حلول تغذية الطاقة للمحولات الترددية

يُذكركم موردو معدات دعم مُحوّل التردد بأنه في أنظمة التحكم بالتردد التقليدية، والمُكوّنة من مُحوّلات تردد عامة ومحركات غير متزامنة وأحمال ميكانيكية، قد يكون المحرك في حالة كبح مُتجدد عند انخفاض الحمل الكامن الذي ينقله المحرك؛ أو عند تباطؤ المحرك من سرعة عالية إلى سرعة منخفضة (بما في ذلك التوقف)، قد ينخفض ​​التردد فجأة، ولكن بسبب القصور الذاتي الميكانيكي للمحرك، قد يكون في حالة توليد طاقة مُتجددة. يُحوّل المحرك الطاقة الميكانيكية المُخزّنة في نظام النقل إلى طاقة كهربائية، ثم يُعيدها إلى دائرة التيار المستمر للعاكس عبر الثنائيات الستة الحرة للعاكس. في هذه الحالة، يكون العاكس في حالة تصحيح. في هذه المرحلة، إذا لم تُتخذ أي إجراءات لاستهلاك الطاقة في مُحوّل التردد، فستُؤدي هذه الطاقة إلى ارتفاع جهد مُكثّف تخزين الطاقة في الدائرة الوسيطة. إذا كانت سرعة الكبح كبيرة جدًا أو كان الحمل الميكانيكي عبارة عن رافعة، فقد يُسبب هذا الجزء من الطاقة تلف مُحوّل التردد، لذا يجب مراعاة هذا الجزء من الطاقة.

في محولات التردد بشكل عام، هناك طريقتان شائعتان يتم استخدامهما لمعالجة الطاقة المتجددة:

(1) تسمى عملية التبديد في "مقاومة الكبح" المضبوطة بشكل مصطنع بالتوازي مع المكثف في دائرة التيار المستمر بحالة الكبح الديناميكية؛

(2) عند إرجاعها إلى شبكة الطاقة، تُسمى هذه الحالة فرملة التغذية الراجعة (أو فرملة التجديد). هناك طريقة أخرى للفرملة، وهي فرملة التيار المستمر، والتي تُستخدم في الحالات التي تتطلب ركنًا دقيقًا أو عند دوران محرك الفرامل بشكل غير منتظم بسبب عوامل خارجية قبل بدء التشغيل.

ناقش العديد من الخبراء تصميم وتطبيقات مكابح التردد المتغير في الكتب والمنشورات، وخاصةً في الآونة الأخيرة، حيث نُشرت العديد من المقالات حول "مكابح التغذية الراجعة للطاقة". يقدم المؤلف اليوم نوعًا جديدًا من أساليب المكابح، يتميز بمزايا التشغيل الرباعي مع "مكابح التغذية الراجعة" وكفاءة التشغيل العالية، بالإضافة إلى فوائد "مكابح استهلاك الطاقة" لضمان شبكة كهرباء خالية من التلوث وموثوقية عالية.

كبح استهلاك الطاقة

تسمى طريقة استخدام مقاومة الكبح الموجودة في دائرة التيار المستمر لامتصاص الطاقة الكهربائية المتجددة للمحرك باسم كبح استهلاك الطاقة.

ميزتها هي البناء البسيط؛ لا تلوث شبكة الطاقة (مقارنة بالتحكم في ردود الفعل)، والتكلفة المنخفضة؛ العيب هو انخفاض كفاءة التشغيل، وخاصة أثناء الكبح المتكرر، مما يستهلك كمية كبيرة من الطاقة ويزيد من سعة مقاومة الكبح.

عمومًا، في محولات التردد العامة، تكون محولات التردد منخفضة القدرة (أقل من 22 كيلوواط) مزودة بوحدة كبح مدمجة، والتي لا تتطلب سوى مقاومة كبح خارجية. أما محولات التردد عالية القدرة (أكثر من 22 كيلوواط) فتتطلب وحدات كبح خارجية ومقاومات كبح.

