محولات اللحام بالقوس المعدني والمعالجة بالحد الأدنى لتطبيقات الشبكات الصغيرة

أهمية وجود محولات اللحام بالقوس المعدني في تطبيقات الشبكات الصغيرة

في السنوات الأخيرة، كان هناك اهتمام متزايد بإمكانية توفير شبكات صغيرة للكهرباء في الاقتصادات الناشئة، بحيث توجد فرص كبيرة لعمليات النشر المستقبلية للحواجز الصغيرة في الهند وأفريقيا، وعلى سبيل المثال ووفقاً لوكالة الطاقة الدولية؛ فإنه سيكون ما يقرب من 600 مليون شخص في جنوب الصحراء بدون كهرباء بحلول عام 2030م.

لكن ومع وجود أكثر من 80٪ من سكان أفريقيا جنوب الصحراء يعيشون في مناطق ريفية؛ فإن بناء أو تمديد خطوط كهرباء جديدة غالباً ما يكون غير مجدٍ اقتصادياً، لا سيما في المناطق الجبلية، وفي هذا السياق؛ فقد أصبحت الشاحنات الصغيرة قابلة للحياة اقتصادياً بشكل متزايد.

ودعماً لهذا الاتجاه، مولت استثمارات القطاعين العام والخاص العديد من عمليات نشر الشبكات الصغيرة في جميع أنحاء الهند وأفريقيا في السنوات الأخيرة، بحيث تتضمن بعض الأمثلة المئات من المحطات الصغيرة للطاقة الشمسية والكتلة الحيوية في “بيهار” و”جارخاند” و”أوتار براديش” (الهند).

وهناك شبكات صغيرة بقدرة (2-300) كيلو وات باستخدام الطاقة الشمسية المقترنة بالتيار المتردد (كينيا ورواندا وناميبيا) والشبكات المائية الصغيرة حتى 3 ميغاوات (أوغندا، ملاوي، غانا)، كذلك محطات الكتلة الحيوية الصغيرة حتى (1) ميغاوات (إثيوبيا، تنزانيا، الكاميرون).

ومع ذلك؛ فإنه يمكن أن تشكل الشبكات الصغيرة للتطبيقات الريفية تحديات لمهندس التصميم، بحيث تعتبر الأجهزة المستخدمة لتوليد الدخل ضرورية للرفاهية الاقتصادية للمجتمع ولديها القدرة على توليد إيرادات ذات مغزى للمطورين، ومع ذلك؛ فإنه لا توجد توصيفات قياسية أو مكتبات جزئية متاحة لتمثيل هذه الأحمال.

على سبيل المثال، يتم توفير خدمة مشتركة في الاقتصادات الجزئية الريفية الإفريقية من خلال محلات اللحام التي تستخدم محولات يدوية منتجة محلياً للحام القوسي، كما يمكن للشبكات الصغيرة التي توفر الطاقة لهذه الأحمال التجارية أن تواجه طلباً مرتفعاً حالياً وانخفاض جودة الطاقة، مما قد يؤثر على مواصفات تصميم الشبكة الصغيرة.

حيث يكمن الهدف من هذا الطرح توفير مورد لمهندس التصميم الممارس “للشبكات الصغيرة” الريفية للاقتصادات الناشئة، وذلك تحقيقاً لهذه الغاية، بحيث يصف هذا العمل نموذجاً غير خطياً للتنبؤ بالسلوك الكهربائي للحام القوس الشائع في هذه المجتمعات.

كما تم وصفه في هذا الطرح طريقة لتحديد المعلمات التي تحدد السلوك المغناطيسي الكهربائي وغير الخطي لمحول مصدر الطاقة باستخدام القياسات الطرفية فقط، وهو دون إزالة التصفيح الأساسية أو تتطلب معدات اختبار مغناطيسية متخصصة.

لذلك تم توضيح تفسير السلوك المغناطيسي غير الخطي في المحولات في الدراسات العلمية السابقة، حيث استخدم الباحثون وظيفة غير خطية لربط التمغنط الذي يتم طرحه من ارتباط التدفق الاسمي (أي الخطي) لمحاكاة التشبع.

خلفية موجزة عن لحام القوس الكهربائي

“اللحام القوسي” هو عملية ربط قطعة (قطع) عمل معدنية واحدة أو أكثر عن طريق إذابة أجزاء من المادة والسماح لحوض اللحام بالتبريد والتشكل في مكانه، كما يتم إحضار المعدن إلى درجة حرارة الانصهار من خلال قوس كهربائي عالي التيار.

لذلك يتم إنشاء القوس الكهربائي بين طرف كهربائي (موصول) بمصدر “طاقة اللحام القوسي” وقطعة العمل اللازمة، بحيث يتدفق التيار من خلال القوس الكهربائي الناشئ عبر قطعة العمل ويعود إلى مصدر التزويد عبر “وصلة أرضية” مربوطة بجسم القطعة، حيث يوضح الشكل التالي نظام اللحام “بالقوس الكهربائي” المزود بالطاقة والقطب الكهربائي والتوصيل الأرضي وقطعة الشغل.

