القيادة متعددة الأطوار الكهربائية بوجود محولات معيارية

أهمية القيادة متعددة الأطوار الكهربائية بوجود محولات معيارية

أصبحت المحركات الكهربائية المتغيرة السرعة عالية الطاقة (VSD) بمثابة العمود الفقري للعديد من الصناعات وتطبيقات الطاقة المتجددة، كما أنه تم تقديم المحولات متعددة المستويات كمرشحين واعدين في تطبيقات الجهد المتوسط ​​عالية الطاقة، وذلك بالمقارنة مع المحولات التقليدية ذات المستويين، بحيث تلبي المحولات متعددة المستويات متطلبات (AC – VSD) عالية الطاقة مع أداء محسن، وفي الآونة الأخيرة ظهر المحول المعياري متعدد المستويات (MMC).

وذلك كخيار ممكن لتطبيقات الجهد العالي أو المتوسط ​​عالي الطاقة المولدة بفضل بناء المحول الذي ينتج عنه نمطية وقابلية للتوسع ومحتوى متناسق مخرجات أقل وتشغيل بدون محول، بحيث يظهر رسم توضيحي لمحرك (MMC) تقليدي من الطور (N) من المستوى (N)، وذلك في الشكل التالي، حيث أن هناك محركات عالية الطاقة في نطاق مئات الميجاواط مثل ضواغط الزيت والغاز والمحركات الكبيرة جداً.

كما أنها مستخدمة في التخزين المائي الذي يتم ضخه هي أكثر حساسية لمحتوى التوافقيات وتردد التبديل والطاقة مقارنة بنظيراتها ذات الجهد المنخفض أو المتوسط ​ على سبيل المثال؛ فإنه تم بناء نظام التوليد والتخزين بالضخ القابل للتعديل في محطة توليد الطاقة (Okawachi) التابعة لشركة (Kansai Electric Power)، وذلك بسعة (800) ميغاوات، وفي الوقت الحالي، حيث وصلت السعة الإجمالية إلى حوالي 1300 ميغاوات.

لذلك، يمكن أن يكون استخدام (MMC) في مثل هذه التطبيقات فعالاً، ومع ذلك؛ فإن التحدي الرئيسي لاستخدام (MMC) في أنظمة القيادة هو تطبيقات العزم الثابت التي تتطلب عزم الدوران المقنن بسرعة منخفضة، لأن تموجات جهد مكثف الوحدة الفرعية (SM) تتناسب عكسياً مع تردد تيار الطور، لذلك كان التحقيق في مختلف الحلول الممكنة لأنظمة محركات الأقراص التقليدية ثلاثية الأطوار القائمة على (MMC) هدفاً للعديد من الأوراق في الدراسات المتاحة.

أيضاً تمت إضافة تكوين الأجهزة المكونة من جهاز أشباه الموصلات في سلسلة ودائرة (snubber) بالتوازي مع وصلة (DC) إلى (MMC) من أجل خفض تموج الجهد المكثف عند التشغيل بسرعة منخفضة، بحيث تم التحقق من الهيكل تجريبياً على حمل (RL)، حيث تم الحصول على تموجات جهد (12٪) بتردد تشغيل (5) هرتز.

كما تم اقتراح اتصال جهاز آخر باستخدام فرع (SMs) متصالب يربط بين الذراعين العلوي والسفلي، بحيث تم اقتراح طوبولوجيا أخرى متصالبة باستخدام وحدات Full-Bridge) (FB)) المتصلة عبر (SMs) نصف الجسر التقليدي (HB-SMs) لضمان توازن الطاقة بين المراحل الثلاث أثناء البدء، كذلك تم اختبار هذا الهيكل تجريبياً على حمل (RL) بتردد تبديل يبلغ (4) كيلو هرتز.

استخدم تيار الدوران والجهد العام للوضع CMV

يتم استخدم تيار الدوران والجهد العام للوضع (CMV) لحقن مكون تيار يتيح تدفقاً متوازناً للطاقة بين الذراعين العلوي والسفلي، لذلك تم اختبار آلة متزامنة ذات مغناطيس دائم (PMSM) بشكل تجريبي على نطاق سرعة من صفر إلى (240) دورة في الدقيقة، بينما تم استخدام آلة تحريض ثلاثية الطور (IM) وتم التحقيق في (MMC) ثلاثي الطور من خمسة مستويات مع تحميل (RL).

