محولات المولد الكهربائي ذات التيار المتردد المتصلة بالتوازي

أهمية محولات المولد الكهربائي ذات التيار المتردد المتصلة بالتوازي

لطالما كانت أنظمة (DC) للشبكة الكهربائية هي المعيار في صناعة الاتصالات وعلى السفن البحرية، مثل نظام (DC-ZEDS)، كما يمكن استخدام أنظمة التيار المستمر أيضاً في شبكة صغيرة للاستخدام المنزلي والتطبيقات السكنية، حيث يمكن تحسين جودة الطاقة وموثوقيتها، كما ينتج عن هذا بالطبع تحسينات في كفاءة التحويل الكهربائي.

كما وتجدر الإشارة إلى أن أنظمة التيار المباشر مناسبة للربط البيني لمصادر الطاقة البديلة وأجهزة تخزين الطاقة (البطاريات، المكثفات الفائقة)، والتي تهدف إلى تحسين موثوقية أنظمة التوليد الموزعة، بحيث لا تحتوي الشبكة الكهربائية القائمة على التيار المستمر على أي من عيوب أنظمة التيار المتناوب، مثل مشكلات المزامنة وتدفق الطاقة النشط أو التفاعلي، مما يجعل نظام التيار المستمر مفيداً في المواقف التي تكون فيها الموثوقية وجودة الطاقة مهمة.

ولتحسين التكرار؛ فإنه يجب أن يتكون نظام التيار المباشر من مولدات كهربائية متعددة، وذلك كما هو مبين في الشكل التالي (1)، بحيث يستخدم النظام المعروض هنا مولدين مستقلين يتميزان بسرعات دوران مختلفة.

كما يوفر استخدام المولدات الكهربائية المستقلة خيارات تكوين متعددة لتزويد الطاقة لشبكة السفينة، بحيث يمكن توفير الطاقة في وقت واحد أو بالتتابع أو من ناقل واحد حصرياً، كما تتيح محولات الطاقة عمليات متزامنة من مجموعة توليد واحدة أو أكثر، ولكن يمكن أن يكون تشغيلها معقداً، كما يتطلب الدوران عبر جميع مصادر الجهد المتاحة ولكن سحب الطاقة من واحد فقط في كل مرة تبديلاً مستمراً، ويسحب تيارًا متقطعاً، مما قد يثير صدى النظام ويسبب تذبذبات الجهد الكهربائي.

وعلى الرغم من أن هذه الأنظمة معروفة وموصوفة على نطاق واسع، إلا أن القليل جداً من المعلومات المتوفرة بخصوص طرق التوزيع غير المتكافئ للطاقة في المولدات متغيرة السرعة المتصلة بشبكة بوسائل أجهزة إلكترونية للطاقة، كما تقدم هذه المقالة نتائج نوعين مختلفين من المولدات التي تعمل بالتوازي وتغذي جانب التيار المستمر من الشبكة من خلال صمامات البيع بالمزاد.

في تصميمات محطات توليد الطاقة الكلاسيكية للسفن؛ فإنه يتم استخدام شبكة كهربائية ذات تيار متناوب ولوحة المفاتيح الرئيسية هي النقطة التي يتم فيها ربط جميع المصادر والأحمال الكهربائية معاً، حيث إن السبب الرئيسي لاستخدام النظام المقدم هو ميزة توفير الوقود في أنظمة المولدات ومحركات الاحتراق التي تعمل بسرعات دوران مختلفة.

كما تُظهِر أنظمة (DC) التجارية الموجودة على متن السفينة التوفير الذي يصل إلى ما يقرب من (27٪) وذلك مقارنةً بمجموعات المولدات العاملة (RPM) الثابتة، بحيث تكمن ميزة النظام في الحفاظ على سرعة محرك الاحتراق ضمن نطاق منطقة استهلاك الوقود الأمثل، وذلك اعتماداً على الحمل الميكانيكي.

وصف خصائص المولد المتزامن وطريقة التحكم في عاكس الآلة

مبدأ التحكم في المولدات المتزامنة مع ملف الإثارة المستقل معروف جيداً، والذي يتضمن التحكم في التردد والجهد عن طريق تعديل الطاقة النشطة والمتفاعلة، كما يتم التحكم في القدرة التفاعلية والتحكم فيها عن طريق ملف الإثارة الحالي للتيار المستمر ومنظم الجهد الأوتوماتيكي، بينما يتم توفير الطاقة النشطة بواسطة المحركات الميكانيكية مثل محركات الاحتراق. في معظم الحالات، كما تعمل حلقتا التحكم بشكل منفصل باستخدام حاكم (RPM) ومنظم الجهد.

لذلك يمكن اعتبار هذا النوع من العمليات بمثابة إجراء تحكم قياسي، والذي يتجاهل بعض الظواهر، أي تأثير الاقتران بين المحور الكهربائي في المولد المتزامن، بحيث تعتمد إحدى الطرق العديدة المناسبة لهذا الغرض على مبدأ التوجيه الميداني للتحكم في ناقلات القدرة.

