يُذكركم موردو أجهزة تغذية راجعة للطاقة لمحولات التردد بأنه يُستخدم حاليًا على نطاق واسع نظام كبح استهلاك الطاقة البسيط في أنظمة التحكم في سرعة تحويل التردد المتردد، والذي ينطوي على عيوب مثل هدر الطاقة الكهربائية، وارتفاع درجة الحرارة المقاومة، وضعف أداء الكبح السريع. عند كبح المحركات غير المتزامنة بشكل متكرر، يُعد استخدام نظام كبح التغذية الراجعة طريقة فعالة للغاية لتوفير الطاقة، ويجنب الضرر بالبيئة والمعدات أثناء الكبح. وقد تحققت نتائج مُرضية في صناعات مثل القاطرات الكهربائية واستخراج النفط. ومع الظهور المستمر لأجهزة إلكترونية جديدة للطاقة، وزيادة فعالية التكلفة، ووعي الناس بأهمية الحفاظ على الطاقة وخفض الاستهلاك، تتوافر مجموعة واسعة من التطبيقات.
يُعدّ جهاز كبح التغذية الراجعة للطاقة مناسبًا بشكل خاص للحالات التي تكون فيها قدرة المحرك كبيرة، مثل 100 كيلو وات أو أكثر، وعزم القصور الذاتي للمعدات (gd2) كبير، وينتمي إلى نظام التشغيل المستمر قصير المدى المتكرر. يتميز الجهاز بانخفاض كبير في معدل التباطؤ من السرعة العالية إلى السرعة المنخفضة، ووقت كبح قصير، ويتطلب كبحًا قويًا. لتحسين تأثير توفير الطاقة وتقليل فقد الطاقة أثناء عملية الكبح، من الضروري أيضًا استعادة طاقة التباطؤ وإرسالها إلى شبكة الكهرباء لتحقيق تأثير توفير الطاقة.
مبدأ الكبح بالتغذية الراجعة
في نظام تنظيم سرعة التردد المتغير، يتم إبطاء المحرك وإيقافه تدريجيًا عن طريق خفض التردد. عند انخفاض التردد، تنخفض السرعة المتزامنة للمحرك تبعًا لذلك. ومع ذلك، وبسبب القصور الذاتي الميكانيكي، تبقى سرعة دوار المحرك ثابتة، ويحدث تغيير في سرعته بفارق زمني معين. عند هذه النقطة، تكون السرعة الفعلية أكبر من السرعة المحددة، مما يؤدي إلى أن تكون القوة الدافعة الكهربائية العكسية e للمحرك أعلى من جهد الطرف المستمر u لمحول التردد، أي e>u. عند هذه النقطة، يصبح المحرك الكهربائي مولدًا كهربائيًا، لا يحتاج إلى مصدر طاقة من الشبكة فحسب، بل يمكنه أيضًا إرسال الكهرباء إليها. هذا لا يقتصر على تأثير كبح جيد فحسب، بل يحول أيضًا الطاقة الحركية إلى طاقة كهربائية، والتي يمكن إرسالها إلى الشبكة لاستعادتها، مما يحقق هدفين. بالطبع، يتطلب تحقيق ذلك وجود وحدة جهاز تغذية راجعة للطاقة للتحكم الآلي. بالإضافة إلى ذلك، يجب أن تتضمن دائرة تغذية الطاقة أيضًا مفاعلات التيار المتردد والتيار المستمر، وممتصات السعة المقاومة، والمفاتيح الإلكترونية، وما إلى ذلك.