كما كانت تموجات الجهد (8٪) عند ترددات التشغيل والتبديل (10) هرتز و (10) كيلوهرتز على التوالي وتم تشغيل (IM) ثلاثي الأطوار من السرعة الصفرية إلى السرعة المقدرة في واستخدام تيار دائري لشكل موجة مربعة، وذلك لتقليل ذروة التيار الكهربائي، وبالتالي سيتم تقليل الخسائر وحجم محث الذراع، بحيث تم اقتراح نفس الهدف باستخدام شكل موجة تيار شبه منحرف.

وفيما بعد تم إثبات فعالية طريقة حقن تيار الدوران المحسن للحفاظ على تموجات الجهد ضمن حدود محددة مع تجنب التيارات المتداولة الأعلى وتخفيض متوسط ​​جهد المكثف بسرعات منخفضة لتحمل التموجات مع “تصنيف المكثف”، بحيث تم تقديم استراتيجية التحكم في جهد المكثف بناءً على تغيير مكونات التيار المستمر والتيار المتردد لإشارات التعديل وفقًا لمستوى جهد المكثف عند نطاق السرعة الكاملة.

كذلك تم استخدام تكوين (MMC) متتالي في لدفع (IM) ثلاثي الطور من الصفر إلى السرعة المقدرة، كما أنه يقوم بتوصيل مصدر التيار المتردد بالمحرك باستخدام مكون تيار وسيط بين كل من (MMC)، وذلك للتحكم في (MMC) على جانب الماكينة، بحيث تيار الدوران المحقون أو (CMV) من الجدير بالذكر أن مشكلات بدء تشغيل محركات (AC – VSD) القائمة على (MMC) أقل أهمية للمروحة وأحمال الضخ في التطبيقات عالية الطاقة.

حيث يتناسب عزم الدوران مع مربع سرعة المحرك الكهربائي، وذلك استناداً الى (MMC) قد تم تحقيقه فقط على حساب الأجهزة الإضافية أو خوارزميات التحكم المعقدة، كما يهدف هذا الطرح إلى إيجاد نهج بسيط لعملية التشغيل ذات السرعة الصفرية أو المنخفضة لـ (AC VSDs) القائمة على (MMC) مع التخلص من الحاجة إلى حلول إضافية للأجهزة والبرامج.

كما تعتمد على أنظمة محرك متعددة الأطوار، بحيث تمتلك الآلات متعددة الأطوار درجات إضافية من الحرية توفر متغيرات إضافية في فضاءات فرعية مختلفة، وعلى سبيل المثال تمتلك (IM) ذات الطور (n) مع محايدة معزولة (n-1) درجات من الحرية، وذلك في حين أن اثنين فقط مطلوبان للتحكم في عزم الدوران والتدفق.

وأخيراً؛ فإن هذه الميزة تعني المزيد من المرونة التشغيلية؟، بحيث يظهر أيضاً تحمل الأخطاء العالية كميزة بارزة للآلات متعددة الأطوار، وهكذا أصبحت الآلات الكهربائية متعددة الأطوار هدفاً للعديد من التطبيقات الصناعية وخاصة التطبيقات الحرجة مثل مشغلات الطائرات وصناعة النفط والغاز وأنظمة دفع السفن والمركبات الكهربائية.

أيضاً تعمل الآلات متعددة الأطوار بشكل حتمي على تعزيز موثوقية نظام القيادة، وهو أمر بالغ الأهمية في التطبيقات عالية الطاقة، كما تم استخدام المساحات الفرعية الإضافية التي توفرها الآلات متعددة الأطوار في الدراسات والأبحاث لاستخراج مزايا تشغيلية أقل جدوى باستخدام تقنية (VSD) التقليدية ثلاثية الأطوار مثل التشغيل المتسامح مع الخطأ وكبح المحركات واكتشاف الأعطال.

علاوة على ذلك، تنتج الآلات متعددة الأطوار تموجات عزم دوران أقل ومتطلبات طاقة لكل مرحلة (جهد أو تيار) مقارنة بنظيراتها ذات القدرة ثلاثية الطور المماثلة، بحيث تم تقديم استخدام (AC VSD) متعدد الأطوار القائم على (MMC) وتم استخدام اثنين من وحدات (MMC) متصلة بالسلسلة ثلاثية الطور لتشغيل (IM) غير متماثل من ست مراحل مع مكثفات متصلة بالتيار المستمر متصلة بالسلسلة.

أخيراً يتم استخدام (MMC) من ثلاث مستويات من خمس مراحل لقيادة (IM) من خمس مراحل للتحقيق في كل من عمليات التردد الصفري أو المنخفض والتيار الكهربائي الكامل بما في ذلك حالة البداية والثبات، بحيث لا يعني استخدام الرسائل الفورية خماسية الأطوار وجود أجهزة إضافية بنفس الوسيلة المستخدمة في الأبحاث.