ونظراً لمبادئ التحكم في القوة الموجهة؛ فإن أداء آلة التيار المتردد أثناء أوضاع التشغيل العابر يقترب تماماً من أداء آلات التيار المباشر، بحيث يتم توضيح الخلفية الرياضية للنموذج الديناميكي والتحكم في المتجه لآلة التيار المتردد من خلال نظرية الطور الفضائي، حيث إن نموذج الآلة المتزامن الموجه نحو التدفق الدوار يشبه آلة التيار المباشر المتحمسة التحويلة.

لذلك؛ فإنه يكون مناسب لمحاكاة عملية المولد المتزامن، ولكن يتم تنفيذ التحكم عن طريق نموذج موجه ميدانياً، وذلك مع مراعاة تدفق الجزء الثابت الناتج، بحيث يقترح هذا النموذج تشابهًا مع آلة التيار المستمر المعوض، والتي تتيح التحكم المستقل في المتغيرين اللذين ينتجان عزم دوران الآلة، كما أن الشكل التالي يصور المكونات الموجهة نحو مجال الجزء الثابت لتيار الجزء الثابت.

في حين أن تدفق لف المحرك يساوي:

في عملية وضع التوليد، يكون المكون التربيعي للتدفق (Ψssdλ)، والذي يتحكم ويحدد القدرة النشطة والجهد المباشر للدائرة الوسيطة، سالباً بسبب تدفق الطاقة النشط المعكوس، بحيث يُشار إلى التدفق باسم (Ψssqλ)، وذلك نظراً لطابعه في إزالة المغناطيسية؛ فإن له أيضاً قيمة سالبة ويتوافق مع القدرة التفاعلية المتولدة.

كما يؤثر التيار المثير على مكون تيار نشط، والذي ينتج بدوره عزم الدوران، كما بسبب التحكم المنفصل، بحيث يساهم المكون الطولي للتيار المثير الموجه في المجال فقط في ظاهرة المغنطة في الآلة المتزامنة ذاتية الإثارة، وذلك نظراً لأنه يمكن حذف مقاومة الجزء الثابت نظراً لقيمتها المنخفضة؛ فإن مثلث قوى الآلة يصبح مثل تيارات الجزء الثابت.

وفي مثل هذه الحالة، يمكن التحكم في القدرة النشطة والمتفاعلة بشكل مستقل عن طريق التحكم في المكونات الحالية للجزء الثابت النشط والمتفاعل، وذلك للتحكم في تدفق الطاقة، كما يجب توجيه تيار الجزء الثابت وفقاً لاتجاه المغنطة لتدفق الجزء الثابت الناتج (Ψssqλ) ويتم تنفيذه عن طريق تحولات كلارك وبارك (α -β و d-q).

ولتحقيق تحكم بسيط وقوي لمولد متزامن؛ فإنه يجب مراعاة بعض التبسيط فيما يتعلق بالعزم الكهرومغناطيسي الناتج، وفي استراتيجية التحكم بزاوية عزم الدوران الثابت، كما يتم الاحتفاظ بتيار المحور (d) عند الصفر، بينما يتم محاذاة التيار المتجه مع المحور (q)، كما تضمن هذه الطريقة أن زاوية عزم الدوران تساوي (90) درجة، وكذلك معادلة عزم الدوران لـ (SESG) مع الأخذ في الاعتبار تيارات (isd) و (isq) هي المعادلة على النحو التالي في:

حيث أن:

(p): هو عدد أزواج القطب.

(Ψm): هو تدفق لف المجال.

(Ld و Lq): هما قيمتا المحاثات الذاتية للجزء الثابت في المستوى (d-q)، وبعد استبدال التيارات (d-q) في المعادلة السابقة وبعد تطبيق بعض التبسيط، بحيث تصبح معادلة العزم:

من المعادلة السابقة؛ فإنه يمكن ملاحظة أنه يمكن تنفيذ التحكم (FOC) للمولد المثير ذاتياً، وذلك من خلال التبعية الخطية بين عزم دوران الآلة وتيار (isq)، كما تضمن حلقة التحكم في التيار النشط (isq) في إحداثيات (d-q) قيمة ثابتة لجهد الدائرة الوسيطة للتيار المستمر (Udc)، بينما يتم ضبط التيار التفاعلي على الصفر بسبب إنشاء تيار الدوار للتدفق المغناطيسي.

وفي النظام الذي تم فحصه للحصول على قيمة زاوية سرعة الدوران وحقل الجزء الثابت اللازمة لتحولات كلارك وبارك؛ فإنه تم استخدام نظام بدون أجهزة استشعار، ومع ذلك في العديد من التطبيقات التجارية، يُطلب استخدام المشفر بما يتماشى مع القواعد المعمول بها و أنظمة.