تحليل التطور في تقنيات التحكم للمولدات الكهربائية
يمنح الهيكل عالي الموثوقية التفوق على المولد بدون فرش ذو التغذية المزدوجة (BDFG) في أنظمة القيادة القابلة للضبط. يحتوي الإطار الثابت للجزء الثابت (BDFG)، وذلك على ملفين منفصلين ومعزولين بعدد مختلف من الأعمدة، كما تم تحديد أحد الملفين على أنه الملف الرئيسي للآلة، والذي يُشار إليه على أنه ملف الطاقة (PW).
كذلك اللف الآخر هو لغرض التحكم ويعرف باسم لف التحكم (CW)، كما أن اللفات الثابتة للجزء الثابت لها أقطاب زوجية مختلفة لمنع الاقتران المباشر بينهما، بحيث يتمثل دور الدوار في إقران الملفين الثابتين من خلال اقتران مغناطيسي غير مباشر. على عكس المولد الحثي التقليدي ذو التغذية المزدوجة (DFIG)، لذلك لم يعد الدوار المرتبط بـ (BDFG) بحاجة إلى التزويد بواسطة محول الطاقة، بحيث يمكن إزالة الفرشاة وحلقات الانزلاق مع الدوار.
كما تم توضيح مقارنة عادلة بين (DFIG) و (BDFG) في الجدول التالي (1)، وذلك لتوضيح نقاط القوة والضعف في نوعي المولدات الكهربائية، وفي الجدول (R1)، كما يشير الرمز “+” إلى القوة والرمز “-” يشير إلى الضعف، ومن الجدول (1)، يكون (BDFG) أسوأ من (DFIG) من حيث الحجم والكتلة والكفاءة وكثافة عزم الدوران وتكلفة التصنيع.
ولحسن الحظ؛ فإنه يمكن تعويض نقاط ضعف (BDFG) من خلال الموثوقية الميكانيكية العالية وانخفاض تكلفة الصيانة وقدرة أقوى على الركوب في الجهد المنخفض (LVRT)، وذلك بسبب عدم وجود الفرشاة أو حلقات الانزلاق والأداء المحسن في ظل الشبكات المعيبة، كما تعتبر نقاط القوة في (BDFG) مهمة جداً للتطبيقات الصناعية العملية.
يمكن تقسيم (BDFGs) الحالية إلى فئتين رئيسيتين، أي (BDFG)، وهو أحادي الجزء الثابت و (BDFG) ثنائي الجزء الثابت، بحيث تشتمل (BDFG) أحادية الجزء الثابت بشكل أساسي على المولد التعريفي ذو التغذية المزدوجة بدون فرشاة مع الدوار ذو الحلقة المتداخلة (BDFIG-NLR)، وهو مولد التردد غير ذي التغذية المزدوجة (BDFRG) وذلك مع دوار الجرح (BDFIG-WR)و (BDFG) مع الدوار الهجين (BDFG-HR) بحيث يشير (BDFG) ثنائي الجزء الثابت بشكل أساسي إلى (BDFIG) ثنائي الجزء الثابت (DSBDFIG).
في الوقت الحاضر، تشتمل أنواع أنظمة توليد الطاقة المستندة إلى (BDFG) بشكل أساسي على أنظمة توليد طاقة التيار المتردد والتيار المستمر، كما يمكن رؤية هيكل نظام توليد طاقة التيار المتردد المستند إلى (BDFG) في الشكل التالي (1)، بحيث يتكون محول الطاقة المستخدم من محولي مصدر جهد متتاليين مع ناقل تيار مستمر مشترك، أي المحول الجانبي للماكينة (MSC) ومحول جانب الخط (LSC).
تطبيق نظام توليد طاقة التيار المتردد القائم على (BDFG)
يمكن تطبيق نظام توليد طاقة التيار المتردد القائم على (BDFG) المتصل بالشبكة الكهربائية على طاقة الرياح ذات التردد الكهربائي الثابت المتغير السرعة (VSCF) وتوليد الطاقة الكهرومائية، كما أن الهدف من هذا النظام هو تنظيم القوة النشطة والمتفاعلة لـ (PW)، والتي يمكن تحقيقها بواسطة (MSC)، كما يتم استخدام (LSC) للحفاظ على جهد “ناقل التيار المستمر “بغض النظر عن اتجاه تدفق الطاقة عبر (MSC)، أيضاً يمكن استخدام (LSC) لمساعدة ركوب الأعطال تحت الشبكات المعيبة.
كما تتضمن سيناريوهات التطبيق الخاصة بنظام توليد طاقة التيار المتردد المستقل طاقة الرياح والطاقة المائية في المواقع البعيدة وتوليد الطاقة المحمولة متغيرة السرعة وتوليد طاقة عمود السفينة وما إلى ذلك، وعلى عكس نظام (BDFG) المتصل بالشبكة؛ فإن هدف التحكم في (BDFG) المستقل هو جعل سعة وتردد جهد (PW) يحافظان على ثباتهما تحت سرعات وأحمال الدوار المتغيرة.
