آلة كهربائية مزدوجة التغذية

📅 آخر تحديث: ١٧ يوليو ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ١٧ يوليو ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 2 صور
الموسوعة الحرة

الآلات الكهربائية ذات التغذية المزدوجة ، أو مولد الحث ذو التغذية المزدوجة (DFIG)، أو مولد الحلقة الانزلاقية، هي محرك كهربائي أو مولد كهربائي حيث يتم توصيل كل من ملفات المغناطيس الميداني وملفات المحرك بشكل منفصل بالمعدات خارج الآلة.

من خلال تغذية ملفات المجال بتيار متردد ذي تردد قابل للتعديل ، يمكن تدوير المجال المغناطيسي، مما يسمح بتغيير سرعة المحرك أو المولد. يُعد هذا مفيدًا، على سبيل المثال، للمولدات المستخدمة في توربينات الرياح . [ 1 ] كما تُستخدم الآلات الكهربائية ذات التغذية المزدوجة في محطات الطاقة الكهرومائية ذات التخزين بالضخ متغيرة السرعة. [ 2 ] بالإضافة إلى ذلك، توفر توربينات الرياح القائمة على مولدات الحث ذات التغذية المزدوجة (DFIG) إمكانية التحكم في الطاقة الفعالة والطاقة غير الفعالة . [ 3 ] [ 4 ]

مقدمة

مولد مزدوج التغذية لتوربينات الرياح

تُشبه المولدات الكهربائية ذات التغذية المزدوجة مولدات التيار المتردد ، لكنها تتميز بخصائص إضافية تسمح لها بالعمل بسرعات أعلى أو أقل بقليل من سرعتها التزامنية الطبيعية. يُعدّ هذا مفيدًا لتوربينات الرياح الكبيرة متغيرة السرعة ، لأن سرعة الرياح قد تتغير فجأة. فعندما تهب عاصفة رياح على توربين، تحاول الشفرات زيادة سرعتها، لكن المولد التزامني مُقيد بسرعة شبكة الطاقة ولا يمكنه زيادة سرعته. لذا، تتولد قوى كبيرة في المحور وعلبة التروس والمولد نتيجةً لمقاومة شبكة الطاقة. وهذا يُسبب تآكلًا وتلفًا للآلية. أما إذا سُمح للتوربين بزيادة سرعته فورًا عند تعرضه لعاصفة رياح، فإن الإجهادات تكون أقل، مع استمرار تحويل طاقة عاصفة الرياح إلى كهرباء مفيدة.

تتمثل إحدى طرق التحكم في سرعة توربينات الرياح في استقبال أي تردد ينتجه المولد، وتحويله إلى تيار مستمر، ثم تحويله إلى تيار متردد بالتردد المطلوب باستخدام محول تردد . هذه الطريقة شائعة في توربينات الرياح المنزلية والزراعية الصغيرة. أما محولات التردد اللازمة لتوربينات الرياح ذات القدرة الإنتاجية بالميغاواط فهي كبيرة الحجم ومكلفة.

تُعدّ المولدات ذات التغذية المزدوجة حلاً آخر لهذه المشكلة. فبدلاً من ملف المجال التقليدي المُغذّى بتيار مستمر، وملف العضو الدوار الذي يخرج منه التيار الكهربائي المُولّد، يوجد ملفان ثلاثيا الأطوار، أحدهما ثابت والآخر دوّار، وكلاهما موصول بشكل منفصل بمعدات خارج المولد. ولذلك، يُستخدم مصطلح " التغذية المزدوجة" لوصف هذا النوع من الآلات.