في الشكل أعلاه يوفر مصدر الطاقة الجهد الكهربائي (v)، كما يتدفق التيار الأول عبر القطب الكهربائي ويؤسس القوس بين القطب الكهربائي وقطعة العمل المعدنية، حيث أن العوائد الحالية إلى مصدر الطاقة عبر الوصلة الأرضية المثبتة بقطعة العمل.

وهناك الأنواع الشائعة لطرق اللحام بالقوس هي اللحام بالقوس المعدني المحمي (SMAW)، اللحام بالقوس المغلف بالصهر ولحام القوس المعدني بالغاز، ومن بين هذه الأنواع (SMAW)، حيث يشار إليها بالعامية باسم اللحام “بالالتصاق”، وهي الأكثر استخداماً في جميع أنحاء العالم لإجراء اللحامات اليدوية في التطبيقات الصناعية والبناء بتكلفة منخفضة نسبياً.

في (SMAW)، يتم تغليف القطب المستهلك بتدفق معدني يتفكك عندما يذوب القطب نفسه، كما ويطلق الغازات التي “تحمي” اللحام من الغازات الجوية غير المرغوب فيها (مثل الأكسجين)، وأثناء العملية الفعلية لـ (SMAW)، يتغير طول القوس الكهربائي باستمرار.

ولهذا السبب، عادةً ما تستخدم مصادر “طاقة اللحام” الخاصة بالقوس الكهربائي في إلكترونيات القدرة للتحكم في التيار الكهربائي الثابت على الرغم من التغييرات في طول القوس، كما يتم توفير جهد الإدخال إما عن طريق (DC) أو جهد التيار المتردد المعدل، ومع ذلك، يمكن أن تكون تكلفة إمدادات طاقة اللحام القوسي التجارية باهظة في الاقتصادات الناشئة.

النمذجة الخاصة بـ (SMAW) على غرار المحولات الكهربائية

يُشار إلى تنفيذ (SMAW) شائع الاستخدام ومنخفض التكلفة باسم (SMAW) على غرار المحولات، وكما هو موضح في الرسم التخطيطي المبسط في الشكل التالي في هذا التنفيذ، بحيث يتكون مصدر الطاقة (غير المنظم) من محول تنحي أحادي الطور ( N1> N2) مع إدخال جهد أولي لـ (v1) يتم توفيره بواسطة مصدر جهد تيار متردد.

في تمثيل الدائرة المبسط الموضح في الشكل أعلاه، فقد تمثل حالة المفتاح الموجود على الملف الثانوي S∈ {0،1} حالة القوس، كما أن (S = 0) لا يمثل أي قوس (دائرة ثانوية مفتوحة) بينما (S = 1) تشير إلى وجود قوس (تقصير الدائرة الثانوية بشكل فعال).

لذلك يتم التحكم يدوياً في تيار (i)2 في الملف الثانوي، والذي يُنشئ “القوس الكهربائي”، وبمجرد اشتعال القوس؛ فإنه يقوم المشغل بضبط التيار في القوس عن طريق تغيير المسافة يدوياً من القطب إلى قطعة العمل.

وعلى الرغم من عدم استخدام التحكم الآلي في التيار في النظام الموضح في الشكل السابق، إلا أن الحد المتأصل للتيار الأولي (i1) عندما يكون القوس غير نشط (S = 0) يتحقق من خلال التشبع المغناطيسي المتعمد لنواة المحول، ولهذا السبب، يجب أن يشتمل نموذج الدائرة الكهرومغناطيسية للنظام على خصائص تشبع مغناطيسي مفصلة للتنبؤ بدقة بتيار إدخال المحول في ظل ظروف التفريغ.

وأخيراً، تم وصف نموذج مفصل لمحاكاة السلوك الكهرومغناطيسي غير الخطي للمحولات المستخدمة في (SMAW) على غرار المحولات، ونظراً لأن المحولات المستخدمة في هذه التطبيقات تعتمد على التشبع المغناطيسي للحد من التيار أثناء الأقواس المروية؛ فقد استخدم النموذج تأثيرات مغنطة غير خطية.

كما تم إجراء تحديد المعطيات الخاصة للمادة المغناطيسية باستخدام خوارزمية البحث الخاصة، حيث اعتمد النهج فقط على قياسات الدائرة المفتوحة وتجنب الحاجة إلى إزالة رقائق الصلب من المحولات أو استخدام معدات اختبار مغناطيسية متخصصة، كما تم الحصول على جميع المعلمات الأخرى من اختبارات محولات الماس الكهربائي.

كما تبين أن المحاكاة باستخدام النموذج غير الخطي تتفق جيداً مع القياسات أثناء اللحامات القوسية الحية باستخدام محول تجريبي، وذلك على الرغم من ملاحظة ارتفاعات التيار المتقطع وعدم التوازن الحالي أثناء الانحناء، كما أنه من المحتمل أن تكون هذه التناقضات بسبب عدم الخطية في مقاومة القوس الفعلية.