الحد من تدفق المحولات ثلاثية الطور على أساس التحويل المسبق والتحكم

أهمية الحد من تدفق المحولات ثلاثية الطور على أساس التحويل

يلعب محول القدرة وخاصة المحولات ذات السعة الكبيرة، دوراًَ مهماً في نقل القدرة ولخصائص تشغيله معينة؛ فإن هناك تأثير مهم على التشغيل المستقر للمحول نفسه ونظام الطاقة، كذلك من أجل تقليل حجم المحولات الكهربائية ذات السعة الكبيرة، كما أنه غالباً ما يتم استخدام محول من ثلاث مراحل مع خمسة أعمدة أساسية أو جوهر أحادي الطور، وفيما يتعلق بلف المحولات؛ فإن (Y0) هو النوع الأكثر شيوعاً.

لذلك عند التفريغ؛ فإنه يتم تنشيط محول الطاقة، ونظراً للخصائص المؤقتة للتدفق المغناطيسي والخصائص غير الخطية للمادة الأساسية، سيتم إنشاء تيار تدفق بسعة كبيرة، كذلك قد تصل قيمة الذروة القصوى لتيار التدفق إلى حوالي 10 أضعاف التيار المقدر للمحول، وقد تصل المدة الزمنية إلى عدة ثوانٍ، مما قد يتسبب في تلف المحول.

وفي الوقت نفسه، قد يتسبب تيار التدفق الكبير والتدفق الودي الناتج عن التفاعل بين المحول ومحول التشغيل المجاور له في حدوث خلل في الحماية الرئيسية للمحول والمولد والخط المجاور، وخاصة في السنوات الأخيرة؛ فإن الحوادث الخطيرة مثل سوء تشغيل حماية اتصال القضبان وحتى الحماية الاحتياطية ذات التسلسل الصفري لخط المستوى العلوي أثناء تنشيط محول الطاقة.

كما أنه يوضح أن تيار التدفق الكبير ذو الوضع الصفري الناتج عن تيار التدفق المسبق للمحول هو السبب المباشر لسوء التشغيل، لذلك؛ فإن طريقة تقليل تيار التدفق لضمان سلامة المحول نفسه وتحسين أداء الحماية قد حظيت بتقدير كبير من قبل العلماء والمختصين.

حيث أن تيار التدفق هو التيار الناتج عن تشبع التدفق المغناطيسي وخصائص التشبع الأساسية، بحيث ترتبط خصائصه بعوامل مثل زاوية الطور الأولي للجهد والتدفق المتبقي وخاصية التباطؤ، وبالنسبة لمحول ثلاثي الطور، يجب أيضاً مراعاة اتصال اللف والبنية الأساسية.

حيث طرحت الأبحاث طرقاً لتقليل تيار التدفق، والتي يمكن تقسيمها بشكل أساسي إلى نوعين، وهما التبديل المتحكم به وتبديل مانع تدفق التيار، حيث أن مبدأ التبديل المتحكم فيه هو اختيار زاوية الإغلاق المناسبة لإضعاف التدفق المغناطيسي العابر بحيث لا يتجاوز صمام التشبع.

استراتيجية تقليل تدفق التيار على أساس التحويل المسبق والتحكم

يعتبر حل التدفق المغناطيسي لمحول كبير السعة أثناء عملية التحويل المسبق والتحكم فيه هو الأساس النظري لتصميم استراتيجية تقليل تدفق التيار، لذلك؛ فإنه من الضروري إنشاء نموذج حل تدفق المحولات أولاً يجب أن يكون النموذج قادراً على النظر في الهياكل الأساسية المختلفة للمحولات ذات السعة الكبيرة وأنماط التوصيل المتعرجة والخصائص الأساسية غير الخطية والتدفق الأساسي المتبقي ومعلمات التحكم في الاستراتيجية مثل تيار التدفق المسبق وزاوية الإغلاق أيضاً.

لذلك يتم تقديم المبدأ الأساسي لتقليل “تيار الاندفاع” أولاً، ثم يتم إنشاء نموذج دائرة مغناطيسية، بحيث يمكن أن يعكس خصائص المحول أعلاه من منظور الدائرة المغناطيسية على هذا الأساس، وذلك بهدف تصميم “تدفق مغناطيسي مثالي” ثلاثي الأطوار، بحيث يتم دراسة تأثير معلمات التحكم على خصائص التدفق المغناطيسي.

مبدأ واستراتيجية تخفيض تيار التدفق

يكمن السبب الجذري لتيار الاندفاع الناتج عن المحول في خصائص الإثارة غير الخطية للداخل الحديدي، وذلك كما هو موضح في الشكل التالي (1)، أي عندما لا يكون قلب المحول مشبعاً، بحيث يكون الحث الاستثاري كبيراً جداً.

كما ويمكن إهمال تيار الإثارة المطلوب تقريباً في هذا الوقت، وذلك عندما يتجاوز التدفق المغناطيسي في قلب الحديد قيمة التشبع، سينخفض الحث الممغنط إلى مستوى محاثة التسرب مما ينتج عنه تيار تدفق أكبر.

