مستشعرات كشف أعطال الدائرة الكهربائية المفتوحة

لا يزال اكتشاف أخطاء اللف في الآلات الكهربائية المتزامنة للمغناطيس الدائم (PMSMs) ذات التصميمات المتعرجة المتعرجة مهمة صعبة لتقنيات التشخيص التقليدية، بحيث تقترح هذه التجارب نهجاً جديداً للاستشعار لهذه المشكلة من خلال التحقيق في تطبيق مستشعرات درجة الحرارة المخصصة غير الموصلة للكهرباء.

تحليل مستشعرات كشف أعطال الدائرة الكهربائية المفتوحة

تعد الآلات المتزامنة ذات المغناطيس الدائم (PMSMs) بمثابة عناصر أساسية لعدد من الأنظمة الصناعية المعاصرة، وذلك بدءاً من التطبيق كخيار محرك الدفع المفضل في المركبات الكهربائية الحديثة (EVs) إلى تمكين مكونات الأنظمة العسكرية والطبية وأتمتة المصانع والفضاء وطاقة الرياح، وهي نسبة كبيرة من تطبيقات (PMSM) في هذه المجالات، كما أصبحت القدرة على التشخيص الموثوق بها وفي الوقت المناسب لأخطاء (PMSM) مطلباً مهماً للاستخدام الفعال.

كذلك تصنف أخطاء (PMSMs) عموماً على أنها كهربائية (الجزء الثابت) وأعطال مغناطيسية وميكانيكية، كما تشير الاستطلاعات المتاحة إلى أن أخطاء لف الجزء الثابت هي واحدة من أكثر الأخطاء شيوعاً في الآلات الكهربائية، بما في ذلك (PMSMs)، حيث أن هذه الأخطاء ناتجة عن التدهور التدريجي لعزل الموصل، بحيث يرجع السبب الجذري إلى حد كبير إلى مزيج من إجهاد التشغيل الحراري والميكانيكي والكهربائي والعوامل البيئية المتعلقة بالتطبيق الذي تعمل فيه هذه الآلات.

كذلك يتم تعريف أخطاء اللف عموماً على أنها أخطاء الماس الكهربائي (SC) أو أخطاء دائرة مفتوحة (OC)، كما يمكن أن ينتج الأخير عن خطأ (SC)، ولكن يمكن أيضاً أن يبدأ بسبب اتصال غير صحيح أو اهتزاز مفرط، أيضاً يتم تكوين ملفات الجزء الثابت (PMSMs) بشكل عام مع خيوط مفردة أو متعددة متوازية، أما في التصميم الفردي الذي تقطعت به السبل، تؤدي أخطاء (OC) عموماً إلى عدم تناسق كهربائي ومغناطيسي، مما يؤدي إلى عدم اتزان واهتزازات تيارات الطور الظاهرة.

ومع ذلك، وفي تصميم اللف المجدول، فإنه يمكن التخفيف من آثار خطأ (OC) بطبيعته حيث يُسمح للتيار الكهربائي المطلوب بالتدفق في الخيوط المتوازية الصحية المتبقية من الطور المعيب، مما يوفر مقياساً لتحمل الخطأ، بحيث يمكن أن يؤدي ذلك إلى تعقيد تشخيص خطأ (OC) بشكل كبير استناداً إلى مؤشرات التشخيص القائمة على الإشارات الكهربائية أو الميكانيكية التقليدية.

تحقيق إجراءات استشعار أخطاء الدائرة المفتوحة

لتسهيل فهم متطلبات الاستشعار من أجل التعرف على توقيع خطأ (OC) الفعال؛ يتولى هذا القسم تحليل نموذج (FEA) متعدد الفيزيائية للخصائص الكهربائية والحرارية لأعطال (OC) لتصميم (PMSM) النطاق المتعرج، والذي تم فحصه في هذا العمل، كما يتيح ذلك تحديد القياسات الممكنة والمثلى المرتبطة بوجود خطأ (OC) وتحديد متطلبات استشعارها ومراقبتها.

وتحقيقا لهذه الغاية؛ تم تطوير نموذج كهرومغناطيسي وحراري (FEA) لاختبار (PMSM) الذي تم فحصه بقدرة (5.5) كيلو واط (المواصفات الموضحة في الجدول الأول) باستخدام حزم برامج (FEA) التجارية (Cedrat Flux2D ،Motor-CAD)، كما تمت محاكاة عملية الحالة المستقرة في نطاق التوليد الكهربائي مع لفات الجزء الثابت المتصلة بحمل مقاوم لغرض هذه الدراسة لتمكين تحديد وتوصيف واضح لتأثيرات الخطأ والتوقيعات.

كما يوضح الشكل التالي (1) تصميم لف طور الجزء الثابت لاختبار (PMSM)، بحيث يُنظر إلى الملف الصحي، كذلك يظهر الشكل (1-a) على أنه يتكون من ستة خيوط متوازية، كما يحتوي كل منها على ستة ملفات، حيث يحتوي كل ملف على (23) لفة، كما يعرض الشكل (1-b) مخططاً لخطأ (OC) ثلاثي الخيوط في هذا الملف لأغراض التوضيح.

