المشاكل التقنية للمحرك الذي يعمل بمصدر طاقة متغير التردد

يتمثل الفرق الرئيسي بين المحرك الذي يعمل بمصدر طاقة ذي تحويل ترددي والمحرك الذي يعمل بموجة جيبية بتردد ثابت في أن الأول يعمل ضمن نطاق ترددي واسع، من الترددات المنخفضة إلى العالية، بينما يكون شكل موجة الطاقة فيه غير جيبي. وبتحليل شكل موجة الجهد باستخدام متسلسلة فورييه، نجد أن شكل موجة مصدر الطاقة يحتوي على أكثر من 2N توافقية بالإضافة إلى الموجة الأساسية (موجة التحكم) (حيث N هو عدد موجات التعديل في كل نصف من موجة التحكم). عندما يُخرج محول التيار المتردد SPWM الطاقة ويُطبقها على المحرك، يظهر شكل موجة التيار على المحرك كموجة جيبية مع توافقيات متراكبة. يُولد التيار التوافقي مُركبة تدفق مغناطيسي نابضة في الدائرة المغناطيسية للمحرك غير المتزامن، وتتراكب هذه المُركبة على التدفق المغناطيسي الأساسي، مما يجعل التدفق المغناطيسي الأساسي يحتوي على مُركبة تدفق مغناطيسي نابضة. كما أن مكون التدفق المغناطيسي النابض يجعل الدائرة المغناطيسية تميل إلى التشبع، مما يؤثر على تشغيل المحرك بالآثار التالية:

1. يتم توليد تدفق مغناطيسي نابض

تزداد الخسائر وتنخفض الكفاءة. نظرًا لاحتواء خرج مصدر الطاقة ذي التردد المتغير على عدد كبير من التوافقيات العالية، فإن هذه التوافقيات تُنتج استهلاكًا مُقابلًا للنحاس والحديد، مما يُقلل من كفاءة التشغيل. حتى تقنية تعديل عرض النبضة الجيبية (SPWM)، المُستخدمة على نطاق واسع حاليًا، لا تُثبط سوى التوافقيات المنخفضة وتُقلل من عزم دوران المحرك النبضي، وبالتالي تُوسع نطاق التشغيل المُستقر للمحرك عند السرعات المنخفضة. أما التوافقيات العالية، فلم تنخفض فحسب، بل زادت. بشكل عام، بالمقارنة مع مصدر الطاقة ذي التردد الجيبي، تنخفض الكفاءة بنسبة 1% إلى 3%، وينخفض ​​معامل القدرة بنسبة 4% إلى 10%، لذا فإن فقدان التوافقيات في المحرك تحت مصدر الطاقة ذي التردد المُحوّل يُشكل مشكلة كبيرة.

ب) توليد اهتزازات وضوضاء كهرومغناطيسية. نظرًا لوجود سلسلة من التوافقيات ذات الرتبة العالية، ستتولد أيضًا اهتزازات وضوضاء كهرومغناطيسية. يُعدّ تقليل الاهتزازات والضوضاء مشكلةً قائمةً بالفعل بالنسبة للمحركات التي تعمل بموجة جيبية. أما بالنسبة للمحرك الذي يعمل بواسطة العاكس، فتصبح المشكلة أكثر تعقيدًا نظرًا لطبيعة مصدر الطاقة غير الجيبية.

ج) يحدث عزم دوران نابض منخفض التردد عند السرعات المنخفضة. ينتج عن توليف القوة الدافعة المغناطيسية التوافقية وتيار الدوار التوافقي عزم دوران كهرومغناطيسي توافقي ثابت وعزم دوران كهرومغناطيسي توافقي متناوب. يتسبب عزم الدوران الكهرومغناطيسي التوافقي المتناوب في نبض المحرك، مما يؤثر على استقرار تشغيله عند السرعات المنخفضة. حتى مع استخدام نمط تعديل SPWM، فإنه بالمقارنة مع مصدر طاقة جيبي بتردد الطاقة، ستظل هناك درجة معينة من التوافقيات منخفضة الرتبة، والتي ستنتج عزم دوران نابض عند السرعات المنخفضة وتؤثر على استقرار تشغيل المحرك عند هذه السرعات.

2. توليد جهد نبضي وجهد محوري (تيار) للعزل

أ) يحدث جهد مفاجئ. عندما يكون المحرك قيد التشغيل، غالبًا ما يتراكب الجهد المطبق مع الجهد المفاجئ الناتج عند تبديل مكونات جهاز تحويل التردد، وأحيانًا يكون الجهد المفاجئ مرتفعًا، مما يؤدي إلى صدمة كهربائية متكررة للملف وتلف العزل.

ب) توليد الجهد والتيار المحوريين. يعود توليد جهد العمود بشكل رئيسي إلى عدم توازن الدائرة المغناطيسية وظاهرة الحث الكهروستاتيكي، وهي ظاهرة غير حادة في المحركات العادية، ولكنها أكثر وضوحًا في المحركات التي تعمل بمصدر طاقة متغير التردد. إذا كان جهد العمود مرتفعًا جدًا، فسيتضرر نظام تزييت طبقة الزيت بين العمود والمحمل، مما يؤدي إلى تقصير عمر المحمل.

ج) يؤثر تبديد الحرارة على كفاءته عند التشغيل بسرعات منخفضة. نظرًا لنطاق تنظيم السرعة الواسع لمحرك التردد المتغير، فإنه غالبًا ما يعمل بسرعات منخفضة وترددات منخفضة. في هذه الحالة، ولأن السرعة منخفضة جدًا، يكون هواء التبريد الذي توفره مروحة التبريد الذاتية المستخدمة في المحركات العادية غير كافٍ، مما يقلل من كفاءة تبديد الحرارة، وبالتالي يصبح استخدام مروحة تبريد مستقلة ضروريًا.

تتأثر الأجهزة الميكانيكية بالرنين، وبشكل عام، فإن أي جهاز ميكانيكي يُنتج ظاهرة الرنين. مع ذلك، يجب على المحرك الذي يعمل بتردد وسرعة ثابتين تجنب الرنين مع التردد الطبيعي الميكانيكي للاستجابة الترددية الكهربائية البالغ 50 هرتز. عند تشغيل المحرك مع تحويل التردد، يكون نطاق تردد التشغيل واسعًا، ولكل مكون تردده الطبيعي الخاص، مما يُسهل حدوث الرنين عند تردد معين.