حل مشكلة التصميم العكسي للصمامات الكهربائية

ضرورة حل مشكلة التصميم العكسي للصمامات الكهربائية

الصمامات الكهربائية هي أجهزة حماية ذات تاريخ طويل، كما تستخدم على نطاق واسع في أنظمة الطاقة والمركبات الكهربائية والنقل بالسكك الحديدية والأنظمة الكهروضوئية وما إلى ذلك، كما تشمل المعطيات الكهربائية للصهر الكهربائي ارتفاع درجة الحرارة وفقدان الطاقة الكهربائية على الانقطاع وخصائص ما قبل القوس (التيار مقابل الوقت) خاصةً في تصميم الصمامات، بحيث تعتبر خصائص ما قبل القوس (i-t) معطيات مهمة.

وهناك بعض الدراسات حول خصائص (i-t) “للصمامات الكهربائية”، وفي القرن العشرين استخدم (A. Wright) و (X. Z. Meng) طريقة تحليل العناصر المحدودة لدراسة خصائص (i-t)، كذلك استخدم (Cheim) نموذج خط النقل لدراسة خصائص (i-t)، وفي القرن الحادي والعشرين تم تحسين البرامج التجارية للعناصر المحدودة، كما وبدأ المزيد والمزيد من الباحثين في استخدام (ANSYS) و (COMSOL) لبناء نماذج اقتران كهروحرارية.

لذلك يوضح الشكل التالي (1) تمثيلاً للمشكلة الأمامية والمعكوسة، بحيث تعتبر طريقة تصميم الصمامات التقليدية مشكلة تقدمية، بحيث يصمم المهندسون مصهراً كهربائياً بناءً على الخبرة، ثم يستخدمون التجارب لاكتساب خصائص ما قبل القوس (i-t) وهذه هي المشكلة الأمامية لتصميم الصمامات، ومع ذلك في التطبيق العملي، يطلب العملاء خصائص (i-t) محددة للقوس في البداية.

ومن ثم يجب على المهندسين تصميم المصهر الكهربائي بناءً على هذه الطلبات؛ فهذه هي المشكلة العكسية لتصميم الصمامات، بحيث يتطلب حل المشكلة العكسية تعديل التصميم بشكل متكرر بناءً على النتائج التجريبية المتكررة، وذلك حتى تلبي النتائج طلبات العملاء.

لذلك تطور التعلم الآلي بسرعة في السنوات الأخيرة، بحيث يشمل مجال البحث الخاص بالتعلم الآلي تحليل الانحدار وتقليل الأبعاد والتكتل، كما يستخدم تحليل الانحدار على نطاق واسع في تحليل “الأجهزة الكهربائية”، مثل قواطع الدائرة والمحولات الكهربائية و (IGBT) وما إلى ذلك، بحيث تظهر نتائج البحث أن تحليل الانحدار مناسب للغاية لتحليل الأعطال والتنبؤ بالخصائص الكهربائية وحساب متطلبات التصميم.

لذلك؛ فإنه مناسب للغاية لحل مشكلة التصميم العكسي للصمامات الكهربائية، كذلك قد يتطلب ذلك إنشاء وظيفة تعيين بين خصائص (i-t) ومتطلبات تصميم الصمامات، ثم استخدام طريقة التعلم الآلي للحصول على المعلمات المثلى لوظيفة التعيين.

نموذج المشكلة الأمامي للفتيل الكهربائي بناءً على تحليل العناصر

يتم وصف مرحلة ما قبل القوس للصهر الكهربائي على النحو التالي، وعندما يمر تيار خطأ عبر فتيل كهربائي، يكون توليد الحرارة أكبر من تبديد الحرارة، لذلك ترتفع درجة حرارة عنصر المصهر، وفي المنطقة المقيدة لعنصر الصمامات، تكون درجة الحرارة أعلى من الأجزاء الأخرى، وعندما تصل درجة حرارة المنطقة المحظورة إلى نقطة الانصهار؛ تبدأ المنطقة المحظورة في الذوبان وتولد قوساً كهربائياً وهذا يشير إلى نهاية فترة ما قبل القوس.

نموذج ما قبل القوس على أساس تحليل مجال اقتران الكهروحرارية

حساب فترة ما قبل القوس هو مشكلة “اقتران حراري”. توصف طريقة الحل على النحو التالي، وذلك بناءً على قانون نقل الحرارة، بحيث يمكن وصف مجال درجة حرارة الحالة غير المستقرة بواسطة العلاقات التالية، بحيث تعني أن الحرارة الناتجة عن مصدر حرارة داخلي بالإضافة إلى تبديد الحرارة تساوي الحرارة التي تسبب ارتفاع درجة الحرارة.

حيث أن:

(Kx ،Ky ،Kz): هو معامل انتقال الحرارة.

(q): هو توليد الحرارة بواسطة مصدر الحرارة الداخلي.

(ρ): هي الكثافة.

(c): هي الحرارة المحددة.

نتائج محاكاة فترة ما قبل القوس الكهربائي

تم استخدام برنامج تحليل العناصر المحدودة لحساب ارتفاع درجة حرارة الصمامات الكهربائية في فترة ما قبل القوس الكهربائي، بحيث يتكون نموذج المصهر من ثلاثة أجزاء، وهي غلاف أسطواني من السيراميك ورمل السليكا وعنصر مصهر، وكذلك مادة عنصر الصمامات من الفضة، كذلك أبعاد الصمامات موضحة في الجدول التالي (1).

كما تكون المنطقة المقيدة لعنصر المصهر في شكل نصف دائرة، وذلك كما هو موضح في الشكل التالي (2)، حيث أن (T1) هو سمك عنصر المصهر، كذلك (R1) هو نصف قطر دائرة المنطقة المحظورة، بحيث تظهر معلمات المحاكاة في الجدول التالي (2).

وفيما بعد تم اقتراح طريقة عكسية لحل المشكلة لخصائص (i-t) للصهر الكهربائي بناءً على التعلم الآلي، بحيث تظهر نتائج الحساب ما يلي:

يمكن لنموذج الشبكة المرنة أن يتنبأ بدقة بمعلمات التصميم لعنصر الصمامات، بما في ذلك السُمك (T1) ونصف القطر (R1) للمنطقة المقيدة، بحيث يبلغ متوسط قيمة الأخطاء النسبية لـ (T1)، (R1 15.7٪)، (3.4٪) على التوالي.

كذلك تظهر زيادة عامل الجزاء والخطأ المرن سيقلل من خطأ الاختبار، وذلك بتغيير الخطأ الجزائي إلى (0.8)، بحيث ينخفض متوسط قيمة الأخطاء النسبية لـ (T1) و (R1) بنسبة (14.1٪ و 1.7٪) على التوالي، وبتغيير الخطأ المرن إلى (0.8)، بحيث ينخفض متوسط قيمة الأخطاء النسبية لـ (T1) و (R1) بنسبة (13.1٪ و 2.1٪) على التوالي، كما يمكن أن توفر نتائج البحث حلاً جديداً لمشكلة تصميم الصمامات الكهربائية.