النموذج الكهرومغناطيسي المرتبط بأعطال الدائرة الكهربائية المفتوحة

يظهر في الشكل التالي (2) تنبؤات تيار الجزء الثابت لنموذج (FEA) الكهرومغناطيسي لمحاكاة الظروف الصحية وأخطاء (OC)، كما أن النتائج المتراكبة لتيار الطور المتوقع لحالات خطأ (OC) الصحية وجميع حالات خطأ (OC)، والتي تم فحصها، أما في الشكل (2-a)، وبينما تظهر نتائج النموذج المقابل للتيار الصحي في الشكل (2-b) على التوالي، كما يُنظر إلى تيار الطور على أنه يُظهر انخفاضاً طفيفاً مع وجود الخطأ وزيادة الخطورة، وهذا هو نتيجة زيادة مقاومة الطور مع انخفاض عدد السلاسل النشطة المتوازية.

كما تم استخدام النتائج الحالية للمحاكاة من نموذج (FEA) الكهرومغناطيسي في نموذج (FEA) الحراري لمحاكاة التأثيرات الحرارية لأعطال (OC) في ملفات الجزء الثابت (PMSM)، كما تم استخدام البيانات الحالية لحساب التباين في خسائر اللف بسبب خطأ (OC) لكل شدة خطأ تم فحصها، وهو النموذج الحراري المطور هو نموذج ثنائي الأبعاد لقسم فتحة لفات الجزء الثابت.

ونظراً لمتطلبات نقل الحرارة التقليدية والخصائص الديناميكية الهوائية، والتي يصعب تصميمها في تحليل الملف النهائي للبرامج التجارية المستخدمة؛ فإنه لم يتم تضمينها في النموذج المطور، وبشكل عام ونظراً لتأثيرات المتوسط الحراري للمف النهائي؛ فإنه من المتوقع أن تكون التأثيرات الحرارية التي لوحظت في قسم الفتحة مع وجود خطأ أقل وضوحاً في قسم نهاية الملف.

كما يوضح الشكل التالي (3) النتائج الحرارية (2D-FE) لقسم الجزء الثابت في ظل ظروف صحية وخاطئة (معروضة لميل قطب واحد من الجزء الثابت لأغراض التوضيح)، بحيث يتكون قسم الجزء الثابت الذي تم فحصه من ست فتحات، اثنتان لكل مرحلة (أي أن الجزء العلوي الثاني ينتمي إلى المرحلة (C))، ومن المنتصف الثاني إلى المرحلة (A) والجزء السفلي الثاني إلى المرحلة (B)).

كما تُظهر البيانات المتوقعة النقاط الساخنة الحرارية الناتجة عن الخطأ في المرحلة المعيبة خلال المرحلة (a) ومنتصف الفتحتين وارتفاع درجة حرارة النقطة الساخنة مع شدة الخطأ، أما في الظروف الصحية؛ تُظهر الملفات درجة حرارة متطابقة تقريباً في الفتحات لجميع المراحل مع نقطة ساخنة تبلغ (62.2) درجة مئوية في مركز الفتحة.

متطلبات الاستشعار لتشخيص أعطال الدائرة الكهربائية المفتوحة

تسلط الدراسات التي تم الإبلاغ عنها الضوء على قيود الاعتماد على استشعار الإشارات الكهربائية (مثل التيار) لتحقيق تشخيص خطأ (OC)، حيث إن التغييرات التي يسببها الخطأ في هذه تشكل تحدياً للمراقبة والتفسير بشكل موثوق، وفي المقابل تشير الدراسة الحرارية إلى أن الإثارة الحرارية الموضعية المتسقة الناتجة عن وجود خطأ (OC) في الملف المجدول تتيح استخدام مراقبة الإثارة الحرارية لتشخيص خطأ (OC)، خاصة إذا كان من الممكن استشعار هذه الإثارة بشكل صحيح.

كما يمكن أن يكون تصميم نظام الاستشعار الحراري المناسب الذي يتيح المراقبة الفعالة للتوقيع الحراري في الموقع في أوضاع اللف المستهدفة، على سبيل المثال في موضع البقعة الحرارية الساخنة لقسم الفتحة، وهي مفتاحاً لتمكين الكشف الفعال عن أخطاء لف (OC) في (PMSMs) مع اللفات التي تقطعت بهم السبل، كما تقدم تقنية الاستشعار الحراري (FBG) حلاً واعداً لهذا النوع من التطبيقات.

وأخيراً بحثت هذه الدراسة في تطبيق استشعار (FBG) في الموقع لمراقبة النقاط الساخنة الحرارية في آلات متزامنة ذات مغناطيس دائم متعرجة، وهذا بهدف تمكين اكتشاف أخطاء لف الدائرة المفتوحة المحسنة، كما تم تطوير واستخدام نماذج (FEA) الحرارية والكهربائية لتصميم الماكينة التجارية، والتي تم فحصها واستخدامها لإظهار أن المؤشر التشخيصي الأمثل لخطأ الدائرة المفتوحة هو درجة حرارة البقعة الساخنة الحرارية المتعرجة.