المعادلة الكهرومغناطيسية في عملية تنشيط المحولات أحادية الطور هي التالية:

في المعادلة، (ϕ) هو التدفق المغناطيسي في قلب المحول، كما أن (i) لف التيار، (R) هو مجموع مقاومة النظام ومقاومة إغلاق المحول المتعرج، (Um) هو سعة إمداد طاقة النظام و (α) هي زاوية المرحلة الأولية للطاقة عند وقت الإغلاق.

ومن خلال حل المعادلة (1)؛ فإنه يمكن حل التعبير عن التدفق المغناطيسي على النحو التالي:

بناء نموذج الدائرة المغناطيسية وتحليل التدفق المغناطيسي

تشتمل نمذجة المحولات بشكل أساسي على طريقتين، وهما “الدائرة المغناطيسية” والدائرة في المحولات ذات السعة الكبيرة، كما يوجد نوعان أساسيان من النوى، وهي ثلاث مراحل وخمسة أعمدة من النوع وثلاث مراحل مع جوهر أحادي الطور فيما بينها، حيث تكون المراحل الثلاث والبنية الأساسية المكونة من خمسة أعمدة أكثر تمثيلا لأنها يمكن أن تعكس “الاقتران المتبادل” للتدفق المغناطيسي ثلاثي الطور.

كما تم تصميم نموذج المحولات المكون من ثلاث مراحل وخمسة أعمدة من منظور الدائرة المغناطيسية بشكل واضح وبديهي، والمعنى المادي للمعلمة واضح، وعلاوة على ذلك ومن خلال ضبط معلمات الممانعة في “الدائرة المغناطيسية”؛ فإنه يمكن أن تنعكس بنية المحولات ثلاثية الأطوار ذات النواة أحادية الطور.

لذلك، يتم إنشاء الدائرة المغناطيسية للمراحل الثلاث ومحول الأعمدة الخمسة لوضع الأساس لتحليل التدفق المغناطيسي، حيث يوضح الشكل التالي الهيكل الأساسي للمراحل الثلاث وخمسة أعمدة المحولات ووضع الاتصال المتعرج لوضع اتصال (Y0)، وذلك وفقاً لنظرية المجال الكهرومغناطيسي.

حيث يأتي التدفق المغناطيسي في قلب المحول من القوة الدافعة المغناطيسية المتولدة عن التيارات المتعرجة لكل مرحلة، وذلك بافتراض أن القوة الدافعة المغناطيسية في الملف الأولي ثلاثي الأطوار هي (FAFBFC)، لذلك؛ فإن التدفق المغناطيسي في العمود الأساسي ثلاثي الأطوار والنير الرئيسي والنير الجانبي كما هو موضح في الشكل التالي.

بسبب اللف الثانوي للمحول والذي هو نوع دلتا؛ فإن اللف سيولد تياراً بسبب الحث الكهرومغناطيسي عندما يكون التدفق المغناطيسي ثلاثي الطور غير متوازن، كما ويتدفق كل طور متعرج على جانب متعرج دلتا بنفس مقدار تيار خاصية الوضع الصفري المقابل للقوة الدافعة المغناطيسية (F0)، ووفقاً “لقانون لينز”؛ فإن التدفق المغناطيسي الناتج عن التيار المستحث هو عكس التدفق المغناطيسي الأصلي ذي التسلسل الصفري، والذي يلعب تأثير إزالة المغناطيسية.

ونظراً لأن محاثة التسرب للجانب الثانوي صغيرة والملف الثانوي تقريباً في حالة فائقة التوصيل؛ فإن التيار المستحث المتولد سيلغي تماماً التدفق المغناطيسي الأصلي ذي التسلسل الصفري، أي أن كل من المتغيرات (ϕA + ϕB + C = 0).

وعندما لا يكون اللب الحديدي في حالة تشبع عميق؛ فإن إحجام قلب الحديد سيكون أصغر بكثير من الهواء، لذلك يتركز التدفق المغناطيسي بشكل أساسي في قلب الحديد، كما وسيكون تدفق التسرب أقل بكثير من ذلك من قلب الحديد، لذلك؛ فإنه يتم تجاهل تأثير تدفق التسرب في نمذجة الدائرة المغناطيسية، كما تم إنشاء “مخطط الدائرة المغناطيسية” المكافئة كما هو موضح في الشكل التالي:

في الشكل أعلاه؛ فإن (R3 R4 R5) هي إحجام النوى (ABC) ثلاثية الطور، (R1) هي ممانعة نير الجانب و (R2) هي ممانعة نير الرئيسي، وذلك عندما لا يكون القلب مشبعاً، عندها يكون هناك (R5 = R4 = R3) في كل قسم من اللب مصنوع من نفس المادة، لذا فإن تردده هو نسبة طول الدائرة المغناطيسية إلى المقطع العرضي، كما ويرتبط أيضاً بخصائص الإثارة للنواة.