كما هو معروف، فإن دائرة مقوم الجسر في محولات التردد العامة ثلاثية الطور غير قابلة للتحكم، مما يستحيل معه نقل الطاقة ثنائي الاتجاه بين دائرة التيار المستمر ومصدر الطاقة. يكمن الحل الأمثل لهذه المشكلة في استخدام تقنية العاكس النشط، حيث يعتمد هذا المقوم على مقوم عكسي، يُعرف أيضًا باسم محول الشبكة. من خلال التحكم في عاكس الشبكة، تُحوّل الطاقة الكهربائية المُعاد توليدها إلى تيار متردد بنفس التردد والطور والتردد الخاص بالشبكة، وتُعاد إلى الشبكة لتحقيق الكبح. في السابق، كانت وحدات العاكس النشط تستخدم بشكل رئيسي دوائر الثايرستور، والتي لا يمكنها إجراء عملية تغذية راجعة بأمان إلا في ظل جهد شبكة مستقر غير معرض للأعطال (بتقلبات جهد الشبكة لا تتجاوز 10%). لا يمكن لهذا النوع من الدوائر إجراء عملية تغذية راجعة بأمان إلا في ظل جهد شبكة مستقر غير معرض للأعطال (بتقلبات جهد الشبكة لا تتجاوز 10%). لأنه أثناء عملية كبح توليد الطاقة، إذا تجاوز زمن كبح جهد الشبكة 2 مللي ثانية، فقد يحدث عطل في عملية التبديل وقد تتلف المكونات. بالإضافة إلى ذلك، تتميز هذه الطريقة، أثناء التحكم العميق، بانخفاض معامل القدرة، وارتفاع محتوى التوافقيات، وتداخل التبديل، مما يؤدي إلى تشوه شكل موجة جهد الشبكة. في الوقت نفسه، يصعب التحكم في التعقيد والتكلفة العالية. مع التطبيق العملي للأجهزة ذات التحكم الكامل، طُوِّرت محولات عكسية مُتحكم بها بواسطة المروحية باستخدام تحكم PWM. وبهذه الطريقة، يتطابق هيكل عاكس الشبكة تمامًا مع هيكل العاكس، وكلاهما يستخدم تحكم PWM.
من التحليل السابق، يتضح أن تحقيق كبح التغذية الراجعة للطاقة في العاكس يكمن في التحكم به. يركز النص التالي على خوارزمية التحكم في العاكس باستخدام أجهزة تحكم كاملة وطريقة تحكم PWM.
خوارزمية التحكم
تعتمد خوارزمية التحكم في محولات التيار المتردد على الشبكة عادةً على خوارزمية التحكم في المتجهات، حيث تمثل vdc وv * dc و△ vdc القيمة المقاسة والقيمة المعطاة وخطأ التحكم في جهد ناقل التيار المستمر على التوالي؛ يمثل id وi*d وΔ id القيمة المقاسة والقيمة المعطاة وخطأ التحكم في المحور d لمحول التيار المتردد على الشبكة؛ يمثل iq وi*q وΔ iq القيمة المقاسة والقيمة المعطاة وخطأ التحكم في تيار المحور q لمحول التيار المتردد على الشبكة؛ تمثل Δ v * d وv * d وv * q على التوالي نقطة ضبط انحراف جهد خرج المحور d ونقطة ضبط جهد خرج المحور d ونقطة ضبط جهد خرج المحور q لمحول التيار المتردد على الشبكة؛ تمثل EABC وV * ABC وIABC على التوالي القيم المعطاة اللحظية لإمكانات الشبكة وجهد خرج محول التيار المتردد على الشبكة والقيم اللحظية ثلاثية الطور لتيار الخرج؛ هـ. يمثل φ سعة ومرحلة إمكانات الشبكة، على التوالي.
تحسب خوارزمية التحكم المتجهي الفرق بين جهد ناقل التيار المستمر المقاس والقيمة المحددة، وتحصل على القيمة المحددة لتيار المحور d عبر منظم PI. بعد ذلك، بناءً على الطور المقاس لجهد الشبكة، يُحوّل تيار الخرج المقاس لعاكس جانب الشبكة بشكل متزامن للحصول على القيم المقاسة لتيار المحور d وتيار المحور q. بعد ضبط π، تُضاف قيمة المحور d إلى سعة جهد الشبكة للحصول على القيم المحددة لجهد المحور d وجهد المحور q. بعد التحويل العكسي المتزامن للإحداثيات، يتم الحصول على الخرج.
تتمثل ميزة هذه الخوارزمية في دقة التحكم العالية والاستجابة الديناميكية الجيدة؛ أما العيب فهو وجود العديد من تحويلات الإحداثيات في خوارزمية التحكم، كما أن الخوارزمية معقدة وتتطلب قوة حسابية عالية من معالج التحكم.
