تحليل وتصميم النظام المشغل لقاطع الدائرة الكهربائية HVDC

الضرورة من تحليل وتصميم النظام المشغل لقاطع الدائرة الكهربائية HVDC

يعتبر التيار الكهربائي المباشر عالي الجهد (HVDC)، بمثابة نظام نقل “لقدرة التيار مستمر”، بحيث يتميز بكفاءة وقدرة عالية في النقل لمسافات طويلة، كما أنه له العديد من المزايا التي تتفوق على أنظمة نقل طاقة التيار المتردد، مثل الكفاءة العالية في النقل لمسافات طويلة وتقليل تكاليف تركيب خط نقل القدرة وسهولة الاتصال بأنظمة الطاقة ذات “الترددات الكهربائية” المختلفة، لذلك فقد جذب اهتمامًا متزايدًا كبديل لنظام التكييف التقليدي.

ومع ذلك، لتسهيل استخدام أنظمة (HVDC)، بحيث يجب معالجة العديد من الصعوبات التقنية، وهي واحدة من أكبر العقبات التي تحول دون الاستخدام الواسع النطاق لتقنية (HVDC)، وهي صعوبة تطوير قاطع الدائرة الكهربائية الذي يمكنه كسر التيار المستمر بشكل فعال، وذلك على عكس نظام التيار المتردد حيث يوجد تيار صفري، وفي نظام (HVDC)، بحيث لا يمر التيار عبر نقطة الصفر بشكل طبيعي.

ووفقاً لذلك، بحيث يعاني نظام (HVDC) من صعوبة حظر عالية، كما يمكن حل مشكلة الحجب الفعال عن طريق استخدام مشغل عالي السرعة يفصل الاتصال بسرعة، كما أن المشغلات الهيدروليكية أو الكهرومغناطيسية أو الزنبركية المستخدمة في قواطع التيار المتردد التقليدية لا تفي بسهولة بمتطلبات عمليات قاطع التيار المتردد (HVDC)، وذلك نظراً لوقت استجابتها الطويل وسرعة تشغيلها المنخفضة.

وعلى النقيض من ذلك؛ فإنه يتم دفع مشغلات ملف [Thomson (TCAs)] بواسطة القوة الطاردة بين تيار محرك الملف والتيار الدوامة للوحة المحرك الكهربائي، لذلك؛ فهي تتمتع باستجابة عالية وسرعة تشغيل عالية، مما يجعلها أنسب نظام فعال لتطوير قواطع (HVDC).

كما تم إجراء العديد من الدراسات حول استخدام (TCA) كمشغل تكسير (HVDC)، ومع ذلك ركزت هذه الدراسات فقط على حركة المحرك للوصول إلى نقطة النهاية المستهدفة ولم تشمل الإجراءات اللاحقة، مثل الكبح وتثبيت المحرك، بحيث يتطلب (TCA) جهازاً لامتصاص الطاقة الحركية بثبات وإمساك المحرك لمنع التلف أو العطل الناجم عن التأثير والارتداد.

وفي هذا الصدد، تم اقتراح عدة طرق لمشغلات الكسارة، وهي الطريقة الأكثر شيوعاً وأبسطها هي استخدام زنبرك الضغط كزنبرك فرامل، وفي هذا النهج تعمل قوة الكبح بقوة من وقت التسارع الأولي، مما يعيق استجابة (TCA)، كما ويقلل من سرعة التشغيل، وفي طريقة أخرى يستخدم ملف الكبح قوة التنافر الكهرومغناطيسية كقوة الكبح.

الهيكل الأولي وآلية الجهاز المستخدم

يشتمل نظام المشغل المقترح على وحدة مشغل تولد الحركة باستخدام تأثير ملف طومسون ووحدة فرملة لامتصاص الطاقة الحركية للجزء المتحرك، ووحدة تثبيت تمنع حركة المحرك بعد اكتمال العملية.

هيكل المشغل المقترح: يشتمل (TCAS) المقترح على وحدة مشغل مكونة من محرك وملف محرك ووحدة فرامل مكونة من سلسلتين زنبركي ووحدة حامل مكونة من مزلاج زنبركي، وذلك كما هو موضح في الشكل التالي (1).

كما يتكون المحرك من صفيحة موصلة، بحيث يتم فيها إحداث تيار دوامي ودليل المحرك، والذي يربط المحرك والاتصال المتحرك للمقطع، كما تتكون وحدة الفرامل من سلسلة من نوابض التلامس ونوابض الفرامل، وهي زنبرك التلامس لديه مرونة منخفضة، كما يستخدم قوة تلامس في حالة الإغلاق ويمنع تلف دليل المحرك الناتج عن الاصطدام بين المحرك ونابض الفرامل.

