يُذكركم مُورِّدو أجهزة تغذية الطاقة بأنه نظرًا للخصائص المُعقَّدة لنقل الطاقة الكهربائية، تعمل المحركات الكهربائية غالبًا في الاتجاهين الأمامي والخلفي، وغالبًا ما تكون في حالة تشغيل زائدة وتبديل مستمر بين الكهرباء والفرملة؛ كما تُعدّ سلامتها وموثوقيتها أمرًا بالغ الأهمية. وقد أصبحت تقنية تحويل التردد لمحركات التيار المتردد مُتطوِّرة بشكل متزايد، وأصبح استخدام مُحوِّلات التردد لتنظيم سرعة محركات التيار المتردد غير المتزامنة من أهم تقنيات توفير الطاقة لتنظيم سرعة المحركات.
تطور تنظيم سرعة الاتصالات من تنظيم جهد الجزء الثابت، وتنظيم سرعة أقطاب دوارة ملفوفة، وتنظيم سرعة قابض الانزلاق الكهرومغناطيسي في سبعينيات القرن الماضي، إلى تنظيم سرعة التردد المتغير في ثمانينياته. وقد وصلت تقنيات متنوعة إلى مرحلة التطبيق العملي. مع تزايد موثوقية تنظيم سرعة التيار المتردد وانخفاض سعره، أصبح استبدال تنظيم سرعة التيار المستمر أمرًا حتميًا.
1. محول التردد والحفاظ على الطاقة
عند تنظيم السرعة تحت التردد الأساسي للمحركات غير المتزامنة، عادةً ما يتم اعتماد طريقة تحكم بنسبة تردد الجهد الثابت وتعويض انخفاض جهد الجزء الثابت؛ إذا تم ضبط السرعة فوق التردد الأساسي، عادةً ما يتم اعتماد طريقة التحكم بالجهد الثابت والتردد المتغير. من خلال الجمع بين الحالتين المذكورتين أعلاه، يمكن الحصول على خصائص التحكم في سرعة الجهد المتغير والتردد المتغير للمحركات غير المتزامنة. وفقًا لخوارزمية DIT، ووفقًا لمبدأ التناظر، إذا تم تحليل x (n) إلى مجموعتين في مجال الوقت، فإن X (k) في مجال التردد ستشكل مجموعات أخذ عينات فردية وزوجية، مما يشكل بنية تحويل فورييه السريع شائعة الاستخدام تسمى خوارزمية تحويل فورييه السريع لأخذ العينات في مجال التردد (DIF-FFT). كما اقترحها لأول مرة ساندي وتركي، تُعرف أيضًا باسم خوارزمية ساندي تركي.
صُممت دائرة الكبح في مُحوّل التردد العالمي لتلبية احتياجات كبح المحركات غير المتزامنة. في نظام الدفع بالتردد المتغير، ولإبطاء المحرك غير المتزامن وإيقافه، يُمكن استخدام طريقة التخفيض التدريجي لتردد خرج مُحوّل التردد العالمي لتقليل السرعة المتزامنة للمحرك، وبالتالي تحقيق هدف الإبطاء. أثناء عملية تباطؤ المحرك غير المتزامن، ونظرًا لانخفاض السرعة المتزامنة عن السرعة الفعلية للمحرك غير المتزامن، ينعكس طور تيار الدوار، مما يُؤدي إلى توليد المحرك غير المتزامن لعزم كبح، أي في حالة كبح مُتجدد. في مُحوّلات التردد العالمية كبيرة ومتوسطة السعة، تُستخدم وحدة إعادة توليد الطاقة عادةً لتوفير الطاقة المُضافة إلى مصدر الطاقة. أما في مُحوّلات التردد العالمية صغيرة السعة، فتُستخدم دائرة كبح عادةً لاستهلاك الطاقة المُرتدة من المحرك غير المتزامن في دائرة الكبح. في الهندسة، يشمل معالجة طاقة الكبح المتجددة عمومًا طرقًا مثل التخزين والتغذية الراجعة إلى شبكة الطاقة وتفريغ المقاومة، اعتمادًا على سيناريوهات سعة وتطبيق المحولات الترددية العامة.