يتم توصيل أحد الملفات مباشرةً بالمخرج، ويُنتج طاقة تيار متردد ثلاثي الأطوار بتردد الشبكة المطلوب. أما الملف الآخر (الذي يُسمى تقليديًا ملف المجال، ولكن يمكن اعتبار كلا الملفين مخرجين) فيتم توصيله بطاقة تيار متردد ثلاثي الأطوار بتردد متغير. ويتم ضبط تردد وطور هذه الطاقة الداخلة لتعويض التغيرات في سرعة التوربين. [ 5 ]

يتطلب ضبط التردد والطور محول تيار متردد إلى تيار مستمر ثم إلى تيار متردد. يُصنع هذا المحول عادةً من أشباه موصلات IGBT كبيرة الحجم . المحول ثنائي الاتجاه، ويمكنه تمرير الطاقة في كلا الاتجاهين. يمكن للطاقة أن تتدفق من هذا الملف وكذلك من ملف الخرج. [ 6 ]

تاريخ

يعود أصل محركات الحث ذات الدوار الملفوف، المزودة بمجموعات لف متعددة الأطوار على الدوار والجزء الثابت على التوالي، والتي اخترعها نيكولا تيسلا عام 1888، [ 7 ] إلى أن مجموعة لف الدوار في الآلة الكهربائية ذات التغذية المزدوجة تُوصل بمجموعة من المقاومات عبر حلقات انزلاق متعددة الأطوار لبدء التشغيل. مع ذلك، كانت طاقة الانزلاق تُفقد في المقاومات. لذا، طُوّرت وسائل لزيادة الكفاءة في التشغيل بسرعات متغيرة عن طريق استعادة طاقة الانزلاق. في محركات كرامر، كان الدوار موصولًا بمجموعة آلات تيار متردد وتيار مستمر تُغذي آلة تيار مستمر موصولة بعمود آلة حلقات الانزلاق. [ 8 ] وهكذا، تُعاد طاقة الانزلاق كطاقة ميكانيكية، ويمكن التحكم في المحرك بواسطة تيارات الإثارة لآلات التيار المستمر. يتمثل عيب محرك كرامر في ضرورة أن تكون الآلات ذات أبعاد أكبر من اللازم للتعامل مع الطاقة المتداولة الإضافية. وقد تم تدارك هذا العيب في محرك شيربيوس، حيث تُعاد طاقة الانزلاق إلى شبكة التيار المتردد بواسطة مجموعات مولدات كهربائية. [ 9 ] [ 10 ]

كانت الآلات الدوارة المستخدمة لتغذية الدوار ثقيلة ومكلفة. تمثل التحسين في هذا الصدد في محرك شيربيوس الثابت، حيث تم توصيل الدوار بمجموعة مقوم-عاكس، صُنعت في البداية باستخدام أجهزة تعتمد على قوس الزئبق ، ثم لاحقًا باستخدام ثنائيات أشباه الموصلات والثايرستورات. في المخططات التي تستخدم مقومًا، كان تدفق الطاقة ممكنًا فقط من الدوار بسبب عدم تحكم المقوم. علاوة على ذلك، لم يكن ممكنًا سوى التشغيل دون التزامني كمحرك.

يتمثل مفهوم آخر يستخدم محول تردد ثابت في وجود محول تردد متزامن موصول بين الدوار وشبكة التيار المتردد. يستطيع هذا المحول تغذية الطاقة في كلا الاتجاهين، وبالتالي يمكن تشغيل الآلة بسرعات دون التزامنية وفوق التزامنية. وقد استُخدمت آلات كبيرة تعمل بمحولات تردد متزامنة وتُغذى بتردد مزدوج لتشغيل مولدات أحادية الطور تغذي شبكة سكك حديدية بتردد 16 ± 2/3 هرتز  في أوروبا. [ 11 ] كما يمكن للآلات التي تعمل بمحولات التردد المتزامنة تشغيل التوربينات في محطات التخزين بالضخ. [ 12 ]

يتكون جهاز تغيير التردد المستخدم اليوم في التطبيقات التي تصل إلى بضع عشرات من الميغاواط من عاكسين IGBT متصلين على التوالي .

كما تم تطوير العديد من المفاهيم الخالية من الفرش للتخلص من حلقات الانزلاق التي تتطلب الصيانة.

