طوبولوجيا إلكترونيات القدرة الكهربائية الخاصة بأنظمة التعدين

تحليل طوبولوجيا إلكترونيات القدرة الكهربائية الخاصة بأنظمة التعدين

تُستخدم عدة أنواع من المعدات الكهربائية في صناعات التعدين والتعدين تحت الأرض، كما تُستخدم القاطرات الكهربائية والمثاقب والقص والكسارات وآلات التحميل والناقلات الحزامية والمكوكية وآلات تثبيت السقف والرافعات والمبردات وأنظمة التهوية وأنواع مختلفة من المضخات، وفي التعدين السطحي تشمل الأنواع الرئيسية للأحمال خطوط السحب الكهربائية ومجارف الحبال الكهربائية (ERS) ومجارف التعدين الهيدروليكية (HMS) المثاقب وحفارات الجرافة السطحية والحفارات ذات السلسلة الدلو.

كما يتم نقل المواد المستخرجة إلى مصانع معالجة المعادن، حيث تعتبر الكسارات وأسطوانات الطحن ذات الضغط العالي والمطاحن الكروية والكرات ومراوح احتراق العادم والمجفف هي أنواع الأحمال الرئيسية، كما يتم استخدام محركات الحث والتيار المستمر لتشغيل هذه الأحمال باستخدام محركات مختلفة للتيار المتردد والتيار المستمر.

لذلك منذ أن تم استبدال مقومات القوس الزئبقي بالديود السيليكوني في السبعينيات؛ ازداد استخدام الأجهزة الإلكترونية للطاقة في المناجم بفضل التقدم التكنولوجي، بحيث يتم استهلاك (80٪) من إجمالي الطاقة في صناعة التعدين بواسطة محركات السرعة القابلة للتعديل (ASDs).

كما تتضمن بعض الأجهزة الإلكترونية ذات الطاقة الرئيسية المحولات الحلقية ومحولات (ASD) ومحولات (DC-DC) والمعدلات والمرشحات النشطة والمعوضات المتزامنة الثابتة (STATCOM) ومعوضات (VAR) الثابتة (SVC) من المهم تحليل كيفية تدفق الطاقة الكهربائية بين شبكات التيار المتردد والتيار المستمر، كما تم ذكر أنظمة تحويل الطاقة الشائعة (AC-DC) في الأقسام التالية.

الصمام الثنائي والمعدلات التي تسيطر عليها

الصمام الثنائي والمعدلات التي يتم التحكم فيها هي طوبولوجيا تدفق طاقة أحادي الاتجاه ويتم تشويه التيارات الخطية من خلال التوافقيات ذات الترتيب المنخفض، وبشكل أساسي أقل من (2) كيلو هرتز، كما أن هناك العديد من الحلول لتحسين جودة الخط الحالي مثل المرشحات السلبية في وصلة (DC) أو في الجانب الأمامي من المعدل. يمكن أن تكون هذه المعدلات إما نظاماً أحادي الطور أو ثلاثي الطور كما هو موضح في الشكل التالي (1).

الواجهة الأمامية نشطة (AFE): يعتبر هذا بمثابة محول تدفق طاقة “ثنائي الاتجاه”، والذي يوفر شكل موجة تيار خط جيبي عالي الجودة، كما يحتوي النظام على ستة مفاتيح طاقة نشطة مثل (IGBTs) أو (MOSFETs)، كما يتم التحكم فيها بناءً على تقنية تعديل عرض النبضة (PWM)، وذلك للتحكم في تموج تردد التبديل، بحيث يلزم وجود “مرشح جانبي أمامي”، والذي يمكن أن يكون من النوع (L) أو (LC) أو (LCL)، كما يُعد مرشح (LCL)، والموضح في الشكل التالي (2)، كما يعتبر خياراً شائعاً حيث يمكنه إزالة التوافقيات الحالية عالية التردد الكهربائي.

استخدام تقنيات خاصة: بعض الهياكل الأخرى للتيار المتردد والتيار المستمر موضحة في الشكل التالي (3)، كما ويستند نظام أحادي الطور الشائع إلى مقوم الصمام الثنائي مع محول التعزيز المسمى أحادي الطور مع تصحيح معامل القدرة (PFC) كما هو مبين في الشكل (3- a)، حيث أن ميزتها الرئيسية هي تحسين جودة الخط الحالي وعامل الطاقة بسبب الدائرة النشطة في نظام وصلة التيار المستمر.

كما تم استخدام مفهوم مشابه في الصمام الثنائي ثلاثي الطور أو المعدل المتحكم به وتسمى الطوبولوجيا بالمحث الإلكتروني، وذلك كما هو موضح في الشكل (3-b)، حيث أن ميزته الرئيسية هي القدرة على التحكم في التيار والجهد لوصلة التيار المستمر تحت ملفات تعريف تحميل مختلفة. مقوم فيينا الموضح في الشكل (3-c)، وهي أحادي الاتجاه بتيار خط جيبي تقريباً مقارنةً بـ (AFE)، كما ويتم استخدام عدد أقل من المفاتيح، مما يعني تكلفة أقل وموثوقية أعلى.

