التحكم في سرعة التباطؤ

يُعدّ التحكم في السرعة بالانخفاض نمطًا للتحكم يُستخدم في مولدات الطاقة الكهربائية ذات التيار المتردد، حيث تنخفض قدرة المولد مع ازدياد تردد التيار الكهربائي. ويُستخدم عادةً كنمط للتحكم في سرعة منظم سرعة المحرك الرئيسي الذي يُشغّل مولدًا متزامنًا متصلًا بشبكة كهربائية . ويعمل هذا النمط عن طريق التحكم في معدل الطاقة المُنتجة من المحرك الرئيسي وفقًا لتردد الشبكة. ففي حالة التحكم بالسرعة بالانخفاض، عندما تعمل الشبكة بأقصى تردد تشغيل، تنخفض قدرة المحرك الرئيسي إلى الصفر، وعندما تعمل الشبكة بأدنى تردد تشغيل، تُضبط القدرة على 100%، وتُضبط على قيم متوسطة عند ترددات التشغيل الأخرى.

يسمح هذا الوضع بتشغيل المولدات المتزامنة بالتوازي، بحيث يتم توزيع الأحمال بين المولدات التي لها نفس منحنى الانخفاض بما يتناسب مع تصنيف الطاقة الخاص بها.

عمليًا، لا تكون منحنيات انخفاض الطاقة المستخدمة في المولدات على الشبكات الكهربائية الكبيرة خطية أو متطابقة بالضرورة، ويمكن تعديلها من قِبل المشغلين. يسمح هذا بتغيير نسبة الطاقة المستخدمة تبعًا للحمل، بحيث تُولّد مولدات الحمل الأساسي ، على سبيل المثال، نسبة أكبر عند انخفاض الطلب. يتطلب الاستقرار أن يكون خرج الطاقة، ضمن نطاق تردد التشغيل، دالة متناقصة بشكل رتيب مع التردد.

يمكن أيضًا استخدام التحكم في سرعة التناقص بواسطة أنظمة تخزين الشبكة. فباستخدام هذا التحكم، تقوم هذه الأنظمة بسحب الطاقة من الشبكة بترددات أعلى من المتوسط، وتزويدها بها بترددات أقل.

يُعطى تردد المولد التزامني بالعلاقة التالية:

${\displaystyle F={\frac {PN}{120}}}$

أين

• F، التردد (بالهرتز)،
• P، عدد الأقطاب،
• N، سرعة المولد (بالدورات في الدقيقة)

يتناسب تردد (F) المولد التزامني تناسبًا طرديًا مع سرعته (N). عند توصيل عدة مولدات تزامنية بالتوازي مع الشبكة الكهربائية، تُحدد الشبكة التردد، نظرًا لأن قدرة كل مولد ستكون ضئيلة مقارنةً بالحمل على الشبكة ككل. تعمل جميع المولدات التزامنية المتصلة بالشبكة بنفس التردد، ولكنها قد تعمل بسرعات مختلفة نظرًا لاختلاف عدد أقطابها (P).

في هذا الوضع، تُحدد سرعة مرجعية كنسبة مئوية من السرعة الفعلية. ومع زيادة حمل المولد من حالة عدم التحميل إلى التحميل الكامل، تميل السرعة الفعلية للمحرك الرئيسي إلى الانخفاض. ولزيادة القدرة الناتجة في هذا الوضع، تُزاد السرعة المرجعية للمحرك الرئيسي. ولأن الشبكة الكهربائية تحدد السرعة الفعلية للمحرك الرئيسي، يُستخدم هذا الفرق بين السرعة المرجعية والسرعة الفعلية للمحرك الرئيسي لزيادة تدفق سائل التشغيل (الوقود، البخار، إلخ) إلى المحرك الرئيسي، وبالتالي تزداد القدرة الناتجة. وينعكس هذا الأمر عند انخفاض القدرة الناتجة. تكون السرعة المرجعية للمحرك الرئيسي دائمًا أكبر من سرعته الفعلية. ويُسمح للسرعة الفعلية للمحرك الرئيسي بالانخفاض أو التناقص بالنسبة إلى السرعة المرجعية، ومن هنا جاءت التسمية.

على سبيل المثال، إذا كانت سرعة التوربين 3000 دورة في الدقيقة، وانخفضت سرعة الآلة من 3000 دورة في الدقيقة إلى 2880 دورة في الدقيقة عند تحميلها من حالة عدم التحميل إلى الحمل الأساسي، فإن  نسبة الانخفاض تُعطى بالمعادلة التالية:

${\displaystyle \mathrm {Droop\%} ={\frac {\mathrm {No\ load\ speed-Full\ load\ speed} }{\mathrm {No\ load\ speed} }}}$

${\displaystyle ={\frac {3000-2880}{3000}}}$

${\displaystyle =4\%}$

في هذه الحالة، ستكون السرعة المرجعية 104% والسرعة الفعلية 100%. لكل تغيير بنسبة 1% في السرعة المرجعية للتوربين، سيتغير خرج الطاقة للتوربين بنسبة 25% من القدرة المقدرة لوحدة ذات ضبط انخفاض بنسبة 4%. وبالتالي، يُعبّر عن الانخفاض كنسبة مئوية للتغير في السرعة (التصميمية) المطلوبة لعمل منظم السرعة بنسبة 100%.

