نظام التحكم في الآلية المحركة لفصلات الجهد العالي

تحتاج الفصلات ذات الجهد العالي إلى آليات تشغيلية تتميز بسرعة الاستجابة والزخم العالٍ للإخراج. تعتمد معظم الآليات الحالية الم alimentada por motores en una serie de componentes de reducción, pero los sistemas de control de mecanismos accionados por motor cumplen eficazmente con estos requisitos.

1. نظرة عامة على نظام التحكم في الآلية المحركة بالموتور للفصلات ذات الجهد العالي

1.1 المفهوم الأساسي

يشير نظام التحكم في الآلية المحركة بالموتور بشكل أساسي إلى نظام يستخدم استراتيجية التحكم ثنائية الحلقة PID لتنظيم تيار ملفات المحرّك وسرعة الدوران، وبالتالي التحكم في حركة الآلية. هذا يضمن أن تصل نقاط الاتصال في الفاصل إلى سرعات محددة عند نقاط السفر المحددة، مما يلبي سرعات الفتح والإغلاق المطلوبة للفاصل (DS).

الفصلات (DS) هي الأكثر استخدامًا من بين أجهزة التبديل ذات الجهد العالي. فهي تنشئ فجوة عازلة فعالة في شبكات الطاقة، وتؤدي وظائف العزل الحرجة وتلعب دورًا مهمًا في التحويل الخطي وإعادة تكوين الحافلة. الوظيفة الرئيسية لنظام التحكم في الآلية المحركة بالموتور هي مراقبة الجهد والتيار تلقائيًا والعزل القسم ذو الجهد العالي وضمان السلامة في المناطق ذات الجهد العالي.

1.2 حالة البحث والاتجاهات التنموية

(1) حالة البحث
في المعدات ذات الجهد العالي، يتم اعتماد أنظمة التحكم في الآليات المحركة بالموتور على نطاق واسع بسبب بساطة هيكلها وسرعتها في التشغيل، مما يجعل السيطرة عليها سهلة. تميزت المؤسسات البحثية والجامعات حول العالم الآليات المحركة بالموتور عن الآليات الربيعية أو الهيدروليكية، مشيرة إلى بساطتها الهيكلية واستقرارها الأفضل وأساليب تخزين الغاز المضغوط البسيطة ومعدل التعقيد التشغيلي الأقل مقارنة بأنظمة التقليدية.

من الناحية العملية، يبدأ النظام الحركة من خلال القوة الكهرومغناطيسية التي يولدها ملفات الحمل والتغيرات الداخلية في التيار. تصبح تطبيقاته في المعدات ذات الجهد العالي اتجاهاً، حيث حقق العلماء تقدماً ملحوظاً - مستمرين في تحسين تقنيات القيادة بالمحرك وتقديم تحسينات مبتكرة.

بينما يتم تطبيق مثل هذه الأنظمة بشكل شائع على المقاطع، فإن البحث حول استخدامها في الفصلات لا يزال محدوداً. رغم أن المحركات والمكونات التحكمية تشكل جزءًا من أنظمة الفصلات المحركة بالموتور، إلا أنه لا يوجد حالياً نظام قيادة مباشر يستخدم محركًا لتشغيل فتح وإغلاق الاتصال مباشرة - مما يمثل قيودًا تشغيلية كبيرة.

(2) حالة التطوير
دولياً، تنافس الشركات المصنعة للفصلات بشكل أساسي من خلال تحسين الهياكل الميكانيكية ودمج مواد جديدة وتكنولوجيات لتعزيز أداء أنظمة التحكم بشكل كبير.

في الصين، مع التقدم المستقر لصناعة الطاقة، زاد عدد الشركات المصنعة بشكل كبير، وظهر العديد من الشركات الكبيرة لأنظمة التحكم في التبديل. تتوجه أنظمة الفصلات ذات الجهد العالي المحلية نحو تصنيفات جهد أعلى وسعة أكبر وموثوقية متزايدة وصيانة أقل وتصغير الحجم وتكامل الوحدات:

• الجهد والأحمال الأعلى تنسجم مع زيادة الطلب الوطني على إمدادات الطاقة؛

• تحسين الموثوقية يعزز قدرة الحمل الحالي؛

• المواد المتقدمة وتقنيات مقاومة التآكل تزيد من المرونة الميكانيكية وتقلل من الحاجة إلى الصيانة؛

• التصغير يتوافق مع زيادة الطلب على مرونة النظام والتوحيد.

2. هندسة النظام لنظام التحكم في الآلية المحركة بالموتور

2.1 نظام الآلية BLDCM

تعني BLDCM محرك التيار المباشر بدون فرشاة. يقوم بتصحيح الطاقة التبادلية إلى تيار مستمر ومن ثم يستخدم محوّلًا لتحويلها مرة أخرى إلى تيار تبادلي متحكم فيه. يتكون BLDCM من محرك متزامن وسائق، وهو منتج متكامل كهربائيًا وميكانيكيًا يتجاوز عيوب محركات التيار المباشر ذات الفرشاة بتغيير المبدلات الميكانيكية بأخرى إلكترونية.

يجمع بين التنظيم الممتاز للسرعة وقوة محركات التيار التبادلي، ويتميز بتبديل خالي من الشرارات ومعتمد وسهل الصيانة. في آليات التشغيل الاحتياطية للفصلات ذات الجهد العالي، يتم تجهيز BLDCMs عادةً بمفاتيح نهاية ويدفعون DS مباشرة عبر ذراع دوار لأداء عمليات الفتح والإغلاق - مما يحل فعالًا المشكلات التقليدية مثل الروابط الزائدة والتعقيد الهيكلي.

