أهمية اللف الثنائي في المولدات الكهربائية لتوليد طاقة الرياح
ارتفاع تكلفة الوقود النووي والأحفوري هو تشجيع لنشر مصادر الطاقة غير التقليدية، حيث ظهرت أيضاً طواحين الهواء البرية والبعيدة عن الشاطئ لتوليد الكهرباء كخيار قابل للتطبيق لتوليد الطاقة بكميات كبيرة، لذلك إذا احتاج مولد الرياح إلى الاتصال بالشبكة في ظل ظروف سرعة الرياح المتغيرة؛ فهناك حاجة لواجهة إلكترونية طاقة إضافية للحفاظ على التردد الكهربائي والجهد عند أطراف ثابت مولد الرياح.
وفي حالة الأنظمة المرتبطة بالشبكة الكهربائية؛ فإنه من الضروري التحكم في الطاقة النشطة التي يتم تسليمها إلى الشبكة في ظل ظروف متغيرة السرعة والحمل، كما تتضمن بعض الأساليب لتحقيق ذلك سرعة متغيرة وجهد ثابت ومحول تردد مع تحكم في القدرة النشطة والمتفاعلة المنفصلة، كذلك يتم استخدام هذا المفهوم في تكوين مولد الحث المزدوج التغذية حيث يكون الدوار من النوع الدوار للجرح ويتم توصيل حلقات الانزلاق بعاكس (PWM) ثلاثي الطور.
والذي يتم إعادة إنتاجه من خلال المحولات إلى الشبكة وبالتالي يتم توصيل الطاقة إلى الشبكة. تكون الشبكة دائماً بتردد ثابت وبجهد ثابت للشبكة على الرغم من أن سرعة المحرك الرئيسي وبالتالي الانزلاق، كما تم اقتراح آلة جديدة ذات تغذية مزدوجة بدون فرش لتوليد طاقة الرياح، لذلك كان الجهد الناتج الثابت وتحسين الكفاءة لمجموعة واسعة من سرعات الرياح هي المفاتيح، وبالتالي يزداد الطلب على آلات المغناطيس الدائم هذه الأيام بسبب كثافة عزم الدوران العالية وكفاءتها.
هناك طريقة أخرى تتمثل في تزويد مولد حث ذاتي الإثارة بمكثفات متصلة بأطراف المولد المتصلة بالشبكة من خلال رابط (AC-DC-AC) في الجزء الثابت مما يساعد على الحفاظ على التردد والجهد الثابت، وهي الميزة الرئيسية لمثل هذه الآلة هي أنها لا تتطلب أي مصدر طاقة إضافي لتوليد مجال مغناطيسي، وهو البحث جار في كل من الآلات الكهربائية أحادية الطور ومتعددة الطور.
كذلك تم اقتراح مولد حثي خماسي الأطوار لتوليد طاقة الرياح، كما تم اختبار النموذج لسرعات الرياح المتغيرة وظروف التحميل، ووقد لوحظ أن الطاقة المولدة أعلى من تلك الناتجة عن مولد ثلاثي الطور، أيضاً هناك طريقة أخرى تتمثل في تكوين (TSCAOI) (سلسلتان متصلتان وواحدة معزولة) لمولد تحريض متغير السرعة لدوار القفص قادر على إنتاج جهد تيار متردد أحادي الطور بتردد ثابت، وفي هذه الحالة هناك مجموعتان من اللف، وهما الإثارة ولف الطاقة. يمكن استخدام أي من الاثنين (المعزول أو المتصل بالسلسلة) كلفائف طاقة أو إثارة.
بناء المولد الحثي المتعرج المتشعب (BWIG)
يتم اختيار آلة الحث الدوارة الموجودة في القفص بالمواصفات الواردة في الجدول التالي (1)، وذلك للتجربة في التكوين الجديد، كما يتم تشعب لفات الجزء الثابت لآلة الحث الدوارة القفصي بحيث تكون 50٪ من لفات كل مرحلة متصلة بنجمة على أنها ملف إثارة، كما يتم استخدام النصف الآخر من اللفات كملف خرج ثلاثي الأطوار لتسهيل الاتصال بحمل خارجي أو بالشبكة.
لذلك توجد (36) فتحة لملفات الجزء الثابت والتي تتضمن (12) فتحة لكل مرحلة و (3) فتحات لكل عمود لكل مرحلة، كما تم تحديد نقطة منتصف الطريق التقريبية في كل ملف، ونظراً لوجود (12) فتحة في كل مرحلة؛ فإنه تم تقسيم الملف إلى نصفين عن طريق قطع الملف بعد (6) فتحات، بحيث يتم قياس المقاومة والتحريض لكل نصف من اللف باستخدام مقياس متعدد ومقياس (LCR) ويتم التحقق من القيم التي تم الحصول عليها لكل نصف لف كل مرحلة.
