دراسة العناصر اللونية للمحرك الكهربائي الحثي ثلاثي الطور

الهدف من دراسة العناصر اللونية للمحرك الكهربائي الحثي ثلاثي الطور

يعتبر عدم توازن الجهد (VU) هو حالة شائعة لا يمكن تجنبها في أنظمة الطاقة والتي تنشأ لأسباب عديدة موثقة جيداُ، بحيث تعتبر المحركات الحثية ثلاثية الطور المتصلة (IMs) بمثابة حصان العمل الرئيسي في التطبيقات الصناعية وتتأثر سلباً عن طريق العرض (VU)، كذلك التأثير الضار الرئيسي لتزويد (VU) على (IMs) ثلاثية الطور هو الارتفاع المفرط في درجة الحرارة الناجم عن الخسائر المتزايدة وغير الموزعة بشكل متساوٍ، مما يؤدي إلى تدهور عمر عزل المحرك.

وليس فقط فقدان النسق، ولكن أيضاً زيادة مستويات الضوضاء والاهتزاز وانخفاض الكفاءة وانخفاض عزم الدوران الناتج من النتائج الأخرى لـ (VU)، بحيث تُعزى مستويات الضوضاء والاهتزاز المتزايدة إلى التردد التوافقي المزدوج في عزم الدوران الكهرومغناطيسي الذي يتناسب مع مقادير جهد التسلسل الموجب والسالب، كما تم التحقيق في الآثار الضارة لـ (VU) على (IMs) منذ الخمسينيات، مما أدى إلى تطوير عوامل الانحراف مثل ارتفاع درجة الحرارة في النقاط الساخنة.

لذلك لا يتجاوز القيم المحددة للتشغيل الآمن للمحركات في ظل عدم توازن مصدر الإمداد، وهناك معيار (NEMA)  يوصي بتقليل الرسائل الفورية ثلاثية الطور بمساعدة منحنى خفض التيار الكهربائي الذي يعتمد على النسبة المئوية للجهد غير المتوازن (PVU)، كما هو محدد في (1)، كما تم تقديم دليل مشابه بواسطة (IEC) والذي يوفر عوامل الخفض بناءً على حجم عامل عدم توازن الجهد المركب (CVUF) كما هو محدد في (2).

كما أن هناك عدد غير محدود من مجموعات الفولتية الطورية التي يمكن أن تؤدي إلى نفس حجم (PVU) أو (CVUF)، بحيث يمكن أن تؤدي كل مجموعة من التوليفات إلى أداء محرك مختلف فيما يتعلق بالفقد والاهتزاز وارتفاع درجة الحرارة، وبالتالي؛ فإن حجم جهد التسلسل الإيجابي هو كمية حرجة أخرى تؤثر على الخسائر وارتفاع درجة حرارة (IM)، وبالتالي يكون لها تأثير على خفض التيار الذي يجب تطبيقه للتشغيل الآمن والاقتصادي للـ (IMs) التي تعمل في ظل ظروف (VU).

علاوة على ذلك، يمكن أن يؤدي تغيير طفيف في (VU) إلى عدم توازن تيار كبير مما يؤدي إلى تدفق تيارات غير متوازنة غير متكافئة في المراحل الثلاث، وبالتالي يمكن أيضاً استخدام عامل عدم التوازن الحالي المعقد (CCUF)، وهو نسبة تيار التسلسل السالب إلى تيار التسلسل الإيجابي، وذلك لوصف شدة تأثير (VU) على (IMs).

المنصات التجريبية ومحاكاة العناصر اللونية للمحرك الكهربائي

منصة قياس الوحدات الحرارية المتقدمة

تُستخدم المسعرات على نطاق واسع لقياس خسائر الآلات الكهربائية بسبب ارتفاع درجات عدم اليقين في القياس المرتبطة بتقنيات قياس الكفاءة التقليدية، بحيث تم تقديم تكوينات مختلفة للمسعر في الدراسات لمعالجة القيود المرتبطة بتقنية المسعر، مثل التعقيد وطبيعة القياسات التي تستغرق وقتاً طويلاً.

كما تم تصميم مسعر الغرفة المزدوجة المبرد بالهواء لتسهيل اختبار المحركات بقدرة خرج مقدرة تصل إلى (3) كيلو واط، وذلك كما هو موضح في الشكل التالي (1)، بحيث ترد تفاصيل التصميم في الملحقات، كما أن المحرك (الجهاز قيد الاختبار) هو يقع في غرفة واحدة (الغرفة 1)، كما ويقع السخان المرجعي (مصدر الحرارة المعروف) في الغرفة الأخرى (الغرفة 2).

