كفاءة الشحن في الآلات الكهربائية ذات التسع مراحل

تحليل كفاءة الشحن في الآلات الكهربائية ذات التسع مراحل

تم اعتبار أجهزة الشحن المتكاملة للمركبات الكهربائية منذ أكثر من ثلاثين عاماً، ومع ذلك فقد أصبحوا محور تركيز الأوساط الأكاديمية والصناعية في الآونة الأخيرة فقط، وبسبب إدخال العديد من الهياكل الجديدة؛ فإن عدد من أجهزة الشحن المتكاملة المطورة حديثاً قادرة فقط على شحن أحادي الطور (بطيء)، كما ومن المرجح أن تعمل فقط كأصل إعلان ذي قيمة محتملة جنباً إلى جنب مع أجهزة الشحن السريعة ثلاثية الطور.

ومن ناحية أخرى، تعاني غالبية أجهزة الشحن المتكاملة ثلاثية الطور المقترحة من مشكلة إنتاج عزم الدوران في الماكينة أثناء الشحن، بحيث يمكن التخلص من هذه المشكلة بسهولة عن طريق استخدام آلات متعددة الأطوار.

كما تركز هذه الدراسة على الشاحن المدمج على اللوحة والذي تم التعرف عليه باعتباره الشاحن الواعد من بين أجهزة الشحن متعددة الأطوار أو المحولات الكهربائية المطورة، مثل الشاحن الذي يحتوي على آلة ذات تسع مراحل ومحول من تسع مراحل، وهو موصوف بالاقتران مع ثلاثة طور وأسلوب شحن أحادي الطور (V2G) على التوالي.

لذلك؛ فإن الغرض الرئيسي من الدراسة هو الإبلاغ عن نتائج تقييم الخسارة والكفاءة لنظام الشحن أو (V2G) ذي المراحل التسع، وذلك مع فصل مفصل للخسائر في المكونات المختلفة، مما يتيح بعد ذلك استخلاص بعض الاستنتاجات فيما يتعلق بالإمكانات طرق التقليل منها، وذلك على عكس، كما تم الأخذ بعين الاعتبار كلا من آلات الحث تسع مراحل وآلات الجسيمات الدقيقة، بحيث يعد استخدام آلة (PM) بالإضافة إلى آلة الحث جانباً مهماً.

حيث يتم استيفاء آلات الحث و (PM) في غالبية مجموعات نقل الحركة (EV)، حيث تم الإبلاغ عن الكفاءة لنقطة تشغيل واحدة لآلة الحث ذات التسع مراحل لشحن أحادي الطور وأوضاع (V2G) (ولجهد تيار مستمر عاكس مختلف)؛ فإن النتائج هنا تغطي نطاق الطاقة الكامل الممكن للتشغيل في وضعي الشحن و (V2G).

وصف النظام  الخاص بالشحن والتحكم فيه

يظهر إنفاق الهيكل الذي تم فحصه في الشكل التالي (1)، وأثناء الشحن ثلاثي المراحل، كما يتم توصيل كل مرحلة من مراحل الشبكة بنقطة محايدة منفصلة لمجموعات اللف ثلاثية الطور، ونظراً لأن اللفات الفردية في أي مجموعة ثلاثية الطور يتم إزاحتها بمقدار (120) درجة على طول محيط الجزء الثابت ويتدفق التيار نفسه عبر كل منها؛ فإن التدفق الناتج من المجموعات ثلاثية الطور الفردية هو صفر.

لذلك إذا تم اعتبار المراحل الفردية للآلة متساوية؛ فيمكن استخدام مخطط مكافئ مبسط لأغراض التحكم، وذلك كما هو مبين في الشكل التالي (2)، كما يمكن اعتبار المراحل الثلاث للمجموعات الفردية متصلة مباشرة بالتوازي عند تبديل أرجل العاكس الثلاثة المقابلة في نفس الوقت، بحيث تم شرح هذا المفهوم باستخدام تحويل مصفوفة الفصل ذات التسع مراحل والتحقق منها تجريبياً باستخدام آلة الحث تسع مراحل.

بالنسبة للشحن أحادي الطور، يتم الآن توصيل طور الشبكة والمحطات المحايدة بنقطتين من النقاط الثلاث المحايدة، وذلح حسب (الشكل 1)، وهناك المجموعة الثالثة غير مستخدمة، ومرة أخرى يتم تعديل الأرجل المتصلة بنفس النقطة المحايدة بنفس الطريقة ويتم رسم نفس التيارات من خلال كل لف من مجموعة ثلاثية الطور، لذلك؛ فإن المخطط المكافئ المبسط هو محول جسر كامل أحادي الطور (الشكل 2).

