تصميم وتطبيق دائرة حصاد الطاقة الكهربائية عالية الموثوقية

الهدف من تصميم وتطبيق دائرة حصاد الطاقة الكهربائية عالية الموثوقية

مع تطور إنترنت الأشياء (IOT) في الأنظمة الذكية، تم تجهيز عدد متزايد من مستشعرات المراقبة اللاسلكية في نظام الطاقة لإنجاز دمج أجهزة الاستشعار وأخذ عينات البيانات ومعالجة الإشارات ومراقبة حالة التشغيل، كما يجب نشر تقنية مصدر طاقة مستقر وعالي الموثوقية لأنها لا غنى عنها لجهاز استشعار المراقبة عبر الإنترنت.

حالياً في العديد من سيناريوهات التطبيق مثل أجهزة الاستشعار المراقبة في خطوط نقل الجهد العالي ووحدات التغذية الطرفية (FTUs) في نظام التوزيع الأوتوماتيكي (DAS) ومستشعرات مراقبة الحالة ذات المكثف (UHV) وما إلى ذلك؛ فإنه من الضروري أن تكون الطاقة تم حصاده من كائن مراقب لتزويد مستشعرات المراقبة بالطاقة بسبب قيود الظروف الميدانية، وحتى الآن، تشمل طرق تجميع الطاقة وكذلك اعتماد محولات عزل عالية ذات سعة صغيرة لاستخراج الطاقة من الجهد الأولي للأجسام المراقبة.

بالإضافة الى اقتران المجال الكهربائي الناتج عن نظام الجهد العالي الأساسي للحصول على الطاقة وتحويل الأشكال الأخرى من الطاقة المحلية غير الكهربائية (مثل الطاقة الشمسية) إلى طاقة كهربائية وإقران المجال المغناطيسي المتناوب المتولدة عن التيار الأولي، كما يتم تحديد توظيف كل طريقة من خلال الظروف الفعلية، بحيث تركز هذه الدراسة على طريقة حصاد الطاقة في اقتران المجال المغناطيسي، والتي تواجه العديد من التحديات الفنية على النحو التالي.

يمكن أن يؤدي تيار الدائرة القصيرة الأولي الثقيل الناجم عن عطل ماس كهربائي في نظام الطاقة إلى زيادة الجهد في الجانب الثانوي لحصاد الطاقة (CT)، لذلك من الضروري اعتماد تدابير وقائية لمنع تلف دائرة حصاد الطاقة ومستشعر المراقبة الموجود خلفها. وفي الوقت الحاضر هناك طريقتان أساسيتان للحماية، وهما تجميع مفتاح تحكم بالسيليكون (SCS) ومقاوم ضغط وأنبوب تفريغ الغاز (GDT) ومانع جهد عابر (TVS) لعمل جهاز حماية من زيادة التيار (SPD).

والآخر هو استخدام خاصية التشبع الخاصة بحصاد الطاقة المقطعية (CT الوقائي)، لذلك؛ فإن كلتا الطريقتين يمكن أن تحقق هدف امتصاص التيار الزائد الثقيل، ومع ذلك؛ فإن الأول أعلى في التكلفة وأسهل للفشل في ظل فترة قصيرة ومتكررة من الاندفاع، وفي حين أن الأخير قد يتسبب في زيادة الجهد الثانوي عالي التردد تحت تأثير تيار الاندفاع الأولي، الأمر الذي يتطلب التنسيق بين دوائر الحماية الأخرى.

وبغض النظر عن فقد الطاقة، يجب أن تتطابق طاقة الإدخال والقدرة الناتجة لدائرة حصاد الطاقة من حيث القيمة، خاصةً إذا كانت الطاقة المستخرجة أكثر من اللازم؛ فسوف تتحول الطاقة الزائدة إلى حرارة قد يهدد تراكمها سلامة الدائرة، وفي الحالة المعاكسة لن يتمكن مستشعر المراقبة من العمل بشكل طبيعي.

التحليل النظري الخاص بتطبيق دائرة حصاد الطاقة الكهربائية

حصاد الطاقة الأولية من تصاعد التيار الكهربائي: كما هو مبين في الشكل التالي (1)، تم تصميم القلب الحديدي لـ (CT)، وذلك كنواة حلقية مع جرح فولاذي سيليكون عالي الجودة في اتجاه التدحرج، مما يجعل قلب الحديد بلا فجوات وممتاز في الخاصية المغناطيسية، وبهذه الطريقة سيكون تسرب اللف صغيراً بشكل مهم.

كما يتم عرض معلمات النواة الحلقية والملفات في الجدول التالي (1)، بحيث يتم دحرجة النواة الحلقية باستخدام شريط الصلب (Si B27G120)، والذي طورته شركة (Baosteel)، حيث أن القطر الداخلي والقطر الخارجي والارتفاع، (60 مم ، 90 مم ، 40 مم ) على التوالي، كما يبلغ قطر النواة النحاسية الملفوفة الثانوية (0.5) مم والعزل الملفوف عبارة عن “راتنج إيثيلين بروبيلين مفلور” (FEP) مقاوم للحرارة وعدد الدورات حوالي (80).