بما أن تردد الشبكة ثابت، وبالتالي سرعة التوربين الفعلية ثابتة أيضًا، فإن زيادة سرعة التوربين المرجعية ستزيد من الخطأ بين السرعة المرجعية والسرعة الفعلية. ومع ازدياد هذا الفرق، يزداد تدفق الوقود لزيادة القدرة الناتجة، والعكس صحيح. يُشار إلى هذا النوع من التحكم باسم التحكم "التناسبي المباشر". إذا كانت الشبكة بأكملها عرضة للحمل الزائد، سينخفض ​​تردد الشبكة، وبالتالي السرعة الفعلية للمولد. ستشهد جميع الوحدات زيادة في خطأ السرعة، مما يؤدي إلى زيادة تدفق الوقود إلى محركاتها الرئيسية وزيادة القدرة الناتجة. وبهذه الطريقة، يساعد وضع التحكم في السرعة المتناقصة أيضًا في الحفاظ على استقرار تردد الشبكة. تتناسب كمية الطاقة المنتجة تناسبًا طرديًا مع الخطأ بين سرعة التوربين الفعلية والسرعة المرجعية.

يمكن إثبات ذلك رياضياً، فإذا كانت جميع الآلات المتزامنة مع نظام ما تتمتع بنفس التحكم في سرعة التباطؤ، فإنها ستتقاسم الحمل بما يتناسب مع قدرات الآلة. ^{[ 1 ]}

على سبيل المثال، يمكن تحديد كيفية زيادة أو تقليل تدفق الوقود في توربين غازي ثقيل من تصميم شركة جنرال إلكتريك من خلال الصيغة التالية:

${\displaystyle FSRN=(FSKRN2*(TNR-TNH))+FSKRN1}$

أين،

${\displaystyle FSRN}$= مرجع شوط الوقود (الوقود المُزوَّد للتوربين الغازي) لوضع التباطؤ

${\displaystyle TNR}$= مرجع سرعة التوربين

${\displaystyle TNH}$= سرعة التوربين الفعلية

${\displaystyle FSKRN2}$= ثابت

${\displaystyle FSKRN1}$= ثابت

الصيغة أعلاه ليست سوى معادلة خط مستقيم (y = mx + b).

ستتقاسم المولدات المتزامنة المتعددة التي لها نفس  نسبة انخفاض الحمل المتصلة بشبكة كهربائية التغيير في حمل الشبكة بما يتناسب مع حملها الأساسي.

لضمان استقرار تشغيل الشبكة الكهربائية في أمريكا الشمالية، تعمل محطات توليد الطاقة عادةً بانخفاض في السرعة بنسبة أربعة أو خمسة بالمائة. ^{[ 2 ]} وبحسب التعريف، مع انخفاض بنسبة 5%، تكون سرعة الحمل الكامل 100% وسرعة عدم الحمل 105%.

عادةً ما تكون التغيرات في السرعة طفيفة بسبب قصور الكتلة الدوارة الكلية لجميع المولدات والمحركات العاملة على الشبكة. ^{[ 3 ]} يتم ضبط القدرة الناتجة لمجموعة معينة من المحرك الرئيسي والمولد عن طريق رفع منحنى الانخفاض تدريجيًا بزيادة ضغط الزنبرك في منظم الطرد المركزي أو عن طريق ضبط وحدة التحكم في المحرك ، أو العملية المماثلة لمنظم السرعة الإلكتروني. يجب أن يكون لجميع الوحدات المراد توصيلها بالشبكة نفس إعداد الانخفاض، بحيث تستجيب جميع المحطات بنفس الطريقة للتغيرات اللحظية في التردد دون الاعتماد على الاتصالات الخارجية. ^{[ 4 ]}

إلى جانب القصور الذاتي الناتج عن التشغيل المتوازي للمولدات المتزامنة، ^{[ 5 ]} يُعد انخفاض سرعة التردد المعلمة اللحظية الأساسية في التحكم في إنتاج الطاقة لمحطة توليد الطاقة الفردية ( كيلوواط ). ^{[ 6 ]}

• نقل الطاقة الكهربائية
• شبكة متزامنة واسعة النطاق
• الطلب الديناميكي (الطاقة الكهربائية)

• ألفريد إنجلر: قابلية تطبيق الانخفاضات في شبكات الجهد المنخفض . المجلة الدولية لموارد الطاقة الموزعة، المجلد 1، العدد 1، 2005.