مولد حثي مزدوج التغذية

مولد الحث ذو التغذية المزدوجة (DFIG)، مبدأ توليد يُستخدم على نطاق واسع في توربينات الرياح . يعتمد هذا المولد على مولد حثي ذي دوار ملفوف متعدد الأطوار ومجموعة حلقات انزلاق متعددة الأطوار مزودة بفرش للوصول إلى ملفات الدوار. من الممكن الاستغناء عن مجموعة حلقات الانزلاق متعددة الأطوار، ولكن ذلك يُسبب مشاكل تتعلق بالكفاءة والتكلفة والحجم. يُعدّ البديل الأفضل آلة كهربائية ذات دوار ملفوف بدون فرش تعمل بنظام التغذية المزدوجة. [ 13 ]

مبدأ عمل مولد الحث ذي التغذية المزدوجة المتصل بتوربين الرياح

يعتمد مبدأ عمل مولد الحث المزدوج التغذية (DFIG) على توصيل ملفات الجزء الثابت بالشبكة الكهربائية، بينما تُوصل ملفات الجزء الدوار بالمحول عبر حلقات انزلاق ومحول مصدر جهد ثنائي الاتجاه يتحكم في كلٍ من تيارات الجزء الدوار وتيارات الشبكة. وبذلك، يمكن أن يختلف تردد الجزء الدوار بحرية عن تردد الشبكة (50 أو 60 هرتز). وباستخدام المحول للتحكم في تيارات الجزء الدوار، يُمكن ضبط القدرة الفعالة والقدرة غير الفعالة المُغذّاة للشبكة من الجزء الثابت بشكل مستقل عن سرعة دوران المولد. ويُعتمد في مبدأ التحكم إما على التحكم ثنائي المحور في متجه التيار أو التحكم المباشر في العزم (DTC). [ 14 ] وقد أثبت التحكم المباشر في العزم (DTC) استقرارًا أفضل من التحكم في متجه التيار، خاصةً عند الحاجة إلى تيارات غير فعالة عالية من المولد. [ 15 ] 

عادةً ما تُلفّ دوارات المولدات ذات التغذية المزدوجة بعدد لفات يتراوح بين ضعفين إلى ثلاثة أضعاف عدد لفات الجزء الثابت. هذا يعني أن جهد الدوار سيكون أعلى والتيار سيكون أقل. وبالتالي، في نطاق سرعة التشغيل النموذجي ±30% حول السرعة التزامنية، يكون التيار المقنن للمحول أقل تبعًا لذلك، مما يؤدي إلى انخفاض تكلفة المحول. لكن من عيوب هذه التقنية استحالة التشغيل المتحكم به خارج نطاق سرعة التشغيل بسبب ارتفاع جهد الدوار عن الجهد المقنن. علاوة على ذلك، ستتضخم أيضًا تغيرات الجهد الناتجة عن اضطرابات الشبكة (خاصةً انخفاضات الجهد في التيارات ثنائية وثلاثية الأطوار). ولمنع تلف الترانزستورات ثنائية القطب ذات البوابة المعزولة والديودات في المحول بسبب جهد الدوار العالي ( والتيارات العالية الناتجة عنه)، تُستخدم دائرة حماية (تُسمى دائرة الحماية من التيار الزائد ). [ 16 ]

يقوم جهاز الحماية من التيار الزائد (Crowbar) بتقصير دائرة ملفات الدوار عبر مقاومة صغيرة عند اكتشاف تيارات أو جهود زائدة. ولضمان استمرار التشغيل بأسرع وقت ممكن، يجب استخدام جهاز حماية نشط [ 17 ]  . يستطيع هذا الجهاز إزالة قصر الدائرة في الدوار بطريقة مُحكمة، وبالتالي لا يمكن تشغيل محول جانب الدوار إلا بعد مرور 20-60 مللي ثانية من بدء اضطراب الشبكة، عندما يكون الجهد المتبقي أعلى من 15% من الجهد الاسمي. وبذلك، يُمكن توليد تيار تفاعلي للشبكة خلال الفترة المتبقية من انخفاض الجهد، مما يُساعد الشبكة على التعافي من العطل. أما بالنسبة لتجاوز انخفاض الجهد ، فمن الشائع الانتظار حتى ينتهي الانخفاض، لأنه بخلاف ذلك، لا يُمكن تحديد زاوية الطور التي يجب حقن التيار التفاعلي عندها. [ 18 ]

