نقل الطاقة الكهربائية بالسعة وترتيبات التطبيق الدوراني

يقدم هذا البحث نظام نقل طاقة سعوي من النوع الكمي (CPT) للتطبيقات الدوارة غير التلامسية، بحيث تم اقتراح المقرنات السعوية من نوع الكم مع ترتيبات اقتران مختلفة بين الأكمام المعدنية الأولية والثانوية في هذا البحث، مما يؤدي إلى خصائص اقتران مختلفة مع معاملات اقتران موجبة وصفرية وسالبة.

تحليل نقل الطاقة الكهربائية بالسعة والتطبيق الدوراني

تستخدم تقنية نقل الطاقة اللاسلكية (WPT) بشكل أساسي المجال المغناطيسي أو المجال الكهربائي لنقل الطاقة الكهربائية لاسلكياً والجمع بين تكنولوجيا إلكترونيات القدرة ونظرية التحكم الحديثة، حيث إنه يحل العديد من المشاكل الناجمة عن التلامس الكهربائي المباشر وله آفاق تطبيق واسعة.

ولاحقاً تم الاعتراف بـ (WPT) من قبل المنتدى الاقتصادي العالمي (WEF) كواحدة من التقنيات العشر الناشئة التي لها أكبر تأثير على العالم ومن المرجح أن تحقق اختراقات كبيرة، كما تم تحقيق العديد من الإنجازات النظرية والعملية من تكنولوجيا نقل الطاقة الاستقرائي (IPT) وتكنولوجيا نقل الطاقة السعوية (CPT) في السنوات الأخيرة.

كذلك تستخدم تقنية (CPT) اقتران المجال الكهربائي المتناوب بين الصفائح المعدنية لنقل الطاقة، وبالمقارنة مع (IPT)؛ فهي تتميز بمزايا التكلفة المنخفضة والوزن الخفيف والمقرنة البسيطة والرقيقة والمرونة في تصميم هيكل الاقتران وفقدان التيار الدوامي المنخفض في الأجسام المعدنية المحيطة، بالإضافة الى القدرة على نقل الطاقة من خلال الحواجز المعدنية.

ومن الخصائص المذكورة أعلاه لـ (CPT)؛ فهي تعتبر تكملة لمزايا (IPT) وقد جذبت الكثير من الاهتمام لكل من الباحثين الأكاديميين والمهندسين الممارسين، وفي الوقت الحاضر حصلت تقنية (CPT) على العديد من الإنجازات البحثية حول شحن المركبات الكهربائية والروبوتات المتنقلة والإلكترونيات الاستهلاكية والزرع الحيوي.

بشكل خاص، تم استخدام نظام (CPT) مع خاصية سعوية  تسمى الصفيف في العديد من التطبيقات الدوارة، بحيث تم اقتراح نوعين من هياكل التوصيل، وهي القرص والأسطوانة، ولتطبيق نظام (CPT) الدوار؛ فقد تم اقتراح تقنية (CPT) جديدة كبديل للحلقات المنزلقة أو الآلات الكهربائية الدوارة، كذلك تم اقتراح هياكل مكثفات انتقالية ودوارة جديدة تستخدم محامل السوائل.

تصميم الدائرة الكهربائية الخاصة بسلامة الجانب السعوي

تمت دراسة المراجع الحالية على نمذجة المقرن وطوبولوجيا الدائرة والسلامة على أساس الجانب السعوي لمجال العمود المستطيل الذي تكون لوحات الاستقبال ولوحات الإرسال متناظرة، وهي خاصية السعة لجهة العمود السابق وليست مفيدة في زيادة مسافة النقل، ولم يتم بحثها على نظام (CPT) في التطبيق الدوار، وبالإضافة إلى ذلك؛ يعتبر معامل الاقتران للجانب السعوي لنطاق العمود معلمة رئيسية ومعقدة تتعلق بما إذا كان يمكن نقل الطاقة من الجانب الأساسي إلى الجانب الثانوي.

وبشكل عام، يكون معامل الاقتران الأكبر أكثر قبولاً في تصميم قارنة التوصيل السعوية، بحيث لا يمكن الحصول على طاقة عالية نسبياً إلا بجهد إثارة أقل، وبالنسبة للجانب السعوي لصفيف العمود؛ فإنه يتم تحديد معامل الاقتران بواسطة العديد من العوامل، على سبيل المثال منطقة الاقتران والعزل الكهربائي بين الألواح ذات الجانب نفسه وحجم الألواح ومسافة النقل.

كما يقوم البحث السابق بتحليل وتصميم النظام فقط عندما تكون قيمة معامل الاقتران موجبة، لذلك لم يتم التفكير في تغيير الخصائص المتأصلة للمقرن عندما تكون الألواح في ترتيبات اقتران مختلفة، وبسبب ذلك؛ فإن الأبحاث حول تحليل وتصميم نظام (CPT) في المراجع الحالية ليست كافية ولا تزال بحاجة إلى مزيد من التحسينات.

