الفرامل المغناطيسية لحماية التيارات الكهربائية الدوامية

أهمية الفرامل المغناطيسية لحماية التيارات الكهربائية الدوامية

نظراً للتناقص التدريجي لتوافر الموارد المعدنية الصلبة الضحلة، أصبح من الضروري استكشاف طبقات الفحم العميقة، ونتيجة لذلك تم تطوير نظام رفع مع طاقة حركية كبيرة للاستخدام في عمود فائق العمق، وذلك على الرغم من أن نظام الرفع يمكنه استغلال المزيد من موارد الفحم، إلا أنه من المحتمل أن يتسبب في وقوع حوادث بسبب الظروف الجيولوجية الأكثر تعقيداً، لذلك أصبحت متطلبات الموثوقية لميزات الأمان في نظام الرفع هذا أكثر صرامة.

عند حدوث حادث فرط في نظام رفع القدرة الكهربائية؛ فإنه يجب أن يكون جهاز الحماية المقابل قادراً على تطبيق الفرامل على حاويات الرفع بسلاسة في الوقت المناسب، مما يوفر حماية من فرط توليد الرياح، حيث أن هناك أنواع عديدة من طرق الحماية من الالتفاف الزائد، مثل نوع الخشب على شكل إسفين ونوع الاحتكاك ونوع الحزام الفولاذي والنوع الهيدروليكي، ومع ذلك؛ فإن هذه الطرق تتضمن فرملة التلامس، والتي تؤدي عادةً إلى تآكل مكونات الاحتكاك وتسبب أضراراً جسيمة للمعدات وتقلل من عمر المعدات.

على سبيل المثال، تتمثل إحدى طرق الحماية الكهربائية المفرطة في تطبيق خشب على شكل إسفين في دليل القفص، لكن قوة الخشب منخفضة ، مما يوفر حماية غير كافية لحاويات الرفع، بحيث يستخدم نوع الحماية ضد الاحتكاك بشكل أساسي الاحتكاك لفرملة حاويات الرفع، والتي يمكن أن يتأثر أدائها بالتلاشي الحراري.

كما يعتمد نوع الحزام الفولاذي للحماية من التجاوز بشكل أساسي على تشوه الحزام الفولاذي لاستهلاك الطاقة الحركية لحاويات الرفع، لذلك تتضمن هذه الطريقة بنية معقدة وأوقات استخدام متكررة محدودة، و في النوع الهيدروليكي لحماية الانقلاب الزائد، يتم استخدام أسطوانة هيدروليكية لامتصاص الطاقة الحركية لحاويات الرفع، ولكنها كبيرة الحجم وتشغل مساحة كبيرة.

كما أنه من الصعب استخدام هذه الطرق لتلبية متطلبات الموثوقية والاستقرار لأن حاويات الرفع تتمتع بكتلة كبيرة وطاقة حركية وقصور ذاتي ولأن بيئة الأعمدة شديدة العمق معقدة، وفي المقابل؛ فإن فرملة التيار الدوامي هي  آلية تتضمن وضع فرملة بدون تلامس مع العديد من المزايا، مثل عدم التآكل والموثوقية العالية والكبح المستقر، وبالتالي؛ فإن فرملة التيار الدوامي هي تقنية يمكن تطبيقها على الأرجح لحماية أنظمة الرفع من الالتحام الزائد.

التركيب الخاص بالفرامل المغناطيسية

نقدم طريقة جديدة للحماية من الانقلاب الزائد من خلال تطبيق (LPMECB)، وذلك على نظام الرفع التقليدي، بحيث يتكون نظام الرفع الجديد من حزامة رأس علوية وموتر وحبال سلكية و (LPMECB) وحاويات رفع وحزم رأس لأسفل، وذلك كما هو موضح في الشكل التالي (1)، لذلك تعتبر حزمة الرأس العلوية هي مكون المحرك الذي يوفر الطاقة للرفع النظام.

كما تتمثل الوظيفة الرئيسية للموتر في توفير شد معين للحبل السلكي وتشغيل مستقر في نظام الرفع، بحيث يتم نشر آلة الرأس السفلية في الفتحة السفلية وتتمثل وظيفتها في موازنة قوة نظام الرفع، بالإضافة إلى ذلك يتم تقليل اهتزاز وتأرجح الحبل السلكي وحاويات الرفع.

وفي ظل ظروف التشغيل العادية، لا توجد حوادث انقلاب في نظام الرفع، لذلك ستتوقف “حاويات الرف” قبل دخولها مناطق التجاوز العلوية والسفلية ولا يحتاج (LPMECB) إلى التصرف، ومع ذلك عند حدوث حادث طاحن في نظام الرفع؛ فإنه يبقى من الضروري أن يقوم (LPMECB) بمنع حادث الانقلاب الزائد بسرعة لحماية الأفراد وتقليل خسائر المعدات.