كفاءة طاقة التزويد الكهربائية الخاصة بالتعدين

يؤدي تحسين كفاءة الطاقة في صناعة التعدين على مستويي النظام والمعدات إلى زيادة الربحية والإيرادات وبيئة أنظف، بحيث اقترح الباحثون نظام محول هجين لتحسين كفاءة الطاقة لمعدات التعدين المتنقلة عالية الطاقة مثل المجارف وخطوط سحب التيار المتردد، حيث أن الفكرة هي تخزين الطاقة المتجددة للمعدات في بنوك ذات مكثف فائق باستخدام محول (DC-DC)، كما يمكن بعد ذلك استخدام هذه القوة لمشاركة ذروة طلب الحمل.

ولتحسين كفاءة الطاقة في شاحنات التعدين المتنقلة، يمكن إعادة الطاقة المتجددة إلى الشبكة الكهربائية باستخدام مقومات (AFE) و”أنظمة الترولي”، بحيث توضح نتائج محاكاة (MATLAB) والنتائج الميدانية توفير التكاليف وزيادة الإنتاج والسرعة وتقليل حجم الأسطول وتقليل انبعاثات غازات الاحتباس الحراري عند تشغيل الشاحنات باستخدام أنظمة العربات هذه.

كما أظهر الباحثون العلاقة بين مستوى الجهد وكفاءة الطاقة لنظام الطاقة عند طرف مجرفة في صناعة التعدين السطحي كما هو موضح في الشكل التالي (4)، بحيث يتضح من الرسم البياني أن معالجة مسألة تنظيم الجهد الكهربائي يمكن تحسين كفاءة الطاقة في محطات الجرافة.

كما تم القيام بتحليل إمكانية استخدام (ASD) لمروحة مجفف العادم (6000) حصان في صناعة التعدين الكندية ذات الكفاءة العالية في استخدام الطاقة والفوائد الاقتصادية، وأيضاً تم تطبيق (ASDs) لتحسين كفاءة الطاقة للتهوية والتبريد وأنظمة التبريد في صناعات التعدين المختلفة، بالإضافة الى التوافقيات في نظام الطاقة هي مصدر لإهدار الطاقة مما يؤدي إلى عدم الكفاءة، كما تم تقديم طرق التحسين في تصميمات المرشح التوافقي لتحقيق كفاءة أعلى.

أيضاً تستخدم الشاحنات التي تعمل بالديزل على نطاق واسع في صناعة التعدين لنقل المواد المستخرجة إلى موقع التفريغ أو المخزونات أو مصانع معالجة المعادن، بحيث تشير التطورات التكنولوجية الحديثة المتعلقة بالمركبات الكهربائية إلى أن الشاحنات الكهربائية (eTrucks) في صناعة التعدين ستحل في النهاية محل الشاحنات التقليدية التي تعمل بالديزل.

قضايا جودة القدرة الكهربائية في صناعة التعدين

تم الإبلاغ عن مشاكل جودة الطاقة المختلفة في نظام التوزيع الكهربائي، من بينها أنه يعد ترهل الجهد اضطراباً شائعاً في شبكة التوزيع الصناعي تم تأكيده من خلال البيانات المسجلة الحديثة لجودة الطاقة، بحيث ناقش الباحثون الآثار الاقتصادية لقضايا جودة الطاقة على المستهلكين، ولهذا الغرض تم تحليل الوميض وعدم توازن الجهد والتوافقيات والضعف فيما يتعلق بتأثيراتها الاقتصادية.

كما تعتبر خسائر الإنتاج بسبب الانقطاعات واستعادة معلمات العملية والمعدات الكهربائية التالفة وعدم كفاءة الطاقة وانخفاض إنتاجية الموظفين بعضاً من النتائج الرئيسية لمشاكل جودة الطاقة هذه، حيث أن تأثير الترهل والتوافقيات واسع الانتشار وأكثر أهمية من الناحية الاقتصادية مقارنة بقضايا جودة الطاقة الأخرى.

أيضاً تم تقديم مشروع مراقبة جودة الطاقة على نطاق واسع والمعروف باسم تدقيق توافق جودة الطاقة (PQCA)، والذي كان قيد التقدم في أستراليا منذ عام (2002م)، بحيث يعتمد المشروع على البيانات المقدمة من (12) من مزودي خدمة شبكة التوزيع الأسترالي (DNSPs) لمراقبة معلمات جودة الطاقة والإبلاغ عنها على مستوى المرافق والشبكة الكهربائية والموقع.