باختصار، تُعدّ آلة الحث ذات التغذية المزدوجة آلة كهربائية ذات دوار ملفوف وتغذية مزدوجة، وتتميز بعدة مزايا مقارنةً بآلة الحث التقليدية في تطبيقات طاقة الرياح. أولًا، نظرًا لأن دائرة الدوار تُتحكم بها بواسطة مُحوّل إلكترونيات الطاقة، فإن مولد الحث قادر على استيراد وتصدير الطاقة التفاعلية . وهذا له آثار مهمة على استقرار نظام الطاقة ، ويسمح للآلة بدعم الشبكة أثناء اضطرابات الجهد الشديدة ( تحمل انخفاض الجهد ؛ LVRT). [ 16 ] ثانيًا، يُمكّن التحكم في جهود وتيارات الدوار آلة الحث من البقاء متزامنة مع الشبكة أثناء تغير سرعة توربين الرياح. ويستغل توربين الرياح ذو السرعة المتغيرة موارد الرياح المتاحة بكفاءة أكبر من توربين الرياح ذي السرعة الثابتة، خاصةً في ظروف الرياح الخفيفة. ثالثًا، تُعد تكلفة المُحوّل منخفضة مقارنةً بحلول السرعة المتغيرة الأخرى، لأن جزءًا صغيرًا فقط من الطاقة الميكانيكية، عادةً ما بين 25 و30%، يُغذى إلى الشبكة عبر المُحوّل، بينما يُغذى الباقي إلى الشبكة مباشرةً من الجزء الثابت. إن كفاءة مولد الحث المزدوج التغذية جيدة جداً لنفس السبب.