وبالنسبة الى خصائص (BWIG)؛ فإنه تم تكوين (BWIG) الجديد ليتم تشغيله كمولد باستخدام محرك (DC)، وذلك كمحرك رئيسي لمحاكاة توربينات الرياح، كما يتم تشغيل محرك التيار المستمر باستخدام مقوم بسرعات متزامنة ومتزامنة فرعية ومتزامنة للغاية، كما ويتم الحصول على الخصائص السلوكية للإثارة وملفات الطاقة، بحيث تظهر صورة أطراف لف الجزء الثابت المتشعب في الشكل التالي (1)، بحيث يوضح الشكل التالي (2) كيفية توصيل كل نصف لفات الجزء الثابت بمصدر الإثارة والحمل ثلاثي الطور.
وعندما يتم إجراء التوصيلات كما هو موضح في الشكل السابق (2)، يُلاحظ أنه استجابة للتغيرات في جهد الإثارة، كذلك تباين جهد الخرج دون أي تغيير في التردد الكهربائي، كما يتم الاحتفاظ بالقيمة القصوى لجهد الخرج عند (150) فولت لتجنب أي تلف للفات حيث تم تصنيفها على (200) فولت، كما ويلاحظ أن التكوين المتشعب يلغي تماماً الحاجة إلى واجهة إلكترونية للطاقة بين المولد والشبكة من أجل الحفاظ على التردد ثابتاً عند (50) هرتز.
كذلك يتم أيضاً التخلص من تعقيد مشكلات التحكم في الطاقة النشطة أثناء السرعة المتغيرة وتشغيل الحمل في حالة المولد غير المتزامن التقليدي، بحيث لوحظ التردد الثابت للعملية في أشكال الموجة الملتقطة بسرعات تشغيل مختلفة للمحرك الرئيسي ويظهر نفس الشيء في الشكل التالي (3).
وهناك ميزة أخرى للتكوين المتشعب هي أنه في سرعات الرياح العالية، بحيث تكون الإثارة وبالتالي قوة الإثارة النشطة المطلوبة للحفاظ على جهد خرج ثابت أقل من ذلك عند سرعات التشغيل المنخفضة، وذلك من خلال الرسم البياني في الشكل التالي (4)، بحيث يمكن ملاحظة أنه مع زيادة سرعة الدوار وينخفض تيار الإثارة المرسوم بواسطة المحرك مما يوضح أن القيمة المنخفضة لتيار الإثارة كافية للحفاظ على جهد الخرج عند المستوى المطلوب.
وأخيراً عند تحليل التدفق؛ فإنه من المهم جداً تحليل توزيع التدفق لأي تصميم جديد للماكينة لفهم الأداء، بحيث تعد طريقة العناصر المحدودة (FEM) واحدة من أكثر التقنيات شيوعاً لتحليل أداء أي آلة لذلك يتم تحليل الآلة المتزامنة ذات المغناطيس الدائم باستخدام (FEM)، بحيث إنه يساعد على محاكاة جهد الخرج للآلة لأشكال وأبعاد مغناطيسية مختلفة.
كما أنه يتم أيضاً تحليل معامل ارتباط التدفق للحقل الشعاعي والمحوري وعزم الدوران المسنن، أيضاً يتم تحليل ومقارنة نوعين مختلفين من المولدات الحثية، كما أنه يتم تحليل المولدات الحثية المتصلة بالشبكة ذات الإثارة الذاتية، بحيث يمكن لـ (FEM) التنبؤ بدقة بقدرة الخرج وتيارات الخط للمولد، كما ويمكن أيضاً استخدام (FEM) لحساب متطلبات نموذج الآلة.
وفي هذا السياق، تم استخدام برنامج المحاكاة (Ansys Maxwell)، والذي يعتمد على تحليل العناصر المحدودة لهذا الغرض. باستخدام هذا البرنامج، كما تتم مقارنة توزيع التدفق للآلة المقترحة مع توزيع المولد الحثي التقليدي، بحيث يوضح الشكل التالي (5) مخطط انسيابي للعملية الكلية التي تمت محاكاتها باستخدام برنامج (ANSYS)، والذي يعطي من خلال الجدول التالي (2) الأبعاد التقنية والفيزيائية التفصيلية للآلة الدوارة على شكل قفص السنجاب قيد الدراسة.
ومن أجل تحليل أداء (BWIG) المحدد للآلة؛ فإنه تم إدخال مواصفات (RMxprt) جنباً إلى جنب مع المواد مثل (D23-50) للجزء الثابت والدوار ويتم تصديرها إلى (ANSYS MAXWELL)، بحيث ترد مواصفات الجزء الثابت والدوار في الجدولين التاليين (3)و (4) على التوالي.