لذلك تم الحفاظ على تدفق الهواء من خلال كلا الغرفتين باستخدام مروحة مدخل، كما وتم قياس ارتفاع درجة الحرارة عبر كل غرفة على حدة، بحيث يتم نقل الحرارة من كل من المحرك والسخان من خلال التوصيل والحمل الحراري والإشعاع، و ذلك على الرغم من أن المسعر مصمم لتجربة تسرب حراري ضئيل للإشعاع، إلا أنه لا يمكن القضاء على تسرب الحرارة بالتوصيل الذي يتم حسابه لكل غرفة.

محاكاة العناصر المحدودة الخاصة الوحدات الحرارية المتقدمة

الهدف الرئيسي من محاكاة (FE) هو بناء نموذج رقمي دقيق للتنبؤ بالخسائر وارتفاع درجة الحرارة لملفات المحرك بسبب عدم توازن جهد معين في أطراف المحرك، حيث لا يمكن تقييمها تجريبياً لكل حالة عدم توازن في الجهد، كما تم تصميم محرك الاختبار على منصة محاكاة (Altair Flux 2D FE)، حيث لم يكن من الممكن تقييم الخسائر وارتفاع درجة حرارة محرك الاختبار لكل حالة عدم توازن في الجهد الكهربائي نظراً للوقت الأطول المطلوب لاختبار واحد.

كما تم تقييم الخسائر في المحرك باستخدام التطبيق الكهرومغناطيسي العابر ثنائي الأبعاد لأنه يوفر نتائج أفضل مقارنة بمحاكاة الحالة المستقرة ثنائية الأبعاد للأنظمة غير المتوازنة، بحيث يتم نمذجة السلوك الحراري للمحرك في تطبيق حراري ثنائي الأبعاد ثابت الحالة ويستخدم لتقييم ارتفاع درجة حرارة اللفات مع الفقد المحسوب من التطبيق الكهرومغناطيسي كمدخلات.

ونظراً للاعتماد المتبادل بين درجة حرارة اللف والفقد المغناطيسي وخصائص المواد للمحرك؛ فإنه تم استخدام محاكاة مشتركة بين المنصات الكهرومغناطيسية والحرارية للحصول على النتيجة النهائية، بحيث يؤدي استخدام تقنية المحاكاة المشتركة إلى تحسين دقة النتائج ولكنه يزيد بشكل كبير من وقت المحاكاة، لذلك من الضروري تصميم الهندسة الصحيحة للمحرك لمحاكاة (FE) لتحقيق دقة أفضل.

ومع ذلك؛ فإنه ونظراً لعدم توفر بيانات الهندسة الداخلية للمحرك بسهولة، تم قطع محرك قرباني من نفس النوع إلى نصفين واستخدامه لقياس التفاصيل الهندسية وإنشاء خصائص المواد، بحيث تم تصميم قلب الجزء الثابت والدوار كمناطق مغلفة مغنطيسية غير موصلة من فولاذ الصف الكهربائي (M-36)، بحيث يظهر الشكل الهندسي ثنائي الأبعاد مع الشبكة المستخدمة في عمليات المحاكاة في الشكل التالي (3).

حيث يتم استخدام تناظر الربع. لمحاكاة تأثير الجلد، كما تم تصميم قضبان العضو الدوار كمناطق موصلة صلبة من الألمنيوم المصبوب بمقاومة (4.9 × 10) مايكرومتر وتم تحديد خسائر المحرك لظروف (VU) المختلفة قيد الاختبار من خلال عمليات محاكاة عابرة على (Altair Flux 2D) وتم استخدام نموذج خسارة (Bertotti) مع معاملات النموذج كما هو موضح في الجدول التالي.

ولتقدير الخسارة الأساسية للمحرك، وبالنظر إلى وقت المحاكاة والموارد المطلوبة؛ فإنه لم يتم نمذجة انحراف الدوار للمحاكاة الكهرومغناطيسية لتقدير الخسارة، كما تم تضمين خسائر الاحتكاك وانحراف القذيفة بفعل الهواء في قياس الخسارة الإجمالي الذي تم الحصول عليه من (DCC)، ومع ذلك؛ فإن خسائر الاحتكاك وانحراف القذيفة بفعل الهواء تتناسب مع السرعة.

كما ويبقى متوسط ​​السرعة ثابتاً تقريباً لحالة حمل معينة بغض النظر عن حالة عدم توازن الجهد عند طرف المحرك، لذلك تم نمذجة خسائر الاحتكاك وانحراف القذيفة بفعل الهواء على شكل ثابت قدره (35.5) وات في محاكاة (FE) وتم حساب القيمة تجريبياً.

وأخيراً تنشأ قيود نموذج المحاكاة من تقدير الخصائص الكهرومغناطيسية والحرارية للمواد وخصائص المواد العامة الأخرى، والتي يمكن أن تختلف عن القيم الفعلية بسبب الحالات الشاذة المرتبطة بعملية التصنيع.