انظر أيضاً

مراجع

  1. ↑ "مولدات توربينات الرياح: سلسلة مولدات حلقات الانزلاق القياسية لمفهوم التغذية المزدوجة من 1.5 إلى 3.5 ميجاواط" (ملف PDF) . ABB . 2014. تاريخ الاطلاع: 24 أبريل 2018 .
  2. ↑ أ. بوكيل، ج. جانينغ: محرك متغير السرعة بقدرة 4*300 ميغاواط لتطبيقات محطات تخزين الطاقة بالضخ. مؤتمر EPE 2003، تولوز.
  3. ↑ MJ Harandi, SG Liasi and MT Bina, “ Compensating Stator Transient Flux during Symmetric and Asymmetric Faults using Virtual Flux based on Demagnetizing Current in DFIG Wind Turbines ,” 2019 International Power System Conference (PSC), Tehran, Iran, 2019, pp. 181–187, doi : 10.1109/PSC49016.2019.9081565 .
  4. ↑ M. Niraula و L. Maharjan، "التحكم المتغير في تردد الجزء الثابت لـ DFIG المستقل مع خرج مقوم بالديود"، الندوة الدولية الخامسة حول الطاقات والتطبيقات الصديقة للبيئة (EFEA)، 2018.
  5. ↑ إس. مولر وآخرون (2002). "أنظمة مولدات الحث ذات التغذية المزدوجة لتوربينات الرياح" (ملف PDF) . مجلة تطبيقات الصناعة التابعة لمعهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات . 8 (3). معهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات: 26-33 . doi : 10.1109/2943.999610 . 
  6. ↑ L. Wei, RJ Kerkman, RA Lukaszewski, H. Lu and Z. Yuan, "Analysis of IGBT power cycle capabilities used in Doubly Fed Induction Generator wind power system," 2010 IEEE Energy Conversion Congress and Exposition, Atlanta, GA, 2010, pp. 3076-3083, doi : 10.1109/ECCE.2010.5618396 .
  7. ↑ "إلكترونيات الطاقة - ويكي تاريخ الهندسة والتكنولوجيا" . ethw.org .
  8. ↑ ليونارد، دبليو: التحكم في المحركات الكهربائية. الطبعة الثانية. سبرينغر 1996، 420 صفحة. ISBN 3-540-59380-2.
  9. ↑ شيفلي، إي كي؛ ويتلو، جيو إس. (1932). "التحكم الآلي لمحولات التردد ذات النسبة المتغيرة". معاملات المعهد الأمريكي للمهندسين الكهربائيين . 51 : 121-127 . doi : 10.1109/T-AIEE.1932.5056029 . S2CID 51636516 . 
  10. ↑ ليوشيتز، م.م.؛ كيلغور، ل.أ. (1942). "دراسة لمحرك كرامر المعدل أو محرك السرعة المتغيرة المتتالي غير المتزامن-المتزامن". معاملات المعهد الأمريكي للمهندسين الكهربائيين . 61 (5): 255-260 . doi : 10.1109/T-AIEE.1942.5058524 . S2CID 51642497 . 
  11. ↑ فايفر، أ.؛ شيدل، و.؛ إيتزمان، م.؛ لارسن، إ. (1997). "المحولات الدوارة الحديثة لتطبيقات السكك الحديدية". وقائع مؤتمر IEEE/ASME المشترك للسكك الحديدية لعام 1997. الصفحات 29-33 . doi : 10.1109/RRCON.1997.581349 . ISBN  0-7803-3854-5. S2CID 110505314 . 
  12. ↑ أ. بوكيل، ج. جانينغ: محرك متغير السرعة بقدرة 4*300 ميغاواط لتطبيقات محطات تخزين الطاقة بالضخ. مؤتمر EPE 2003، تولوز.
  13. ↑ "نظرة عامة على حالة البحث والتطوير لنظام الآلة عديمة الفرش ذات التغذية المزدوجة". المجلة الصينية للهندسة الكهربائية . 2 (2). الجمعية الصينية للهندسة الكهربائية . ديسمبر 2016.
  14. ↑ براءة اختراع أمريكية رقم 6,448,735
  15. ↑ نيرانين، جوكو (2008). "حول قياسات القدرة الفعالة والقدرة غير الفعالة في اختبارات تحمل انخفاض الجهد غير المتماثل". طاقة الرياح . 11 (1): 121-131 . Bibcode : 2008WiEn...11..121N . doi : 10.1002/we.254 .
  16. 1 2 M. J. Harandi, S. Ghaseminejad Liasi, E. Nikravesh and MT Bina, "An Improved Control Strategy for DFIG Low Voltage Ridethrough Using Optimal Demagnetizing method," 2019 10th International Power Electronics, Drive Systems and Technologies Conference (PEDSTC), Shiraz, Iran, 2019, pp. 464-469, doi : 10.1109/PEDSTC.2019.8697267 .
  17. ↑ عتلة حديدية فعالة : على سبيل المثال براءة الاختراع الأمريكية رقم 7,164,562
  18. ↑ سيمان، سلافومير؛ نيرانين، جوكو؛ فيرتانين، ريجو؛ ماتسينين، جاري-بيكا (2008). "تحليل استمرارية عمل توربينات الرياح ذات الحث المزدوج التغذية بقدرة 2 ميجاواط عند انخفاض الجهد - التحقق من مطابقة معايير الشبكة". الاجتماع العام لجمعية IEEE للطاقة والكهرباء لعام 2008 - تحويل وتوزيع الطاقة الكهربائية في القرن الحادي والعشرين . الصفحات 1-6 . doi : 10.1109/PES.2008.4596687 . ISBN  978-1-4244-1905-0. S2CID 41973249 . 
  • دوفور، كريستيان؛ بيلانجر، جان (2004). "محاكاة في الوقت الحقيقي لمولد حثي مزدوج التغذية لتطبيقات توربينات الرياح" (ملف PDF) . مؤرشف من الأصل (ملف PDF) بتاريخ 5 يناير 2011. تم الاطلاع عليه بتاريخ 17 فبراير 2011 .{{cite journal}}يتطلب الاستشهاد بالمجلة ( مساعدة )|journal=
  • روبرتس، بول سي. (2004). "دراسة الآلات عديمة الفرش ذات التغذية المزدوجة (الحثية)؛ مساهمات في تحليل الآلات وتصميمها والتحكم بها" (ملف PDF) . كلية إيمانويل، جامعة كامبريدج. مؤرشف من النسخة الأصلية (ملف PDF) بتاريخ 19 مارس 2013.{{cite journal}}يتطلب الاستشهاد بالمجلة ( مساعدة )|journal=