يُذكركم موردو أجهزة تغذية الطاقة بمحولات التردد بأنه في إنتاج الأتمتة الصناعية الحديثة، يتسع نطاق استخدام المضخات والمراوح وغيرها من المعدات بشكل متزايد. ويمثل استهلاكها للطاقة الكهربائية، وخسائر الاختناق في الحواجز والصمامات وغيرها من المعدات، بالإضافة إلى تكاليف الصيانة والإصلاح اليومية، ما يقرب من 20% من التكلفة. وهذه تكلفة إنتاجية كبيرة. ومع تطور الاقتصاد، وتعميق الإصلاحات، واحتدام المنافسة في السوق، أصبح ترشيد استهلاك الطاقة وخفض الاستهلاك تدريجيًا وسيلةً مهمةً لتحسين جودة المنتج وخفض تكاليف الإنتاج.
1. النظرية الأساسية لتكنولوجيا توفير الطاقة ذات التردد المتغير
المبدأ الأساسي لتقنية تحويل التردد هو الحفاظ على تردد التيار المتردد المستخدم في المعدات الكهربائية ثابتًا لفترة طويلة. وتهدف تقنية تحويل التردد إلى جعل التردد موردًا قابلًا للتعديل والاستخدام بحرية. وتُعدّ تقنية تنظيم سرعة التردد المتغير أكثر تقنيات التردد المتغير نشاطًا وتطورًا في الوقت الحالي.
تشمل تقنية تحويل التردد تكنولوجيا الحاسوب، وتكنولوجيا إلكترونيات الطاقة، وتكنولوجيا نقل الطاقة. وهي تقنية شاملة تجمع بين المعدات الميكانيكية والكهرباء القوية والضعيفة. تشير إلى تحويل إشارة تيار تردد الطاقة إلى ترددات أخرى، والذي يتحقق بشكل رئيسي من خلال مكونات أشباه الموصلات. بعد ذلك، يُحوّل التيار المتردد إلى تيار مستمر، وينظم العاكس التيار والجهد مع تحقيق تنظيم مستمر لسرعة المعدات الكهروميكانيكية. باختصار، تهدف تقنية تحويل التردد إلى التحكم في سرعة المحرك عن طريق تغيير تردد التيار، مما يُمكّن من التحكم الفعال في معدات المحرك. ويتحقق ذلك كله بناءً على الزيادة السنوية في تردد التيار وسرعة المحرك. تتميز تقنية تحويل التردد بقدرتها على ضمان التشغيل السلس للمحرك، والتحكم التلقائي في التسارع والتباطؤ، وتقليل استهلاك الطاقة مع تحسين كفاءة العمل.
في الاستخدام اليومي لمحوّلات التردد، يُستخدم التحكم المباشر في عزم الدوران والتحكم المتجهي بشكل رئيسي. في التطوير المستقبلي لمحوّلات التردد، سيتم استخدام الشبكات العصبية الاصطناعية وأساليب التحكم الذاتي الضبابي. علاوة على ذلك، مع استمرار تطور محوّلات التردد، ستزداد شموليتها. فبالإضافة إلى إكمال وظائف تنظيم السرعة الأساسية، تحتوي أيضًا على وظائف اتصال وبرمجة وتحديد معلمات مُعدّة داخليًا.
2. مبدأ توفير الطاقة لمحول التردد
2.1 طرق توفير الطاقة ذات التردد المتغير
وفقًا لميكانيكا الموائع، القدرة = الضغط * معدل التدفق. معدل التدفق والسرعة مرفوعة للقوة واحد متناسبان، والضغط متناسب مع مربع السرعة، والقدرة متناسبة مع مكعب السرعة. إذا كانت كفاءة مضخة الماء ثابتة، فعندما ينخفض معدل التدفق، تنخفض السرعة تناسبيًا، وستنخفض طاقة الخرج أيضًا بعلاقة مكعبة. لذلك، فإن سرعة مضخة الماء تتناسب تقريبًا مع استهلاك طاقة المحرك. على سبيل المثال، عند تشغيل محرك مضخة ماء بقدرة 55 كيلوواط إلى 80% من سرعته الأصلية، يبلغ استهلاكه للطاقة 28 كيلوواط/ساعة، مع معدل توفير طاقة يبلغ 48%. ولكن عند ضبط السرعة إلى 50% من سرعتها الأصلية، يصبح استهلاك الطاقة 6 كيلوواط/ساعة، ويصل معدل توفير الطاقة إلى 87%.
2.2 اعتماد تعويض معامل القدرة للحفاظ على الطاقة
لا تقتصر آثار الطاقة التفاعلية على ارتفاع درجة حرارة المعدات وزيادة تآكل الأسلاك فحسب، بل إن انخفاض معامل القدرة يؤدي إلى انخفاض الطاقة الفعالة لشبكة الكهرباء. ونتيجةً لذلك، تُستهلك كمية كبيرة من الطاقة التفاعلية في خطوط الكهرباء، مما يؤدي إلى انخفاض كفاءة المعدات وهدر كبير للطاقة. بعد استخدام جهاز تنظيم سرعة التردد المتغير، ينخفض فقدان الطاقة التفاعلية بشكل أكبر بفضل مكثف الترشيح داخل محول التردد، مما يزيد من الطاقة الفعالة لشبكة الكهرباء.
