المحرك الحثي الموفر للطاقة الكهربائية والتردد الواسع

أهمية المحرك الحثي الموفر للطاقة الكهربائية والتردد الواسع

تشير التقديرات إلى أن المحركات الكهربائية تستهلك حسب القطاع الاقتصادي من (30% – 70%) من الكهرباء، بحيث تم تركيب حوالي 300 مليون محرك كهربائي صناعي وتتزايد الكمية بنسبة (15%) سنوياً، كما تمثل المحركات المتغيرة السرعة أكبر إمكانية لعملية توفير الطاقة الكهربائية، ولهذا السبب تشير التقديرات إلى أنها تمثل 30٪ إلى 40٪ من المحركات المثبتة حديثاً في الاتحاد الأوروبي (EU).

حالياً فيما يتعلق بالمحركات التي تعمل على ترددات رئيسية؛ فإنه يتم تطبيق متطلبات صارمة للغاية فيما يتعلق بكفاءتها، والتي تحددها فئات الكفاءة، ومع ذلك لا توجد متطلبات محددة بوضوح للمحركات التي تعمل في نطاق تردد واسع. هناك طريقتان رئيسيتان لزيادة الكفاءة في المحرك الكهربائي، كما أن النهج الأول هو تحسين التصميم المادي للمحرك والطريقة الثانية هي تصميم وحدة تحكم لتقليل الخسائر في المحرك الكهربائي.

أيضاً يتم تقديم نظرة عامة واسعة على طرق وصف الخسائر في نماذج آلات الحث وطرق التحكم التي تسمح بتقليلها، كذلك هناك مشكلة أخرى تتمثل في تقليل فقد الطاقة في الحالات الديناميكية، مثل بدء التشغيل أو تغيير سرعة الدوران، بحيث يقتصر الطرح فقط على دراسة الحالات الثابتة وزيادة كفاءة المحرك من خلال إجراءات التصميم.

كما أنه يتمثل أحد قيود استخدام طريقة تحكم أكثر تعقيداً في حقيقة السعي للحصول على أقل تكلفة ممكنة للمحرك باستخدام وحدة التحكم مع تحقيق وفورات في الطاقة طوال تشغيله وتحقيق كفاءة قريبة من القيمة التي تفرضها فئات الكفاءة المحددة لـ تردد التيار الكهربائي، وذلك للمحرك من نفس الطاقة المقدرة.

في هذا العمل، حاول الباحثون استخدام الأساليب المقترحة لتحقيق كفاءة حركية أكبر، ولكن تبين أن معظمها غير مجدية، كما أن هذا يرجع بشكل أساسي إلى الميزة الأساسية للمحرك، أي التشغيل في نطاق تردد واسع جداً، بحيث لا يمكن تطبيق الأساليب التي كانت فعالة لمحرك واحد حتى عالي التردد لأنها قللت بشكل كبير من كفاءة الماكينة عند التردد الكهربائي المنخفض.

تصميم محرك موفر للطاقة يعمل في نطاق تردد واسع

يعتبر المحرك المدروس لقيادة الآلات الكهربائية الصناعية، مثلاً خلال دورة غسيل واحدة يعمل بترددات (10) أو (20) هرتز (البداية ونقع الحمولة والغسيل المناسب) و 350 هرتز (الدوران)، وكما هو مبين في الشكل التالي (1)؛ فإنها تعمل بقيمة مختلفة من عزم الدوران الكهرومغناطيسي ولها قوة مختلفة على عمود المحرك في كل من نطاقات التردد المذكورة.

وعند تصميم محرك موفر للطاقة لقيادة الآلات الصناعية، كان من المفترض أنه سيلبي على الأقل متطلبات فئة الكفاءة (IE2) في نطاق التشغيل بأكمله؛ فإن المحدد لتردد جهد الإمداد البالغ 50 هرتز، وذلك مع الحفاظ على الأبعاد الكلية فرضت من قبل مصممي الغسالات، بحيث تحدد المساحة المخصصة لتركيب المحرك في الآلة الحد الأقصى للقطر الخارجي (المحرك بدون غلافه الخاص) والطول الإجمالي للمحرك.

وبالنسبة لمحركات السرعة المتغيرة؛ فقد ظهرت لائحة الاتحاد الأوروبي (1781/2019)، والتي تقدم ضرورة المحركات ذات القدرة المقدرة (0.12) كيلو واط أو أكثر وتساوي أو تقل عن (100)0 كيلوواط لتلبية متطلبات فئة الكفاءة (IE2) (عند تردد التيار الكهربائي – 50 هرتز)، كما يتم عرض نتائج هذه التغييرات، بحيث يقدم الجدول الأول المتطلبات المقترحة لكفاءة محرك مثالية لقيادة الآلة الصناعية القادمة من تلك اللائحة.