ولتحليل هذه العملية، يتم تبسيط حاويات الرفع على أنها (CPs)، حيث أن حاويات الرفع عبارة عن هياكل هيكلية معدنية، كما يشتمل (LPMECB) على (PMs) ومكواة خلفية (BIs) واثنين من (CPs)، وهكذا يوضح الشكل التالي (2) نموذجاً ثنائي الأبعاد ل(LPMECB)، حيث أن خطوط الأسهم هي المسارات المغناطيسية و (d) و (lx) هما خطوة القطب وعرض (PM) على التوالي.

وبالإضافة إلى ذلك؛ فإن المجال المغناطيسي الذي يترك أقطاب (N) من (PM) يعبر (AG)، كما وينقسم إلى قسمين متساويين، بحيث يسير كل منهما في الاتجاه المعاكس نحو القطبين (S)، ووفقاً لقانون الحث الكهرومغناطيسي؛ فإن الحركة النسبية لكل من (CP) و (PMs) تسبب تياراً دائرياً في (CP)، وذلك بسبب دوران تيار الدوامة، كما يتم إنشاء المجالات المغناطيسية وتتفاعل هذه المجالات المغناطيسية مع التدفق المغناطيسي الناتج عن (PMs)، مما ينتج عنه قوة كبح بين (CP) و (PMs).

النموذج التحليلي الخاص بالفرامل المغناطيسية

يعتبر (CP) بمثابة مادة خطية، وذلك بغض النظر عما إذا كانت مغناطيسية أم لا، وبالتالي يمكن حل مشكلة “المجالات المغناطيسية” عن طريق تراكب مشكلتين فرعيتين وفقاً “لطريقة روغوفسكي”، حيث أن مشكلة ثابتة ومشكلة التيار الكهربائي الدوامي، وفي المشكلة الساكنة يتم أخذ مغنطة (PMs) فقط في الاعتبار، وفي المقابل وبالنسبة لمشكلة التيار الدوامي؛ فإنه من المفترض أنه لا يوجد مغنطة باستثناء تيار الدوامة في (CP).

كما يتم تحديد المتطلبات الأولية لنموذج المحاكاة والنظام التجريبي من خلال سمك (PM 10) مم، سمك (CP 10) مم، سماكة (BI 5) مم، كما أن العمل المحدد يتم على النحو التالي:

بالبداية تم إنشاء نموذج ثنائي الأبعاد خماسي الطبقات (الشكل التالي 3)، ولك في نظام الإحداثيات الديكارتية الذي يأخذ في الاعتبار فقط تباين التدفق المغناطيسي في المستوى (x-y)، لأن التدفق المغناطيسي ثابت في اتجاه (z)، وفي هذا النموذج؛ فإنه يتم تصنيف المجالات المغناطيسية إلى (5) طبقات:

الطبقة الأولى هي الهواء والطبقة الثانية هي (CP) وسمكها (g)، كذلك؛ فإن الطبقة الثالثة هي (AG) وسمكها (δ)، كما أن الطبقة الرابعة هي (PMs)، وهي التي يبلغ سمكها (hm)، وأخيراً؛ فإن الطبقة الخامسة هي (BI) وسمكها (b).

نتائج المحاكاة الخاصة بالفرامل المغناطيسية

وفقاً للنموذج التحليلي، تم إنشاء نموذج العناصر المحدودة ثلاثي الأبعاد لـ (LPMECB) باستخدام برنامج مجال متعدد الفيزياء (COMSOL Multiphysics 5.0)، وذلك كما هو موضح في الشكل التالي (4)، وفي هذا النموذج يتم توزيع (PMs) بشكل موحد على طول الاتجاه من (CP)، كما ويتم اختيار الحديد النقي الصناعي لـ (BI)، حيث أن مادة (CP) هي النحاس (σ = 14 Ms / m) والألمنيوم (σ = 37 Ms / m) والنحاس (σ = 57 Ms / m).

كذلك؛ فإن نوع (PM) هو (N35) وحجم (PM) هو [10 مم × 20 مم × 30 مم) وسماكة (CP) تبلغ (10) مم وسماكة (BI) حوالي (5) مم، ونظراً لأن (CP) عنصر مهم في (LPMECB)؛ فإنه يتم تعيين شبكة (CP) على أنها أدق، كما ويتم ضبط شبكة (PM) و (BI) على الوضع الطبيعي ويتم ضبط شبكة الهواء على أنها أكثر خشونة.

كذلك يتم استخدام الحل الثابت تلقائياً كشرط أولي، ويتم إنشاء شروط الحدود تلقائياً بين المكونات المختلفة لـ (LPMECB) عند تشكيل التجميع، كما أن استخدم حفظ التدفق المغناطيسي في المجالات غير الموصلة وقانون أمبير في المجالات الموصلة، لذا قم بإعداد المغناطيس الدائم كمجال محدد من قبل المستخدم مع بقاء ونفاذية.