وفي النظام المستقل؛ فإنه يجب التحكم في (CW) بواسطة (MSC) لبناء جهد (PW)، وهو ثابت لدعم الأحمال الكهربائية، كما يتمثل الدور الرئيسي لـ (LSC) في الحفاظ على استقرار جهد ناقل التيار المستمر، والذي يشبه النظام المتصل بالشبكة الكهربائية، يمكن أن يساعد (LSC) أيضاً في تثبيت تذبذب الجهد الكهربائي عند نقطة “الاقتران المشترك” عن طريق توفير أو امتصاص التيار التفاعلي.
كما يوضح الشكل التالي (2) طوبولوجيا نظام توليد القدرة الكهربائية من خلال “التيار المستمر” القائم على (BDFG)، والفرق الرئيسي بين هذا النطاق ونظام التيار المتردد القائم على (BDFG) هو استبدال (LSC)، وذلك “بمقوم الصمام الثنائي”، وبالتالي يمكن تقليل تكلفة محول القدرة بشكل كبير، كما يمكن توصيل خرج هذا النظام بشبكة التيار المستمر أو تحميل التيار المستمر نفسه.
كما يمكن استخدام نظام توليد الطاقة بالتيار المستمر القائم على (BDFG) لطاقة الرياح والطاقة المائية وتوليد الطاقة المحمولة متغيرة السرعة وتوليد طاقة عمود السفينة المتصل بشبكة التيار المستمر أو الحمل المستمر، كما يتمثل هدف التحكم في نظام توليد الطاقة بالتيار المستمر القائم على (BDFG) في تنظيم الطاقة النشطة لوضع التشغيل المتصل بالشبكة وضبط جهد ناقل التيار المستمر لوضع التشغيل المستقل.
وبالمقارنة مع نظام توليد طاقة التيار المتردد؛ فإنه يكون هدف التحكم في نظام توليد الطاقة بالتيار المستمر أبسط بكثير، إلى جانب ذلك ليس من الضروري أن يكون تردد جهد (PW) ثابتاً حيث يتم تحويل جهد (PW) الجيبي إلى جهد التيار المستمر بواسطة مقوم الصمام الثنائي، وبالتالي؛ فإن تردد جهد (PW) سيكون متغيراً مجانياً، والذي يمكن استخدامه لتحقيق المزيد من أهداف التحكم على سبيل المثال، تحسين الكفاءة وتمديد نطاق السرعة.
أيضاً تم تطبيق (BDFG) على طاقة الرياح، وهي طاقة عمود السفينة وتوليد الطاقة الكهرومائية، كما بدأ لسح الدراسات في عام 2009م، كذلك تم تطبيق (BDFIG-NLR) لتوليد طاقة الرياح لأول مرة، كما هو مبين في الشكل التالي (3)، كما يقترن (BDFIG) ميكانيكياً بتوربينات الرياح عبر علبة تروس لزيادة السرعة، كذلك (BDFIG) المختبرة بطاقة مقدرة 20 كيلوواط، وهو زوج قطب (PW 2) وزوج عمود (CW 4)، وذلك مع خوارزمية التحكم في العمل، بحيث يمكن تصل كفاءة (BDFIG) المختبرة إلى (80 ٪).
كما يمكن أيضاً تطبيق (BDFIG) على نظام طاقة السفن، وبشكل عام يعتبر فائض الطاقة للسفن التجارية يتراوح بين (10٪ -15٪) تقريباً من المحرك الرئيسي لسلامة الشحن، وأثناء الرحلة يمكن لمولد عمود السفينة استخدام هذه الطاقة الزائدة للمحرك الرئيسي لتوليد الطاقة، بحيث يمكن تحسين كفاءة المحرك الرئيسي بشكل كبير ويمكن تقليل استخدام مجموعات مولدات الديزل بشكل كبير.
وكما هو مبين في الشكل التالي (4)؛ فقد تم اختبار نظام توليد الطاقة الكهربائية النموذجي لعمود السفينة على أساس دوران (BDFIG) بجرح (60) كيلو وات في سفينة حاويات (325)، وهي حاوية نمطية من مجموعة (Changjiang National Shipping Group) في الصين بين عامي (2011)م و (2014)م، والتي يمكن أن توفر 30 ٪ من تكلفة وقود السفينة على الأكثر.
كما يمكن رؤية حالة نموذجية لتطبيق (BDFIG) في توليد الطاقة الكهرومائية، وذلك كما هو موضح في الشكل التالي (5)، كما يتم توصيل (BDFIG) ميكانيكياً إلى توربين هيدروليكي بدون علبة تروس، كذلك (BDFIG) المطبق هو بقوة مقدرة (800) كيلوواط وبجهود مقدرة بجهد (PW) و (CW) تبلغ (6.3|) كيلو فولت و(400) فولت على التوالي.
