طوبولوجيا التحويل الكهربائي ثلاثي الطور الى أحادي الطور

تحليل طوبولوجيا التحويل الكهربائي ثلاثي الطور الى أحادي الطور

في أنظمة إمداد طاقة الجر التقليدية (TPSSs) التي تتبنى مفاصل منفصلة، توجد مشكلات تتعلق بجودة الطاقة، مثل تيار التسلسل السلبي والتوافقيات والقدرة التفاعلية، ونظراً لاستخدام القاطرات القائمة على تعديل عرض النبضة (PWM) على نطاق واسع؛ فقد تم تحسين مشاكل المركبات التوافقية والقدرة التفاعلية، ولكن مشكلة تيار التسلسل السلبي لا تزال حرجة.

وذلك لأن الأحمال على مغذيتين من نادراً ما تكون المحطة الفرعية متوازنة بسبب العدد المتغير وسرعة وموقع القاطرات ولا يتم استخدام سعة المحول بالكامل في هذه الحالة، علاوة على ذلك تؤدي الأقسام المحايدة المُدخلة إلى تقييد السرعة وفقدان قوة الجر وتقليل استخدام الطاقة، ومع تطور السكك الحديدية عالية السرعة؛ أصبح تيار التسلسل السلبي والقسم المحايد مشكلتين رئيسيتين يتعين حلهما.

تهدف إلى مشاكل جودة الطاقة والقسم المحايد، كما تم استخدام مجموعة متنوعة من الحلول، على سبيل المثال، وهناك تقنية التعويض السلبي ممثلة بمعوض (var) ثابت (SVC) وتكنولوجيا التعويض النشط، مثل المعوض المتزامن الثابت (STATCOM) ومرشح الطاقة النشط (APF) في الشبكة العامة أو شبكة الجر للتعامل مع هذه المشكلات.

كما يمكن لحالة الطاقة الساكنة للسكك الحديدية (RPC) المستخدمة في اليابان أن تحل مشاكل جودة الطاقة للسكك الحديدية المكهربة وخاصة تيار التسلسل السلبي، ومع ذلك؛ فإن الحلول المذكورة أعلاه تركز فقط على بعض جوانب مشاكل جودة الطاقة هذه، كما يتم استخدام (SVC) و (STATCOM) و (APF) بشكل أساسي لحل مشاكل القدرة التفاعلية والتوافقيات، بينما يتعامل (RPC) بشكل أساسي مع مشكلة تيار التسلسل السلبي.

ومن أجل حل مشاكل جودة الطاقة والأقسام المحايدة تماماً؛ فإنه يجب اعتماد تحويل الطاقة من ثلاث مراحل إلى مرحلة واحدة في محطة الجر، كما أن هناك نوعان من المخططات الرئيسية في الوقت الحاضر، الأول هو المخطط القائم على المعوض، بحيث يتم تحليل المعدات القائمة على معوض الطاقة النشط (APC) المصمم من قبل العلماء الصينيين، والذي يسمى نظام إمداد طاقة الجر ذو الطور المشترك.

كذلك يمكن لـ (APC) موازنة الطاقة النشطة بين ملفين ثانويين للمحول وتعويض الطاقة التفاعلية وتوافقيات الحمل الكهربائي، ومع ذلك لا يمكن التحكم في حجم ومراحل وتواتر جهد الخرج، لذلك يمكن فقط خفض المقاطع المحايدة إلى النصف.

والثاني هو المخطط المعتمد على محول إلكترونيات القدرة، وهو المعروض في الشكل التالي (1)، وهو يشير إلى وضع إمداد طاقة الجر الألماني، كما يمكن تحويل طاقة التيار المتردد ثلاثية الطور مباشرة إلى طاقة تيار متردد أحادية الطور مطلوبة بواسطة حمل الجر في محطة الجر، ونظراً للتحكم المرن، يعد هذا المخطط خياراً أفضل مقارنة بالحل القائم على المعوض.

الهيكل العام لنظام Architecture

يوضح الشكل التالي (2) الهيكل المقترح، وهو ينقل القدرة من الشبكة العامة إلى شبكة الجر على أساس تحويل القدرة من ثلاث مراحل إلى مرحلة أحادية الطور، وهو يتألف من ثلاثة أجزاء:

الجزء  الأول: عادةً ما تستمد محطات الجر الفرعية الكهرباء من الشبكة الكهربائية العامة، لذا فإن المحول ضروري لمطابقة تكسير الجهد العالي، في هذا الهيكل تم اعتماد ثلاثة محولات أحادية الطور، كما يتم توصيل الجوانب الأولية للمحولات أحادية الطور في النوع (Y)، وهذا يجعل التحكم والهيكل منفصلين بين ثلاث مراحل، بحيث يرتبط جهد الملف الثانوي بجهد التيار المستمر، كما تم وصف حساب سعة المحول في القسم التالي.