كذلك كان الهيكل الأساسي لعملية التصميم هو المحرك المستخدم حالياً في محرك الغسالة، لذلك كان محرك (SK 120/120) رباعي الأقطاب بقطر خارجي ثابت وطول حزمة أساسية (120) مم، وذلك مع الجزء الثابت والدوار مع فتحات شكل الدمعة وفتحات الدوار شبه المغلقة مع قلب مصنوع من صفيحة (M470-50A) مع بسمك 0.5 مم، بحيث فرض مصنعو الآلات الكهربائية قيوداً على الأبعاد الكلية للمحرك، وخاصة طوله.

وبالنسبة للقيم المنخفضة لتردد جهد الإمداد (10 ، [20 i 50] هرتز)؛ يتمتع هذا المحرك بكفاءات أقل بكثير، وذلك حتى من القيمة المطلوبة للفئة (IE1) عند (50) هرتز، وذلك لتحسين كفاءة آلات الحث، كذلك من الضروري تحليل أصل الخسائر، وعادة يتم تصنيف خسائر المحرك التعريفي في خمس فئات، كما أن خسائر مقاومة في لف الجزء الثابت ومقاومة الخسائر في لف الدوار والخسائر الأساسية.

حيث أن الخسائر الإضافية الأخرى التي يشار إليها عادةً باسم خسائر الاحتكاك والرياح، كما أن الخسائر الميكانيكية والديناميكية الهوائية، كما وتجدر الإشارة إلى أن الخسائر الأساسية الإضافية غالباً ما يتم تضمينها في (SL)، خاصةً عندما يكون من الصعب تحديدها بشكل صحيح.

لذلك عند وجود ترددات أقل من أو تساوي تردد التيار الرئيسي (50) هرتز؛ فإنها تسود الخسائر في اللفات في المحرك، بينما في الترددات الأعلى بكثير من التردد الكهربائي للتيار الرئيسي، كما تسود الخسائر في قلب المحرك الكهربائي، وذلك حسب الشكل التالي (2)، وعلاوة على ذلك ؛ فإنه يجب أن يحقق المحرك في نطاق تشغيله بالكامل قيمة عزم الدوران المحددة على العمود.

الإعداد التجريبية الخاصة بتصميم المحركات

تم إجراء جميع القياسات في نظام القياس الموضح في الشكل التالي (3)، كما تم تشغيل المحرك إما من التيار الكهربائي أو من عاكس تعديل عرض النبض (Mitsubishi FR-D720S-100SC-EC)، وهو مطابق لتلك المستخدمة في الآلة) مع مصدر طاقة أحادي الطور يعمل بتردد تبديل (PWM 14.5) كيلوهرتز والتحكم في التعديل المُقيَّم بجيب وسعة خرج مُقدرة (3.8) كيلو فولت أمبير وتيار مُصنَّف 10 أمبير (طرق التحكم: تحكم V / f – مستخدم )، كذلك تحكم في الإثارة الأمثل أو مغناطيسي للأغراض العامة التحكم في ناقلات التدفق).

لذلك يوفر نظام الكبح التباطؤ (Magtrol HD-715-8NA) تحميلاً دقيقاً لعزم الدوران بشكل مستقل عن سرعة العمود بدقة، بحيث تم استخدام ± 0.25٪ (مقياس كامل) كحمل، كما تم قياسها باستخدام محولات تيار دقيقة ومحول تناظري رقمي متعدد القنوات للتيارات والفولتية اللحظية (بطاقتا قياس NI-PCI-6133) من (National Instruments) مع أخذ العينات في وقت واحد باستخدام فترة أخذ العينات (3) ميكرو ثانية) وكذلك سرعة الدوران وعزم دوران الحمل.

أيضاً تم التحكم في القياس عن طريق نظام قياس يعمل تحت سيطرة برنامج (LabView)، وذلك بناءً على قيم الجهد والتيار المقاسة، بحيث تم حساب طاقة خرج العمود وقوة الإدخال وقيم جذر متوسط ​​المربع لجهود الطور والتيارات، كما تم قياس مقاومة اللف بعد القياس التالي لمعيار (IEC 60034-2-1) (أيضاً IEEE 112) و (IEC Std 60034-2-3)، كذلك العدادات المستخدمة تفي بمتطلبات المعايير المذكورة أعلاه بما في ذلك.

بالإضافة إلى ذلك؛ فإنه تم قياس درجة حرارة لفات الجزء الثابت والدوار بواسطة مزدوجات حرارية مدمجة أثناء بناء النموذج، وذلك مع إرسال الإشارة من أجهزة الاستشعار في الدوار لاسلكياً إلى النظام الخارجي، وذلك قبل تسجيل كل نقطة تشغيل، كما تم إنشاء التوازن الحراري للمحرك، لذلك كان هناك عنصر إضافي يزيد من دقة القياسات وهو قياس الخسائر الميكانيكية في نظام منفصل مع محرك تم اختباره مدفوعاً بمحرك إضافي وقياس عزم الدوران مباشرة على عمود المحرك الكهربائي.