طريقة قياس كثافة التدفق المتبقي لمحول أحادي الطور على أساس ثابت الوقت

ضرورة قياس كثافة التدفق المتبقي لمحول أحادي الطور

عندما يكون محول الطاقة في حالة انقطاع وفي عمليات اختبار مختلفة؛ فإن كثافة التدفق المغناطيسي الداخلي في قلب الحديد لا تنخفض إلى الصفر، وبالتالي فإن كثافة التدفق المتبقي غير المعروفة (Br) هي التي تنتج عن خصائص التباطؤ لمواد قلب الحديد، وذلك عندما يتم تبديل المحول للاتصال بشبكة الطاقة مرة أخرى، بحيث سيتم إنتاج تيار تدفق ممغنط.

وفي بعض الأحيان، قد يكون هذا التيار أعلى من (6) إلى (8) مرات من تيار الحالة المقدرة، مما يؤدي إلى فشل المحول في الاتصال بشبكة الطاقة. لقمع تيار الاندفاع، كما تم اقتراح تقنية الإغلاق المتزامن وتقنية إغلاق اختيار الطور، وذلك على أساس مقدار (Br) واتجاه الحصول عليه.

وعلاوة على ذلك؛ فإن إزالة المغنطة دون معرفة حجم (Br) في قلب المحول ليس فقط مضيعة للوقت وشاقاً، ولكن له أيضاً تأثير ضعيف في إزالة المغناطيسية، وبالتالي، من الأهمية بمكان الكشف الدقيق عن (Br) في قلب المحول من أجل التشغيل الآمن لمحولات الطاقة الكبيرة وحتى شبكات الطاقة.

الطرق الرئيسية لقياس (Br) في قلب المحول

طريقة التقدير: عندما تغادر محولات الطاقة الكبيرة المصنع، تُستخدم طريقة التقدير التجريبية عموماً لتقدير (Br) في قلب الحديد. ويعتبر أن (Br) يمثل [20٪ – 80٪] من كثافة التدفق المشبع، كما وجد أن (Br) لا يزيد عن (0.7) مرة من كثافة التدفق المشبع من خلال تحليل أكثر من (500) محول، ومع ذلك؛ فإنه يمكن لهذه الطريقة فقط تقدير نطاق (Br) تقريباً ولا يمكنها التنبؤ بدقة بحجم (Br) في قلب الحديد.

طريقة القياس غير المباشر: يتم حساب (Br) قبل التنشيط بناءً على قيمة الذروة التي تم الحصول عليها لتيار الاندفاع الممغنط بعد تنشيط المحول، ومع ذلك؛ فليس من المؤكد أن هذه الطريقة يمكن تطبيقها على قياس (Br) قبل إغلاق المحول.

طريقة ما قبل المغنطة: من خلال تطبيق تيار أكبر على اللب، يتم تغيير كثافة التدفق الداخلي للنواة من (Br) الأصلي إلى كثافة التدفق المغناطيسي المشبعة، وبعد ذلك يتم استخدام تقنية إغلاق اختيار المرحلة أو طريقة إزالة المغناطيسية لقمع تيار الاندفاع الممغنط.

كما تم اقتراح إثارة جهد التيار المستمر بقطبية متفاوتة لقياس (Br)، والتي هي في الأساس نفس طريقة ما قبل المغنطة، وعلى الرغم من أنه يمكن قياس حجم (Br)؛ فقد تم تغيير (Br) إلى كثافة التدفق المشبع، كما ويلزم وجود تيار كبير لتشبع قلب الحديد، وأخيراً لإزالة مغناطيسية (Br)، كما يلزم وقت إضافي ومعدات باهظة الثمن.

طريقة تكامل الجهد: تعتمد هذه الطريقة على قانون “الحث الكهرومغناطيسي”، وذلك من خلال تسجيل شكل موجة الجهد في وقت فتح المحول، بحيث يتم الحصول على (Br) بطريقة تكامل الجهد الكهربائي، ومع ذلك؛ فإنه لا يمكن تحديد الحد الأعلى للتكامل (وقت الفتح) بسهولة، وذلك نظراً لخصائص التباطؤ للمادة المغناطيسية، ويختلف (Br) المقاس في لحظة الفتح عن (Br) بعد التثبيت.

طريقة قياس الإثارة العابرة: يتم الحصول على (Br) عن طريق إنشاء العلاقة بين (Br) والتيار الكهربائي الممغنط، ومع ذلك، تستخدم هذه الطريقة منحنى المغنطة في نموذج المحاكاة، وبالتالي يتم تقليل هذه الدقة بشكل كبير ولا يتم الحكم على اتجاه (Br). لمعالجة قيود هذا النهج، كما يحلل المؤلف العلاقة بين (Br) وفرق التيار العابر.