الجزء الثاني: محول (AC-DC-AC) هو جزء تحويل الطاقة الرئيسي. يتم استخدام الأجهزة الإلكترونية للطاقة القائمة على تعديل عرض النبضة (PWM) لتحقيق التحكم في الطاقة والجهد الكهربائي، بحيث تنقل المحولات الطاقة من شبكة المرافق إلى الحمولة، كما يفصل هيكل (AC-DC-AC) بين التحكم في المعدل والعاكس، بحيث يمكن التحكم في المعدل والعاكس بشكل مستقل.

كما يقوم المعدل بتحويل طاقة التيار المتردد إلى طاقة تيار مستمر ويتحكم في تيار المصدر والجهد المستمر، بحيث يمكن تحقيق تشغيل “عامل الطاقة الموحد” وتدفق الطاقة ثنائي الاتجاه، لذلك يحسنان جودة الطاقة لـ (PCC) واستخدام الطاقة، بحيث يقوم العاكس بتحويل قدرة التيار المستمر إلى طاقة التيار المتردد والتحكم في جهد الخرج ويمكن إزالة جميع الأقسام المحايدة بسبب جهد الخرج القابل للتحكم.

الجزء الثالث: يتم توصيل جانب إخراج النظام بالتوازي، وبهذه الطريقة يمكن استخدام أجهزة التبديل ذات الضغط المنخفض الحالي للحصول على تيار إخراج كبير، وبالتالي يتم توفير التكلفة، وبالنسبة للهيكل المتوازي، يجب أن نعتمد خوارزمية التحكم المناسبة في قمع التيار المتداول.

المحاثات التسلسلية التي يتم إدخالها في الخرج لها تأثيران رئيسيان، وهما:

• فصل الجهد عن شبكة الجر والجهد الناتج للمعدات وتلبية متطلبات الحمولة النشطة والمتفاعلة.

• القيام بتنعيم جهد الخرج وتقليل المحتوى التوافقي.

إلى جانب ذلك؛ فإن الحث لديه أيضًا القدرة على قمع التيار المتداول، بحيث يعد اختيار الحث أمراً مهماً والذي سيتم تقديمه في جزء حساب التصميم الخاص بالعناصر.

تحليل مستوى الطور الواحد

بسبب الهيكل المتماثل ثلاثي الأطوار؛ فإننا ندرس مرحلة واحدة فقط. يقدم الشكل التالي (3) الرسم التخطيطي للهيكل أحادي الطور حيث يتم أخذ المرحلة (A) كمثال، كما ويتضمن جزأين رئيسيين: هيكل متعدد وهيكل متسلسل.

الجزء (A): بسبب مقاومة التسرب للمحول، سيحتوي جهد مصدر اللفات الثانوية على الكثير من التوافقيات، كما أن الجمع بين الهياكل المتعددة وتعديل عرض النبضة الجيبية-المدية الطور (PS-SPWM)، لذلك سيتم تقليل المحتوى التوافقي لتيار المصدر في (PCC) بشكل كبير.

الجزء (B): من أجل الحصول على الجهد العالي لتطبيق الجر، تم اعتماد محولات الشلال، كما يمكن الحصول على المزيد من المستويات مع زيادة الوحدات في هذا الهيكل، وفي الوقت نفسه يمكن أيضاً توسيع السعة، علاوة على ذلك؛ فإن النمطية العالية تجعل الصيانة أكثر ملاءمة كما أنها تدعم التكرار، بحيث توفر هذه المزايا الراحة لتطبيق السكك الحديدية المكهربة.

وبالنسبة الى مزايا هذه الطوبولوجيا، تشير التحليلات أعلاه إلى أن هذا الهيكل يمكن أن يحل مشاكل جودة الطاقة للسكك الحديدية المكهربة ويزيل جميع الأقسام المحايدة. إلى جانب ذلك، كما تتمتع بالمزايا التالية على طوبولوجيا تحويل الطاقة ثلاثية الطور إلى طور واحد في تطبيقات الجر:

• الهيكل ثلاثي الأطوار المتماثل والمنفصل أكثر قدرة على التعامل مع مشكلة التسلسل السالب الحالية للسكك الحديدية المكهربة.

• يسمح الهيكل المتوازي المتسلسل في جانب الإخراج باستخدام أجهزة التبديل ذات الجهد المنخفض والضغط الحالي المنخفض للحصول على جهد الخرج العالي وتيار الإخراج الكبير، كما يتم تقليل التكلفة وتوسيع السعة أمر سهل.

• لا توجد مشكلة عدم توازن بين وصلات التيار المستمر بسبب اعتماد (AFE).

وعلاوة على ذلك بالمقارنة مع المحول ثلاثي المستوى، لا توجد مشكلة الانجراف المحايد في سعة التيار المستمر، كما تشير الدراسات أعلاه إلى أنه أكثر قابلية للتطبيق على السكك الحديدية المكهربة.