الكبح بالتغذية الراجعة

لتحقيق كبح التغذية الراجعة للطاقة، يلزم توفر شروط مثل التحكم في الجهد على نفس التردد والطور، والتحكم في تيار التغذية الراجعة، وما إلى ذلك. يعتمد النظام على تقنية العاكس النشط لتحويل الطاقة الكهربائية المتجددة إلى تيار متردد بنفس التردد والطور لشبكة الكهرباء، وإعادتها إلى الشبكة، مما يحقق الكبح.

ميزة الكبح بالتغذية الراجعة هي إمكانية تشغيله في أربعة أرباع، كما أن التغذية الراجعة للطاقة الكهربائية تُحسّن كفاءة النظام. أما عيوبه، فهي:

(1) لا يمكن استخدام طريقة الكبح الارتجاعي هذه إلا في ظل جهد شبكة مستقر وغير عرضة للأعطال (بتقلبات جهد الشبكة لا تتجاوز 10%). لأنه أثناء تشغيل الكبح الارتجاعي لتوليد الطاقة، إذا تجاوز زمن عطل جهد الشبكة 2 مللي ثانية، فقد يحدث عطل في التبديل وقد تتلف المكونات.

(2) أثناء التغذية الراجعة، يحدث تلوث توافقي لشبكة الطاقة.

(3) التحكم معقد والتكلفة عالية.

طريقة الكبح الجديدة (الكبح بالتغذية الراجعة للمكثف)

مبدأ الدائرة الرئيسية

يستخدم جزء التصحيح جسر تصحيح مشترك غير قابل للتحكم، بينما تستخدم دائرة الترشيح مكثفًا إلكتروليتيًا عامًا، وتستخدم دائرة التأخير إما موصلًا أو ثايرستورًا. تتكون دائرة الشحن والتغذية الراجعة من وحدة طاقة IGBT، ومفاعل شحن وتغذية راجعة L، ومكثف إلكتروليتي كبير C (سعته حوالي بضعة أعشار من المتر، والتي يمكن تحديدها وفقًا لنظام تشغيل محول التردد). يتكون جزء العاكس من وحدة طاقة IGBT. تتكون دائرة الحماية من IGBT ومقاوم طاقة.

1) حالة تشغيل توليد الطاقة للمحرك الكهربائي

تراقب وحدة المعالجة المركزية جهد التيار المتردد الداخل وجهد دائرة التيار المستمر (μd) آنيًا، وتحدد ما إذا كانت سترسل إشارة شحن إلى VT1. بمجرد أن يصبح جهد μd أعلى من قيمة جهد التيار المستمر المقابلة (مثل 380 فولت تيار متردد - 530 فولت تيار مستمر) لجهد التيار المتردد الداخل، تُوقف وحدة المعالجة المركزية VT3 وتشحن المكثف الإلكتروليتي C عبر التوصيل النبضي لـ VT1. في هذه المرحلة، يُفصل المفاعل L والمكثف الإلكتروليتي C لضمان عمل المكثف الإلكتروليتي C ضمن نطاق آمن. عندما يقترب الجهد على المكثف الكهربائي C من قيمة خطيرة (مثل 370 فولت) بينما لا يزال النظام في حالة توليد الطاقة، ويتم إرسال الطاقة الكهربائية باستمرار إلى دائرة التيار المستمر من خلال العاكس، تلعب دائرة الأمان دورًا في تحقيق كبح استهلاك الطاقة (كبح المقاومة)، والتحكم في إيقاف تشغيل VT3 وتشغيله، وبالتالي تحقيق استهلاك الطاقة الزائدة بواسطة المقاومة R. بشكل عام، لا يحدث هذا الموقف.

(2) حالة تشغيل المحرك الكهربائي

عندما تكتشف وحدة المعالجة المركزية (CPU) توقف النظام عن الشحن، تُوصل تيار التغذية الراجعة VT3 نبضيًا، مما يُولّد جهدًا لحظيًا موجبًا أيسر وسالبًا أيمن على المفاعل L. بدمج الجهد على المكثف الإلكتروليتي C، يُمكن تحقيق عملية تغذية راجعة للطاقة من المكثف إلى دائرة التيار المستمر. تتحكم وحدة المعالجة المركزية في تردد التبديل ودورة عمل VT3 من خلال اكتشاف الجهد على المكثف الإلكتروليتي C والجهد في دائرة التيار المستمر، مما يُتحكم في تيار التغذية الراجعة ويضمن عدم ارتفاع جهد دائرة التيار المستمر ν d بشكل كبير.