مقارنة أنواع العتبات الكهربائية ومعامل اقترانها

الهياكل المقرونة من نوع العتبات

وفقاً للترتيبات المختلفة للأكمام المعدنية، يتم عرض ستة خصائص من نوع الجلبة النموذجية بخصائص اقتران مختلفة وأقسامها العمودية المقابلة مع المعلمات الهندسية في الشكل التالي (1)، كما وتتكون قارنة التوصيل من نوع الجلبة من ست طبقات، وهي عبارة عن جلبة معدنية (P1)، العازل (D1)، وكذلك الكم المعدني (P2)، أيضاً الغلاف المعدني (P4) والعازل (D2) والغلاف المعدني (P3) من الطبقة الخارجية إلى الطبقة الأعمق بدورها.

كذلك (x1 ، x2 ، x3 ، x4) هي نصف قطر الأكمام المعدنية المقابلة، أيضاً (h1 ، h2 ، dc ، ds ، da) هي ارتفاع (P1 ، P3) وارتفاع (P2 ، P4) وسمك العازل وسماكة الأكمام والفجوة الهوائية بين (P2 ، P4) على التوالي، بالإضافة الى (dt) هي مسافة التحويل لنظام (CPT)، والتي يتم تحديدها بشكل مختلف في هياكل اقتران مختلفة.

بالإضافة إلى ذلك، (l) هو الطول المتداخل للعناصر الداخلية (P2 ، P4)، أما (r) هي نسبة الطول المتداخل للعناصر الداخلية إلى ارتفاع العتبات الخارجية، أي (r = l / h1)، وبشكل عام يمكن تجاهل (ds) لأنها صغيرة جداً مقارنة بالمعلمات الهندسية الأخرى، وعادة ما يتم تعيين (da) على أن تكون قيمة صغيرة وفقاً لجهد انهيار الهواء، وبالنسبة للمقارنات الستة في الشكل (1)؛ فإنه يكون سمك العازل الكهربائي متماثلًا، وهنا تجدر الإشارة إلى أن التيار المستمر في الشكل (1 (e)) يساوي مسافة النقل (dt).

تحليل معامل الاقتران

يظهر نموذج الاقتران المتقاطع ذو السعة الست للمقرن السعوي لصفيف العمود في الشكل (2-a) والذي يمكن تبسيطه إلى نموذج (CCC)، وذلك كما هو موضح في الشكل (2-b)، ومع تغير بنية الاقتران من الشكل السابق (1-a) إلى الشكل (1-d)، تتغير (r) من القيمة القصوى إلى الصفر، ومع تغير بنية الاقتران من الشكل (1-d) إلى الشكل (1-f)، كما تتغير (dt) من القيمة القصوى إلى القيمة الدنيا.

وأثناء عملية التغيير المذكورة أعلاه؛ فإنه يتم تغيير ستة سعات اقتران متقاطع للمقرن، لذلك تتغير (C1 ، C2 CM) وفقاً لذلك، وكما هو معروف، بحيث يمكن التعبير عن معامل اقتران المقرنة كـ:

نظام الكم و العاكس نصف جسر من نوع (CPT)

تتكون طوبولوجيا نظام (CPT) المقترح من عاكس نصف جسر وشبكات (LC) معوضه للجانبين الأولي والثانوي ومقرن سعوي ومقوم، وذلك كما هو مبين في الشكل التالي (3) والعاكس نصف الجسر يتكون من اثنين من MOSFETs (S1) و S2) لتحويل جهد التيار المستمر (Edc) إلى جهد التيار المتردد، كما تعمل الشبكة المعوضة (LC) المكونة من (L1 ، Cx1) أو (Cx2 ، L2) كمرشح تمرير منخفض، وبالتالي يمكن تقليل المكونات التوافقية عالية الترتيب للتيار والجهد.

وأخيراً تقترح هذه الدراسة نظام (CPT) من النوع الكمي مع الحد الأدنى المحلي لمعاملات الاقتران السلبية للتطبيق الدوار، كما ويتم تقديم طريقة تصميم المعلمة المقابلة لنظام (CPT) لتحسين أداء النظام، بحيث يتم تحليل قارنة التوصيل من النوع الكمي التي تمتلك معاملات اقتران موجبة وصفرية وسلبية، مما يوفر فرصة لتحسين تصميم قارنة التوصيل السعوية وبالتالي أداء نقل الطاقة لنظام (CPT).

وفي ظل نفس متطلبات تردد التشغيل، جهد الدخل ومقاومة الحمل المكافئة؛ فإنها تظهر المحاكاة والنتائج التجريبية أن نظام (CPT) مع (LMNCC)، بحيث يتمتع بأداء أفضل من نظام (LMPCC) وتشمل المزايا الرئيسية لنظام (CPT) مع (LMNCC) جهداً أقل للإثارة وحجماً أصغر للمقرن ومحاثة تعويضية وحساسية أقل للمعلمات إذا تم الحفاظ على طاقة الخرج، بالإضافة الى حالة (ZPA) ومسافة نقل الطاقة كما هي.