يعتمد على تركيبة مقوم PWM لتتبع التيار. تضرب هذه الخوارزمية المبسطة نقطة ضبط تيار المحور d مباشرةً بقيمة مرجع جيب الطور الثلاثية التي تم الحصول عليها من جدول البحث عن طور جهد الشبكة المقاس للحصول على نقطة ضبط تيار الخرج ثلاثي الطور، ثم تُجري تعديلًا بسيطًا لـ pi للحصول على نقطة ضبط جهد الخرج ثلاثي الطور وإخراجه. نظرًا لحذف حسابات تحويل الإحداثيات في هذه الخوارزمية، فإن متطلبات الطاقة الحسابية لمعالج التحكم منخفضة نسبيًا. من ناحية أخرى، نظرًا لخصائص منظم PI نفسه، يوجد خطأ معين في الحالة المستقرة في تحكمه في تدفق التيار المتردد، وبالتالي فإن عامل القدرة لهذه الخوارزمية أقل من خوارزمية التحكم في المتجهات القياسية. أثناء العمليات الديناميكية، يكون تقلب جهد ناقل التيار المستمر كبيرًا نسبيًا، واحتمال حدوث جهد ناقل التيار المستمر والأعطال الأخرى أثناء العمليات الديناميكية السريعة مرتفع نسبيًا.
خصائص الكبح بالتغذية الراجعة
بالمعنى الدقيق للكلمة، لا يمكن وصف عاكس التيار المتردد (الشبكة) بأنه "مقوم" فحسب، إذ يمكنه العمل كمقوم وعاكس في آنٍ واحد. بفضل استخدام أجهزة إيقاف التشغيل الذاتي، يمكن التحكم في شدة وطور تيار التيار المتردد من خلال وضع تعديل عرض النبضة (PWM) المناسب، مما يجعل تيار الدخل يقترب من موجة جيبية، ويضمن أن يكون معامل قدرة النظام قريبًا من 1 دائمًا. عندما تزيد الطاقة المتجددة المُعادة من العاكس، عن طريق كبح تباطؤ المحرك، من جهد التيار المستمر، يمكن عكس طور تيار الدخل المتردد عن طور جهد مصدر الطاقة لتحقيق عملية تجديدية، ويمكن تغذية الطاقة المتجددة إلى شبكة التيار المتردد، مع بقاء جهد التيار المستمر عند القيمة المحددة. في هذه الحالة، يعمل عاكس التيار المتردد في حالة نشطة، مما يُسهّل تحقيق تدفق طاقة ثنائي الاتجاه، ويتمتع بسرعة استجابة ديناميكية عالية. في الوقت نفسه، يُمكّن هيكل الطوبولوجيا هذا النظام من التحكم الكامل في تبادل الطاقة التفاعلية والنشطة بين جانبي التيار المتردد والتيار المستمر، بكفاءة تصل إلى 97% وفوائد اقتصادية كبيرة. يُمثل فقدان الحرارة 1% من استهلاك طاقة الكبح، ولا يُلوث شبكة الكهرباء. يبلغ معامل القدرة حوالي 1، وهو صديق للبيئة. لذلك، يُمكن استخدام كبح التغذية الراجعة على نطاق واسع في عمليات توفير الطاقة في سيناريوهات كبح التغذية الراجعة للطاقة لنقل التيار المتردد بتقنية تعديل عرض النبضة (PWM)، وخاصةً في الحالات التي تتطلب كبحًا متكررًا. كما أن قوة المحرك الكهربائي عالية، وتأثير توفير الطاقة كبير. يبلغ متوسط تأثير توفير الطاقة حوالي 20%، وذلك حسب ظروف التشغيل. العيب الوحيد في تطبيق التحكم بالتغذية الراجعة هو البنية المعقدة لنظام التحكم.
باختصار، يمكن ملاحظة أن نظام تغذية الطاقة المرتدة يتميز بمزايا تفوق بكثير أنظمة كبح استهلاك الطاقة وكبح التيار المستمر. فمن خلال استخدام كبح التغذية المرتدة لإعادة تغذية الكهرباء المتجددة إلى الشبكة، يمكن تحقيق تأثير خفض استهلاك الطاقة وتوفير تكاليف الكهرباء. لذلك، في ظل الوضع الراهن لنقص الطاقة الناجم عن التنمية الاقتصادية السريعة في مختلف أنحاء الصين، يُعدّ تعزيز وتطبيق أنظمة كبح التغذية المرتدة أمرًا بالغ الأهمية لتوفير الطاقة.