2. تطبيق تقنية التحكم في سرعة التردد المتغير في التحكم الآلي الكهربائي
2.1. خصائص التحكم في سرعة التردد المتغير
جميع أجهزة Cyclone II تستخدم رقائق بسمك 300 مم، وتُصنع بناءً على عمليات TSMC 90nm، منخفضة K، لضمان سرعة عالية وتكلفة منخفضة. بفضل استخدام مناطق السيليكون المُصغّرة، تدعم أجهزة سلسلة Cyclone II الأنظمة الرقمية المعقدة بشريحة واحدة فقط، بتكلفة تعادل تكلفة دائرة متكاملة مخصصة. تتميز محولات التردد العالمية عالية الأداء بهياكل أجهزة متعددة لتلبية الاحتياجات الهندسية المختلفة: محولات تردد مستقلة، ومحولات تردد ناقل تيار مستمر مشترك، ومحولات تردد مزودة بوحدات تغذية راجعة للطاقة. محول التردد المستقل هو نوع من محولات التردد يضع وحدة المقوم ووحدة العاكس في غلاف واحد. وهو حاليًا أكثر محولات التردد استخدامًا، وعادةً ما يُشغّل محركًا كهربائيًا واحدًا فقط، ويُستخدم في الأحمال الصناعية العامة. طريقة التكوين المستخدمة هي مزيج من JTAG وAS، لذا يجب أن تلبي دائرة التكوين متطلبات تكوين كل من AS وJTAG. تعتمد شريحة التكوين على EPCS1. وفقًا لطريقة التوصيل المحددة وخصائص أطراف طريقة التكوين المذكورة أعلاه. عند تشغيل أحمال مثل المصاعد والمصاعد الكهربائية ومصانع الدرفلة العكسية المزودة بمحولات تردد عالمية عالية الأداء، يلزم تشغيلها بنظام رباعي الأرباع، لذا يجب تركيب وحدة تغذية راجعة للطاقة. تتمثل وظيفة هذه الوحدة في إعادة الطاقة المتجددة الناتجة عن كبح المحرك الكهربائي إلى شبكة الكهرباء.
2.2. تطبيق تقنية التحكم في سرعة التردد المتغير في التحكم في الأتمتة الكهربائية الصناعية
(1) وحدة نموذج المحرك التكيفي. تتمثل وظيفة وحدة نموذج المحرك التكيفي في تحديد المعلمات الأساسية للمحرك تلقائيًا من خلال الكشف عن الجهد والتيار الداخلين إليه. يُعد هذا النموذج وحدةً أساسيةً للتحكم المباشر في عزم الدوران. في معظم التطبيقات الصناعية، إذا كانت دقة التحكم في السرعة أكبر من 0.5%، يمكن استخدام تغذية راجعة للسرعة ذات حلقة مغلقة.
(2) مُقارن عزم الدوران ومُقارن التدفق المغناطيسي. وظيفة هذا النوع من المُقارنات هي مُقارنة قيمة التغذية الراجعة بقيمتها المرجعية كل ٢٠ مللي ثانية، وإخراج حالة عزم الدوران أو المجال المغناطيسي باستخدام مُنظم تباطؤ ثنائي النقط.
(3) مُحدِّد تحسين النبضات. اخترنا شريحة Cyclone II EP2C5Q208C8 لمعالجة المعلومات، ثم صممنا تطبيق FPGA لمصدر الإشارة لتعديل OFDM. كتبنا دائرة تتكون من خمس وحدات، تُطبِّق بشكل رئيسي تحويل فورييه السريع (FFT) لتعيين الكوكبة، وإدخال بادئة دورية، ووحدة عازلة، ووظائف التحويل الرقمي/التناظري. صُمِّم مصدر إشارة OFDM، وتمت محاكاة وظائف كل وحدة والتحقق منها. أخيرًا، اكتمل بناء مصدر إشارة OFDM، بما في ذلك محاكاة برمجية وتحقق عتاد FPGA. نظرًا للتباين الكبير في سعة المكثفات الإلكتروليتية، ستواجه جهدًا غير متساوٍ. لذلك، وُصِلت مقاومة معادلة جهد بقيمة مقاومة متساوية على التوازي مع كل مكثف للحد من تأثير التباين. ولمنع تيار الشحن (تيار الارتفاع) المتدفق عبر المكثف من حرق دائرة المقوم والتسبب في تأثيرات أخرى عند تشغيل الطاقة، تتم أيضًا إضافة تدابير لقمع تيار الارتفاع إلى دائرة التخزين.
يُعدّ ترشيد استهلاك الطاقة وخفض استهلاكها من الوسائل المهمة لخفض تكاليف الإنتاج، كما يُعدّ خفض التكلفة وسيلة فعّالة لتعزيز تنافسية المنتج. بالإضافة إلى إضافة هذه الوحدات الوظيفية، من الضروري أيضًا التحسين المستمر للتصميم النهائي أثناء عملية التصميم، وتحسين الأداء وتوفير الموارد، وذلك لتحقيق التكامل بين النظام بأكمله ضمن شريحة FPGA واحدة، وتحقيق توفير ملحوظ في الطاقة، وتحسين ظروف التشغيل.