كما يربط الجانب الثانوي لحصاد الطاقة (CT EHC) مباشرة، لذا فإن التيار الكهربائي القوي المقترن بـ (CT) قد يزعج الدائرة الخلفية ويتلفها عند حدوث عطل ماس كهربائي في نظام الطاقة، ونظراً للسعة الكبيرة لتيار التدفق، يمكن أن يدخل المركز المغناطيسي لحصاد الطاقة المقطعية بسهولة منطقة التشبع، مما سيولد جهداً ثانوياً للارتفاع يهدد سلامة (EHC)، ومن حيث الطاقة؛ فإن الطاقة المتزايدة المرتبطة بتيار التدفق الأولي سوف تتسبب في ارتفاع درجة حرارة الدائرة وبالتالي إتلاف الدائرة الكهربائية.

مبدأ ضبط توازن الطاقة (EHC) وتحسين قدرة تجميع الطاقة: حالياً الطريقة التحليلية للطاقة المحصودة على أساس (CT) هي طريقة مطابقة المعاوقة التقليدية، والتي يمكن استنتاج مسارها الأساسي على النحو التالي، وهو بناءً على مخطط متجه مكافئ ونموذج دائرة ومعادلة (PL) النظرية للقدرة المحصودة مع التيار الأولي (I1)، بحيث يجب اشتقاق الجهد الثانوي (V2) والحمل (RL) وما إلى ذلك.

كما يمكن استنتاج أن (PLmax) مرتبط فقط بـ (RL)، مما يعني فقط عندما يتطابق (RL) مع قيمة الحمل لـ (PLmax)، كما يمكن لـ (CT) استخراج معظم الطاقة، ومع ذلك من الناحية العملية، بحيث يتغير (RL) جناً إلى جنب مع حالة تشغيل مستشعر المراقبة، الأمر الذي يتطلب تغيير (PL)، وبالتالي؛ فإن طريقة مطابقة المعاوقة التقليدية ليست مناسبة لتحليل مشكلة توازن الطاقة.

كذلك يجب أن يكون المسار الصحيح من خلال ضبط الطاقة المحصودة (طاقة الإدخال) في (EHC) في الوقت الفعلي لجعلها تتبع الحمولة المستهلكة للطاقة (طاقة الإخراج)، مما يساعد (EHC) على “استخراج الطاقة حسب الحاجة”، وفي هذا البحث وبناءً على الدائرة المبسطة كما هو موضح في الشكل التالي(2)؛ فإنه يتم استخدام المكثف كعنصر تخزين للطاقة ويتحكم في (SW) وذلك لضبط طاقة الإدخال في (EHC)، كما يتم تشغيل (SW) عندما يصل (vSC) إلى (VOPT) ويتم إيقاف تشغيله عندما يسقط (vSC) إلى (VRET).

التحكم في بدء التشغيل والتشغيل والإيقاف: يجب استنتاج جوهر مشكلة “بدء التشغيل الخاطئ” على النحو التالي، وذلك خلال فترة بدء التشغيل، بحيث يفشل جهد التيار المستمر في الوصول إلى عتبة البداية، وفي نفس الوقت يبدأ الحمل في استهلاك الطاقة، وعلى الرغم من أن الحمل لم يبدأ تماماً؛ فقد تم إنشاء حالة شبه متوازنة بين (EHC) والحمل.

أيضاً يرتبط جهد التيار المستمر المتنامي ببطء ارتباطاً وثيقاً بوقت بدء التشغيل أيضاً، كما يستفيد حل هذه المشكلة المقترح في هذه الورقة استفادة كاملة من الجهد الطرفي لمصدر النسخ الاحتياطي، بحيث يلعب مصدر الدعم دوراً مهماً في إمداد الطاقة بدون انقطاع لجهاز المراقبة في نظام الطاقة، واستناداً إلى الدائرة المبسطة الموضحة في الشكل التالي (3)؛ فإن استراتيجية التحكم في الجهد المقسم باستخدام جهد البطارية كجهد داعم تجعل (EHC) تحقق بدء التشغيل السريع والتشغيل الذاتي والتوقف المتحكم فيه وإدارة الطاقة.

الدائرة المبسطة الموضحة في الشكل السابق هي نموذج ممتد من النموذج الموضح والكميات المادية مثل (i1 ، i2 ، idc ، iS ، iC ، iR ، vSC ، vR)، وهي نفسها الموجودة في الشكل (2)، بحيث تكمن الاختلافات في العناصر الإضافية مثل الصمام الثنائي (D2∼D4) الذي يتم استخدامه لتقييد مسافة تدفق الطاقة والشحن الذي يتم وضعه لتحقيق الشحن العائم للبطارية.