2.2 نظام الآلية DS

يشير "DS" إلى الفاصل ذو الجهد العالي، الذي يوفر العزل الكهربائي الحاسم. بفضل هيكله البسيط وموثوقيته العالية، يتم استخدام وحدات DS على نطاق واسع ولعب دور رئيسي في تصميم وبناء وتشغيل محطات التحويل والمحطات الكهربائية.

في أنظمة التحكم المحركة بالموتور، تستخدم آليات DS عادة معالج الإشارات الرقمية (DSP) كوحدة التحكم الأساسية لإدارة وظائف النظام الشاملة. يتضمن النظام أيضًا:

• التحكم في القيادة العازلة للفتح والإغلاق؛

• كشف موقع المحرك؛

• كشف السرعة.

للكشف عن الموقع، توفر دارة الكشف عن الموضع إشارات تبديل دقيقة لدارة التبديل المنطقية. يتم قياس السرعة باستخدام مرمّز يكشف سرعة الدوار، مع إشارات LED التي تعكس سرعة الدوران.

يعتمد الكشف عن التيار التقليدي على مقاومات التوزيع، والتي تعاني من الانحراف الناتج عن درجة الحرارة، مما يعرض دقة القياس للخطر. بالإضافة إلى ذلك، يمكن أن يؤدي العزل الكهربائي غير الكافي بين الدارات الخارجية ودوائر التحكم إلى تضخيم فوهات الجهد، مما يهدد سلامة النظام.

في تصميم دارة التحكم في الشحن/التفريغ، يتم استبدال وحدات تخزين الطاقة التقليدية بمحاثات. يتم شحن بنك المحاثات ومن ثم عزله عن مصدر الطاقة الخارجي، مما يعزز الأمان والكفاءة.

3. تحسينات في تصميم نظام تحكم الآلية ذات المحرك

3.1 دائرة التحكم في قيادة العزل/الإغلاق

تتحكم هذه الدائرة في تيارات اللفات ثلاثية الأطوار من خلال إدارة أجهزة التبديل وتوفير استراتيجيات فعالة لمسار التبديل. فهي تقلل من الجهد الزائد المؤقت وخسارة التبديل، مما يضمن تشغيل المكونات بأمان واستقرار.

عندما يكون التبديل مغلقًا، تقوم المحاثة بامتصاص التيار عند إيقاف التشغيل عبر ثنائي أثناء الشحن. وفي حالة التشغيل، يحدث التفريغ عبر مقاومة. يجب استخدام الثنائيات ذات الاستعادة السريعة ذات التصنيفات الحالية التي تتجاوز تصنيف الدائرة الرئيسية. وللحد من التحريض الطفيلي، يُنصح باستخدام محاثات سناوبر عالية التردد وأداء عالي.

3.2 دائرة اكتشاف موضع المحرك

يحدد هذا التصميم بدقة موضع القطب المغناطيسي للروتر، مما يسمح بالتحكم الدقيق في التبديل لللفات الثابتة. يتم تثبيت ثلاثة أجهزة استشعار هول على قرص هول، بينما يقوم مغناطيس دائري دائم بتقليد المجال المغناطيسي للمحرك لتحقيق دقة مكانية أفضل. مع دوران المغناطيس، تتغير مخرجات أجهزة الاستشعار الهول بشكل واضح، مما يتيح تحديد موضع الروتر الإلكتروني بدقة.

3.3 دائرة اكتشاف السرعة

يتم استخدام مرمّز دوراني ضوئي—يتكون من أزواج من الثنائيات الضوئية LED-الفوتودايود وأقراص شاشة متدرجة—لقياس سرعة الروتر. يتم توزيع الثنائيات الضوئية بشكل متساوٍ في نمط دائري. القرص الشاشة، الذي يقع بين LEDs والفوتودايودات، يحتوي على نوافذ تعكس نقل الضوء أثناء الدوران. الإشارة النابضة الناتجة تمكن من حساب تسارع وسرعة الروتر.

3.4 دائرة اكتشاف التيار

يعاني الكشف التقليدي المستند إلى مقاومات الشنت من الانحراف الحراري وعدم الدقة. بالإضافة إلى ذلك، فإن الفصل الكهربائي غير الكافي بين دائرتي الطاقة والتحكم يعرض الألكترونيات الحساسة لخطر التلف بسبب الترانزيتات ذات الجهد العالي.

لحل هذه المشكلة، يستخدم التصميم المحسن جهاز استشعار تيار هول معزول كهربائيًا. أثناء التشغيل، يتم رصد التيار المتردد في لفات المحرك، ويقوم مكبر للجمع بمعالجة مخرجات الجهاز الاستشعاري. بعد التحجيم التناسبي، يتم الحصول على إشارة تيار آمنة ومعزولة.

3.5 دائرة التحكم في شحن/تفريغ المحاثات

يقوم نظام BLDCM باستبدال حلول تخزين الطاقة التقليدية بحلول تستند إلى المحاثات، مما يحسن الكفاءة ويبسط التحكم في الشحن/التفريغ. يقوم المعالج الرقمي للإشارة بمراقبة مستمرة لجهد المحاثة ويقوم بإنهاء الشحن فقط عندما يتم تحقيق العتبات التشغيلية. يتميز هذا التصميم في إدارة الطاقة والاستحواذ على الإشارات، مما يمكّن من التحكم الدقيق في الدائرة.

4. الخاتمة

يمثل نظام تحكم الآلية ذات المحرك للفصل الكهربائي ذو الجهد العالي استجابة استراتيجية للطلب المتزايد على الطاقة والتزاماً بحماية معايير الحياة الحديثة. من خلال حل المشكلات طويلة الأمد المرتبطة بالفصل الكهربائي التقليدي، يلعب هذا النظام دورًا محوريًا في تحسين موثوقية وكفاءة وإمكانات الذكاء في البنية التحتية للطاقة.