ومع ذلك؛ فإنه لا يتم تحديد وقت قياس فرق التيار العابر بسهولة، مما قد يؤدي إلى دقة أقل في حساب (Br)، كما يتم حساب (Br) على أساس ثابت الوقت الموجب، ومع ذلك؛ فإنه يتم قياس (Br) فقط في اتجاهات (Br) المعروفة، وليس في اتجاهات غير معروفة، وعلاوة على ذلك، لم يتم تحليل تأثير الإثارة الخارجية على (Br)، لذلك لا توجد طريقة فعالة لقياس Br في قلب الحديد.

مبدأ وطريقة قياس كثافة التدفق المتبقي المقترحة

عندما يكون قلب المحول متحمساً خارجياً، وذلك بسبب تغيرات بنية المجال المغناطيسي داخل المادة الأساسية، كما يُظهر المغناطيس الحديدي خصائص مغناطيسية معينة إلى الخارج، حيث يوضح الشكل التالي (1) مبدأ توليد (Br) تحت حالات مغنطة مختلفة.

وكما هو موضح، تنقسم عملية المغنطة إلى ثلاث حالات:

• حالة مغنطة عكسية، وذلك عندما تزداد شدة المجال المغناطيسي الخارجي (H) من (0) إلى النقطة (a)، كما سيحدث تغيير المجالات المغناطيسية في مرحلة مغنطة عكسية، وبعد ذلك عندما تختفي (H) ، لا يكاد يتم إنشاء (Br).

• حالة مغنطة لا رجوع فيها، وذلك مع زيادة (H) إلى النقطة (b)، بحيث تبدأ حركة المجالات المغناطيسية في التغيير من إزاحة جدار “المجال المغناطيسي” القابل للانعكاس إلى إزاحة جدار المجال المغناطيسي التي لا رجعة فيها، وبالتالي إظهار مغناطيسية أقوى للعالم الخارجي، كذلك عندما يختفي (H) فجأة، كما لا يمكن استعادة حالة المجال المغناطيسي إلى حالتها الأصلية.

• حالة المغنطة المشبعة، وذلك عندما تستمر (H) في الزيادة إلى النقطة (c)، بحيث تدخل حركة المجال المغناطيسي في الحالة المشبعة، وذلك بعد اختفاء (H)، كما يتم إنشاء (Br) كبير ولا يتم تجاهله.

الطريقة المقترحة لقياس كثافة التدفق المتبقي

يوضح الشكل التالي (2)، كما أن المبدأ الأساسي لطريقة قياس (Br) المقترحة، وكما هو مبين في الشكل (2- A)، يتم عرض دائرة القياس للطريقة المقترحة، حيث أن (Br) هي كثافة التدفق المتبقية الأولية في قلب الحديد التي يحددها تيار كبير، كما يتم تطبيق جهد التيار المستمر u (t) على ملف القياس لإخراج كثافة تدفق الاختبار (Bt) على (Br) الأولي.

وعندما يتم تطبيق جهد تيار مستمر موجب بنفس القطبية؛ فإنه يتم إنشاء (Bt) على أساس (Br) الأولي بحيث يزداد (Br) الفعلي في قلب الحديد، بالإضافة إلى ذلك؛ فإنه عند استخدام جهد تيار مستمر سالب مع قطبية معاكسة لـ (Br)، يتم إنشاء (-Bt) على (Br) الأولي وسيقل حجم (Br)، وفي نفس الوقت، يتم إنشاء التيار العابر المقابل [i (t)]، وذلك كما هو موضح في الشكل (2- B).

عندما يتم تطبيق جهد تيار مستمر موجب في لف القياس، يزداد تيار عابر موجب [IP (t)]، بينما يتم تطبيق جهد (DC) السالب مع قطبية معاكسة لـ (Br)، كما سينخفض التيار العابر السالب في (t)، ومع ذلك مقارنة بالعملية الأولى، ونظراً لظاهرة التباطؤ في مادة الحديد، يكون معدل تغير [IP (t)] أبطأ مما هو عليه في (t) (حسب الشكل 2 (B)).

كما ينعكس معدل تغيير [ip (t)] أو في (t) من خلال ثابت الوقت الموجب أو السالب (τp أو n) في العملية العابرة، بحيث يتم تعريف ثابت الوقت على أنه هذه اللحظة عندما تنخفض قيمة الحالة المستقرة للتيار العابر (1 / e)، وبالتالي يتم تحديد اتجاه (Br) بمقارنة (τp) و (n)، كما وتم العثور على العلاقة بين (Br) والفرق (Δτ) لـ [τp و n] لتحديد حجم (Br) في قلب الحديد، بحيث يتم التعبير عن (Δτ) في (Br) كـ: