اقرأ في هذا المقال
تطور نظام نقل الطاقة الاستقرائي (IPT) ليصبح نظاماً لتوزيع الطاقة الكهربائية، بحيث يوفر فوائد كبيرة في أنظمة الأتمتة الحديثة وخاصة في البيئات الصارمة، وهنا يمكن استخدام نفس التقنية في البيئات المختلفة وفي مجال التصنيع، بحيث تستعرض هذه الدراسة تطوير أنظمة (IPT) البسيطة لأتمتة المصانع (FA).
الغرض من الاتجاهات الحديثة في نقل الطاقة الكهربائية
تم اقتراح نقل الطاقة الاستقرائي (الحثي) (IPT) لأول مرة بعد فترة وجيزة من اقتراح (Ampere) و (Faraday) لقوانينهما التي أصبحت أساس الهندسة الكهربائية، وبعد ذلك تم إحراز أهم التطورات من قبل تسلا، والذي أظهر نقلاً كبيراً للطاقة عند ترددات التيار المتردد باستخدام ملفات مضبوطة عالية الرنين، ومع ذلك بقيت الوسائل التي يمكن من خلالها نقل هذه القوة بتكلفة منخفضة وتنظيمها تمثل تحدياً يصعب التغلب عليه بتكنولوجيا اليوم.
لذلك، اعتُبر أن (IPT) غير قابل للتطبيق لبعض الوقت وعلى خلفية عدم التصديق، لذلك لم تظهر أنظمة (IPT) التجارية الحقيقية حتى نهاية القرن العشرين، بحيث تتضمن (IPT) اقتران ملفين أو أكثر، لذلك عند اقتران تيار في ملف واحد يسبب جهداً مستحثاً في الآخر، وبالتالي في ظل الظروف الصحيحة يمكن استخدام الجهد لتشغيل بعض التطبيقات وفي هذه الظروف يتم نقل الطاقة عن طريق الحث من ملف واحد إلى شخص آخر دون اتصال مباشر.
كما يعتبر نقل الطاقة هذا نظيفاً، ولا يتأثر بالمواد الكيميائية المنتشرة، ولديه القدرة على إحداث ثورة في العديد من عمليات التصنيع، كما وجدت أنظمة (IPT) التجارية المبكرة تطبيقات في مصانع تجميع السيارات، حيث كان تحمل أبخرة الطلاء واللحام محل تقدير كبير وواسع، وأيضاً في الأجهزة الطبية عبر الجلد، وفي تطبيقات التصنيع،
لذلك فقد كانت إحدى الدوائر الأولية قادرة على قيادة عدد كبير من الدوائر الثانوية باستخدام وحدات تحكم جديدة لفصل الاقتران يمكنها تشغيل وإيقاف دائرة الالتقاط الثانوية دون وضع حمل (VAR) على الدائرة الأولية، ومع ذلك وجدت أنظمة (IPT) تطبيقاتها من خلال أتمتة المصانع النظيفة (CFA) لتصنيع شاشات العرض المسطحة وشرائح الكمبيوتر في ظل ظروف نظيفة صارمة وتحقيق عوائد أعلى من أي تقنية منافسة.
التحديات التي تواجه نقل الطاقة الكهربائية
ربما يكون التحدي الأكبر لأنظمة (IPT) اليوم هو النقل للمركبات العامة والخاصة على شبكات السكك الحديدية والطرق في كل بلد في العالم، كما يوفر (IPT)، وذلك حسب إمكانية القدرة على تشغيل هذه المركبات كهربائياً باستخدام الأسلاك الكهربائية تحت الأرض لتوفير الطاقة والشحن ووسائل المحاذاة للسيارات والحافلات والقطارات بقوة اقتران مغناطيسي مباشرة في وسادة موضوعة أسفل السيارة.
لذلك إذا تم نقل الطاقة باستخدام مركبة ثابتة وبطارية؛ فإن هذا يسمى الشحن اللاسلكي لسيارة كهربائية تعمل بالبطارية (BEV)، كما وقد تسارعت التطورات هنا خلال العقد الماضي، لذلك إذا تم إنجازه أثناء النقل؛ فإنه يُسمى الطاقة الديناميكية، وبينما تم تطوير المفاهيم في أوائل السبعينيات، حيث بدأ هذا مؤخراً فقط في تلقي اهتمام متجدد يرجع جزئياً إلى تطورات الشحن الثابتة و استعداد شركات صناعة السيارات لدعم هذه التكنولوجيا.
كما تتحدى (BEVs) الآن مركبات محرك الاحتراق الداخلي (ICE) في جميع تطبيقات المركبات في مجتمعنا باستثناء النطاق، لذلك سوف تتنافس السيارة الكهربائية المشحونة ديناميكياً (EV) مع مركبات (ICE) في جميع جوانب الأداء باستثناء تكلفة الشراء الأصلية؛ فهي أنظف وأكثر هدوء وأكثر كفاءة وبهيكل الطريق المناسب يمكن أن يكون لها نطاق غير محدود.
الطاقة الكهربائية المستخدمة في أنظمة IPT
في أبسط أشكاله، يشتمل نظام (IPT) على ملفين (L1 ، L2) مع الحث المتبادل، كذلك (M)، وبالنسبة للتيار الكهربائي (I1) في (L1)، كذلك عند التردد الكهربائي (ω)، كما يكون الجهد الكهربائي المستحث في (L2) هو (Voc = jωMI1)، كما ويشار إليه عادةً بجهد الدائرة المفتوحة لـ النظام المقترن، لذلك إذا كانت الدائرة الثانوية (الالتقاط) قصيرة الدائرة؛ فإن تيار الدائرة القصيرة يكون (Isc = Voc / jωL2 = M / L2⋅I1).
ومن المبادئ الأولى؛ فإن ناتج تيار الدائرة القصيرة (Isc) مضروباً بجهد الدائرة المفتوحة (Voc) هو الحد الأقصى لتصنيف (VA) للـ (pickup) المسمى (Psu)، كما ويعطي مقياساً لمدى جودة اقتران الطاقة لأي نظام مغناطيسي لظروف قيادة معينة، حيث أن الحد الأقصى للطاقة التي يمكن للنظام نقلها، كما تسمى هنا (Pout) على النحو التالي:
حيث يكون العامل (Q2) هو (Q) المحمل لنظام ثانوي يتم تعويضه بمكثف توليف ومن ثم يعمل بالرنين، كما تستخدمه (Tesla)، وتكون معادلة القدرة هذه صالحة لجميع أنواع أنظمة (IPT)، ولكن قد تحدث بعض التعديلات الطفيفة في الأنظمة القائمة على المسار مدفوعة من مصدر حالي عندما يكون الحث (L1) كبيراً جداً.
وعادةً ما تكون عمليات الالتقاط في أنظمة الجنزير على علاقة وثيقة مع الجنزير ويمكن أن تطوق جزئياً محث المسار مما يعطي قيم (k) عالية، بحيث تكون (k = M / √L1L2) هي عامل الاقتران المغناطيسي التي لا يمكن تحقيقها باستخدام مثبت على الأرض أنظمة مثل (AGVs) أو الروبوتات المتحركة، ومع ذلك وبغض النظر عن قيمة (k)؛ فإنه يمكن أن يستمر التحليل بنفس الطريقة.
القدرة من وجهة نظر عوامل الجودة الكهربائية والمغناطيسية
بالنسبة للأنظمة التي يوجد فيها عادةً أساسي واحد وآخر ثانوي كما هو الحال في تطبيقات الشحن، بحيث يمكن إعادة كتابتها على النحو التالي:
في هذا النموذج، يمكن اعتبار نقل الطاقة على أنه دخل (VA) مضروباً في عامل الاقتران المغناطيسي (k2)، كما ويكون مضروباً في عامل الجودة الكهربائية للدائرة الثانوية المحملة (Q2) ولا يعتمد على (ω) المضمّن الآن في الجهد عند مدخلات (L1)، وبمعنى آخر يمكن زيادة القدرة المنقولة عن طريق زيادة منتج (NI) أو التردد الأساسي حتى يتم الوصول إلى حدود (VA) للنظام الأساسي.
القدرة من وجهة نظر تخزين الطاقة الكهربائية
يمكن أيضاً كتابة معادلة القوة على النحو التالي:
حيث يُنظر إلى القدرة على أنها ضعف التردد مضروباً في ناتج طاقة الذروة المخزنة في محث (L1) ومربع عامل الاقتران المغناطيسي والمحمل (Q) لـ (L2)، وعلاوة على ذلك ونظراً لأنه يتم تخزين الطاقة الموجودة في المحرِّض بشكل أساسي في الفجوة الهوائية لنظام (IPT) العملي؛ فإنه يمكن كتابة طاقة الذروة المخزنة على النحو التالي:
[PeakEnergy = B2 / 2μ0 × حجم الفجوة الهوائية التي تفصل L1 ، L2] وهنا؛ فإن (B) هي كثافة تدفق جذر متوسط التربيع، وبالتالي تكون القدرة القصوى التي يمكن نقلها بواسطة نظام (IPT) تتضمن بشكل مبسط التردد وكثافة التدفق وعامل الاقتران وحجم (حجم) الفجوة الهوائية.
استعرضت هذه الدراسة التحدي القادم لإنشاء وسائل كهربائية مقترنة حثياً منخفضة التكلفة تعمل في ظل ظروف صارمة، والتي تتطلب مقارنة مع أحدث طراز منذ (15) عاماً ما بين (10 – 100) مرة أكبر قدر من الخلوص والتفاوتات لتحقيق كفاءة مماثلة أو أعلى، وهنا يتم تحدي تقنية الوسادة الدائرية التقليدية من خلال الوسادات المستقطبة التي توفر ارتفاعاً وتنوعاً أكبر.