2.3 استخدام طريقة التشغيل الناعم للحفاظ على الطاقة
نظرًا لبدء تشغيل المحرك عبر آلية Y/D أو التشغيل المباشر، فإن تيار البدء يتجاوز التيار المقنن بأربعة إلى سبعة أضعاف، مما قد يُسبب ضررًا بالغًا لشبكة الكهرباء والمعدات الكهروميكانيكية. علاوة على ذلك، يتطلب هذا سعة عالية جدًا لشبكة الكهرباء، مما يُولّد تيارًا كبيرًا نسبيًا أثناء التشغيل، ويُسبب أضرارًا جسيمة للصمامات والحواجز أثناء الاهتزاز، مما يُؤثر سلبًا على عمر خدمة خطوط الأنابيب والمعدات. يعتمد استخدام مُحوّلات التردد على وظيفة التشغيل السلس لمُحوّل التردد لبدء التيار من الصفر، ولن تتجاوز القيمة القصوى التيار المقنن. وبالتالي، يُقلل هذا من التأثير على شبكة الكهرباء ومتطلبات سعة مصدر الطاقة بشكل كبير، ويُطيل عمر خدمة الصمامات والمعدات بشكل كبير.
3. أمثلة تطبيقية لتكنولوجيا توفير الطاقة ذات التردد المتغير
استخدمنا تركيب وحدة تحكم في سرعة التردد المتغير على مضخة مياه دائرية بقدرة 160 كيلوواط كمثال لتحديث معدات توفير الطاقة ذات التردد المتغير. اختبرنا استهلاك الكهرباء قبل التحديث وبعده، وحققنا نتائج مرضية للغاية.
3.1 وضع التحكم قبل تحويل التردد
عند تشغيل مضخة المياه الدائرية، عند تغير معدل التدفق نتيجةً لمتطلبات العملية، يلزم ضبط فتحة مخرج ومدخل المضخة لتغيير معدل التدفق الفعلي. تُسمى طريقة الضبط هذه "ضبط الخنق". في هذا المثال، تبلغ فتحة صمام المخرج والمدخل حوالي 60%. من منظور استخدام الطاقة، تُعد هذه طريقة ضبط غير اقتصادية للغاية.
3.2 وضع التحكم بعد تحويل تحويل التردد
أثناء تشغيل مضخة المياه الدائرية، عند تغير معدل التدفق وفقًا لمتطلبات العملية، يُفتح صماما الدخول والخروج بالكامل. بضبط سرعة المحرك، يمكن إيجاد نقطة تشغيل جديدة مناسبة للحصول على معدل التدفق المناسب. وفقًا للحالة الفعلية واحتياجات الموقع، يمكن استخدام التحكم اليدوي أو التلقائي. في هذا المثال، نظرًا لعدم الحاجة إلى تعديل معدل التدفق بشكل متكرر، يُحدد تردد التشغيل الفعلي للمحرك بـ 40 هرتز بناءً على الحالة الفعلية واحتياجات الموقع، ويُعتمد التحكم اليدوي بشكل أساسي لتوفير الطاقة.
4. التغييرات في التشغيل بعد استخدام نظام تنظيم السرعة بتردد متغير
تم تحقيق بداية سلسة تمامًا. عند تشغيل المحرك، تزداد سرعة الدوار تدريجيًا مع تردد مصدر الطاقة الداخل، مما يؤدي إلى زيادة سلسة في السرعة. تم ضبط وقت بدء تشغيل النظام بأكمله على حوالي 20 ثانية، مما لا يؤثر على النظام، وهو أكثر سلاسة من طريقة التشغيل الأصلية.
كما انخفض التيار الكهربائي المستخدم في شبكة الكهرباء بشكل ملحوظ، مما زاد من أمان استخدام المعدات الكهربائية. وفي الوقت نفسه، مع انخفاض التردد، تنخفض سرعة المحرك، مما يقلل من التآكل الميكانيكي ويقلل بشكل كبير من احتمالية الأعطال وتكاليف الصيانة. وقد وفر المحول الذي يزود مضخة المياه بالطاقة الكهربائية معظم سعة مصدر الطاقة. فبمجرد تقليل الحمل النشط، تبلغ السعة الموفرة حوالي 50 كيلوواط، مما يحسن كفاءة استخدام المعدات. كما تحسن معامل قدرة المحرك، مما جعل تشغيله أكثر اقتصادًا.
أدى استخدام تقنية تحويل التردد إلى تحسين جودة المنتجات، وخفض استهلاك الطاقة، وتوفيرها، وتعزيز المنافع الاقتصادية للمؤسسات. يتطلب تطبيق تقنية تنظيم سرعة تحويل التردد تحويل هذه المعدات لتحقيق ترشيد استهلاك الطاقة.