء الثابت للمحور
(qd ،Te): هو عزم الدوران الكهربائي المطور.