كذلك يتمتع زنبرك الفرامل بمرونة عالية ويلعب دوراً رئيسياً في امتصاص الطاقة الحركية للكتلة المتحركة، بحيث تتكون وحدة الحامل من زنبرك ومزلاج ملامس لسطح توجيه المحرك، كما يعمل عندما يمر المحرك من خلال نقطة الوصول المستهدفة، بحث يقوم الزنبرك بتحريك المزلاج إلى موضع قفل سطح دليل المحرك لضمان عدم عودة المحرك إلى حالته الأصلية نتيجة لقوة ضغط زنبرك الفرامل.

تشغيل المشغل المقترح: يحتوي نظام المشغل المقترح على ثلاث حالات تشغيل، وهي:

• إغلاق الحالة: تضمن قوة زنبرك التلامس وزنبرك الفرامل أن التلامس المتحرك على اتصال مع جهة الاتصال الثابتة بقوة اتصال كافية، بحيث يتم إجراء التيار من خلال الاتصال بين جهات الاتصال، كما يتم فتح مفتاح دائرة القيادة ويتم شحن المكثف بالطاقة الكهربائية لتشغيل المشغل.

• فتح المشغلة: يتم إغلاق مفتاح ملف القيادة باستخدام مشغل مفتوح، وبعد ذلك يتدفق تيار القيادة من المكثف إلى ملف القيادة، كما يتغير التدفق المغناطيسي الذي يمر عبر لوحة المحرك بسرعة بسبب تيار الملف وبالتالي يتم إنتاج تيار دوامة في لوحة المحرك، بحيث تتحرك اللوحة المتحركة والجزء المتحرك المتصل بها على طول المحور بسبب القوة الطاردة بين تيار الدوامة وتيار الملف.

• الحالة المفتوحة: عندما يتحرك المحرك على طول المحور ويمرر الحد المستهدف، كما يقوم زنبرك المزلاج بدفع المزلاج، وبالتالي؛ فإن المزلاج يتلامس مع سطح قفل دليل المحرك، بحيث يتحرك المحرك الذي يتجاوز الحد المفتوح يحاول التحرك للخلف عبر زنبرك الفرامل ويتوقف عند موضع الشوط المستهدف بمساعدة مزلاج، وبذلك يكمل تشغيل المشغل بالكامل.

تصميم وتنفيذ TCAS المقترحة

تدفق التصميم لنظام مشغل الملف (Thomson): يتكون تصميم (TCAS) المقترح من ثلاثة أجزاء، وهي وحدة مشغل ووحدة فرامل ووحدة حامل، كما تم تنفيذ عملية التصميم باستخدام تدفق التصميم الموضح في الشكل التالي (3)، كما ويتم وصف تفاصيل عملية التصميم لكل وحدة أدناه.

تصميم وحدة المحرك: تم تصميم وحدة المشغل باستخدام نتائج تحليل الخصائص بناءً على نموذج الدائرة المغناطيسية المكافئة (MEC)، بحيث يمكن استخدام (MEC) لتحليل الاقتران المغناطيسي بين ملف المحرك ولوحة المحرك في وقت واحد وظاهرة الحث الحالية في لوحة المحرك وحركة المحرك وخصائص الجهد الكهربائي والتيار لدائرة القيادة بتكلفة منخفضة.

تصميم وحدة الفرامل: تم تصميم وحدة الفرامل في (TCAS) المقترحة بنظام فرامل زنبركي باستخدام زنبرك ضغط، بحيث تم تنفيذ تصميم نظام الفرامل الزنبركية من خلال البحث عن زنبرك يمكنه امتصاص الطاقة الحركية بشكل كافٍ (Emover)، وذلك أثناء وقت الكبح المستهدف (t) في مسافة الكبح المستهدفة (x)، كما أن عملية تحديد (k) التي تحقق مسافة الكبح (x) للجزء المتحرك كتلته الذي (m) هي على النحو التالي.

تصميم وحدة الحامل: تتكون وحدة الحامل لـ (TCAS) المقترحة من مزلاج يتم تشغيله باستخدام زنبرك ضغط، كما أنه يجب أن يتحرك المزلاج مسافة (xlatch) كافية للاحتفاظ بموضع المحرك في غضون الوقت حتى يمر المحرك من خلال الحد المستهدف ويعود إلى نقطة الكبح النهائية المستهدفة باستخدام قوة ضغط الزنبرك.

وأخيراً في هذه الدراسة، تم تصميم (TCAS) الذي يؤدي وظيفة تشغيل الفتح أو الإغلاق للقاطع باستخدام مبدأ ملف (Thompson) وتحليله والتحقق منه من خلال التجارب، وذلك على عكس الدراسات السابقة التي ركزت فقط على تحليل وتصميم وحدة المشغل، بحيث فحصت هذه الدراسة عملية تصميم (TCAS) بالكامل، بما في ذلك وحدة الفرامل ووحدة الحامل.