وبالنسبة الى التحكم؛ فإنه يتم تطبيق التحكم الموجه لجهد الشبكة لكل من أوضاع الشحن أحادي الطور وثلاثية الطور (V2G)، بحيث تكون العملية مع عامل قدرة واحد على جانب الشبكة الكهربائية، كما يتم تناول هيكل التحكم (الشكل 3) بإيجاز بعد ذلك.

استراتيجية التداخل المرتبطة بعملية الشحن

من أجل تقليل تموج تيار الشبكة، يؤخذ في الاعتبار تشذير أرجل العاكس الثلاثة المتصلة بنفس النقطة المحايدة، وهذا يعني أن إشارات البوابة المطبقة على الأرجل الثلاثة تتأخر فيما يتعلق ببعضها البعض بمقدار ثلث فترة التبديل. بدون تشذير جميع مكونات تيارات طور الآلة هي نفسها في جميع الأرجل الثلاثة ويتم نقلها جميعاً إلى تيار الشبكة الكهربائية.

وعند تطبيق التشذير؛ فإنه يتم نقل تموج أقل إلى تيار الشبكة، ومع ذلك؛ فإن بعض تموج طور الآلة الحالي سيصبح حتماً تياراً متداولاً داخل الملف ثلاثي الطور، مما يتسبب في خسائر إضافية في الجهاز، وللشحن أحادي الطور بدون تشذير؛ فإنه يتم توصيل الشبكة بين نقطتين محايدتين. يتم تشكيل الأرجل الثلاثة على كل جانب من الشبكة بنفس إشارات الموجة الحاملة، ولكن بإشارة التعديل العكسي.

كما ينتج عن هذا إلغاء التوافقيات الموجودة حول المضاعفات الفردية لتردد التبديل ومضاعفة التوافقيات الموجودة حول مضاعفات تردد التبديل، كما يوضح الشكل التالي (4)، وفي هذه الحالة حيث يُؤخذ تردد التبديل على أنه (kHz 10) وهي (القيمة المستخدمة في التجارب اللاحقة)، كما يشير المصطلح (Δv) إلى تموج الجهد لساق عاكس معينة، بينما تؤثر مجموعات تموج الجهد المطوق على تموج تيار الشبكة، بحيث يكون تموج تيار الشبكة الناتج متناسباً مع مجموع أطوار تموج الجهد الدائرة عند التردد المشار إليه.

بمجرد تطبيق التشذير؛ فإن التوافقيات حول مضاعفات تردد التبديل التي كانت في الطور دون تشذير، بحيث يتم إزاحتها بمقدار (n · 2π / 3)، حيث (n) هي مضاعف عدد صحيح لتردد التبديل، كما يظهر هذا أيضاً في الشكل السابق، لذلك إذا كان (n = 1) أو (2) أو (4) أو (5)؛ فإنه يتم إلغاء التوافقيات داخل أرجل العاكس الثلاثة المشذرة بشكل فردي (المراحل a, d, g ، b, e , h).

وعندما يكون (n = 3)؛ فإن توافقيات الأرجل الثلاثة تكون في الواقع في الطور، ومع ذلك؛ فإنها تلغي مع التوافقيات من الأرجل الثلاثة الأخرى، وذلك باتباع المنطق المطبق على الحالة دون تشذير، كما يمكن لبعض التيارات التوافقية أن تخترق الشبكة فقط من أجل (n = 6)، بحيث تم تأكيد هذه النتائج في المحاكاة، ومع ذلك في التجارب، لا يكون تأثير تبديل مجموعتي الطور الثلاث متساوياً، بحيث توجد بعض التوافقيات الصغيرة عند (n = 3).

كما وتجدر الإشارة إلى أن بيانات الكفاءة المذكورة بالفعل لنقطة تشغيل واحدة مع طوبولوجيا شحن أحادي الطور الكهربائي، بحيث تم الحصول عليها جميعاً بدون تشذير، كما أن الهدف هنا هو تقييم تأثير التشذير على كفاءة الشحن (V2G) عبر نطاق القدرة بأكمله، وفي الحالة ثلاثية الطور، لا تلغي المركبات التوافقية عند (n = 3)، وذلك على عكس الحالة أحادية الطور)، كذلك لا يوجد سوى تأثير التشذير داخل كل مجموعة من اللفات ثلاثية الطور، مما يلغي التوافقيات عند (n = 1) و (2) و (4) و (5).