صعوبات النظام

(1) اختيار المفاعلات

(أ) نأخذ في الاعتبار خصوصية ظروف التشغيل، ونفترض حدوث عطل في النظام، مما يؤدي إلى تسارع حمل الطاقة الكامنة للمحرك بحرية وانخفاضه. في هذه الحالة، يكون المحرك في حالة تشغيل لتوليد الطاقة.

تُعاد الطاقة المُتجددة إلى دائرة التيار المستمر عبر ستة ثنائيات حرة الحركة، مما يُسبب زيادة في ∆ d ويُدخل العاكس سريعًا في حالة شحن. في هذه الحالة، يكون التيار مرتفعًا جدًا. لذا، يجب أن يكون قطر سلك المفاعل المُختار كبيرًا بما يكفي لتمرير التيار في هذه اللحظة.

(ب) في حلقة التغذية الراجعة، ولإطلاق أكبر قدر ممكن من الطاقة الكهربائية قبل الشحنة التالية للمكثف الإلكتروليتي، لا يُمكن تحقيق هذا الهدف باختيار قلب حديدي عادي (صفائح فولاذ السيليكون). يُفضّل اختيار قلب حديدي مصنوع من مادة الفريت. بالنظر إلى القيمة الحالية المذكورة أعلاه، يُمكن ملاحظة حجم هذا القلب الحديدي. من غير المعروف ما إذا كان يوجد قلب حديدي فيريتي بهذا الحجم في السوق. حتى في حال وجوده، فلن يكون سعره منخفضًا جدًا.

لذلك يقترح المؤلف استخدام مفاعل واحد لكل دائرة شحن ودائرة تغذية راجعة.

(2) صعوبات في السيطرة

(أ) في دائرة التيار المستمر لمحول التردد، يكون الجهد ν d عادةً أعلى من 500 فولت تيار مستمر، بينما يبلغ جهد تحمل المكثف الإلكتروليتي C 400 فولت تيار مستمر فقط، مما يشير إلى أن التحكم في عملية الشحن هذه يختلف عن طريقة التحكم في كبح الطاقة (كبح المقاومة). يكون انخفاض الجهد اللحظي المتولد على المفاعل، وجهد الشحن اللحظي للمكثف الإلكتروليتي C هو ν c = ν d - ν L. لضمان عمل المكثف الإلكتروليتي ضمن نطاق آمن (≤ 400 فولت)، من الضروري التحكم الفعال في انخفاض الجهد ν L على المفاعل، والذي يعتمد بدوره على معدل التغير اللحظي للمحاثة والتيار.

(ب) أثناء عملية التغذية الراجعة، من الضروري أيضًا منع تفريغ الطاقة الكهربائية من المكثف الكهروليتي C من التسبب في جهد دائرة تيار مستمر زائد عبر المفاعل، مما يؤدي إلى حماية من الجهد الزائد في النظام.

سيناريوهات التطبيق الرئيسية

نظراً لتفوق طريقة الكبح الجديدة (كبح التغذية الراجعة للمكثف) لمحولات التردد، اقترح العديد من المستخدمين مؤخراً تجهيز هذا النظام بناءً على خصائص معداتهم. مع توسع مجال تطبيقات محولات التردد، ستتمتع هذه التقنية التطبيقية بآفاق تطوير واسعة. وتُستخدم هذه التقنية بشكل رئيسي في صناعات مثل رافعات المناجم (لنقل الأشخاص أو تحميل المواد)، وعربات المناجم المائلة (أحادية أو مزدوجة الأنبوب)، وآلات الرفع. وفي جميع الأحوال، يمكن استخدام أجهزة التغذية الراجعة للطاقة في الحالات التي تتطلب ذلك.