محول الإثارة: 'وحدة التحكم في الطاقة' للآلات المتزامنة و 'مرساة الاستقرار' لأنظمة الطاقة

في أنظمة الطاقة الحديثة، سواء كانت المولدات التوربينية الضخمة في محطات الطاقة الحرارية، أو المولدات المائية في محطات الطاقة الكهرومائية، أو المحركات المتزامنة التي تقود العمليات الصناعية، يكمن الجوهر الأساسي في التحكم الدقيق في المجال المغناطيسي للدوار. إن محول الإثارة هو على وجه التحديد القطعة الرئيسية من المعدات التي توفر 'مصدر الطاقة' الدقيق والموثوق لهذا الجوهر الأساسي. إنها لا تقوم بتوصيل الطاقة مباشرة إلى الشبكة، ولكنها تحدد بشكل أساسي الأداء التشغيلي، وكفاءة الآلة المتزامنة، ومستوى استقرار شبكة الطاقة بأكملها.

I. الوظيفة الأساسية: لماذا يحتاج نظام الإثارة إلى محول مخصص؟

يتطلب الجزء الدوار للآلة المتزامنة تيارًا مباشرًا (DC) لإنشاء مجال مغناطيسي قوي (أي 'الإثارة'). نظام الإثارة مسؤول عن توفير وتنظيم تيار التيار المستمر. يحتوي محول الإثارة على ثلاث مهام أساسية ضمن هذا النظام:

1. مطابقة الجهد والعزل الكهربائي : يأخذ جهد التيار المتردد المرتفع نسبيًا من أطراف المولد أو حافلة خدمة المحطة (على سبيل المثال، 10 كيلو فولت، 15.75 كيلو فولت)، ويخفضه بأمان إلى مستوى أقل مناسب لمقوم الثايرستور السفلي (عادةً عدة مئات إلى ألف فولت)، ويوفر العزل الكهربائي اللازم لضمان سلامة دوائر التحكم.

2. توفير مصدر طاقة مقوم : يوفر مصدر طاقة إدخال تيار متردد ثابت ومناسب لخزانة مقوم الثايرستور السفلي ، مما يشكل أساس الطاقة لتحويل التيار المتردد إلى تيار مستمر الذي يتطلبه الدوار.

3. دعم التأثير الميداني والاستجابة السريعة : عندما تتسبب أخطاء الشبكة مثل الدوائر القصيرة في انخفاض مفاجئ في الجهد، يحتاج النظام إلى زيادة جهد وتيار الإثارة بشكل فوري (في غضون ميلي ثانية) بشكل كبير (على سبيل المثال 'التأثير الميداني' أو 'الإثارة القوية') لدعم جهد الشبكة بشكل كامل والحفاظ على الاستقرار المتزامن. يجب أن يمتلك محول الإثارة القدرة على توفير عدة أضعاف قيمته المقدرة للأحمال الزائدة قصيرة المدى، ليكون بمثابة عمود الطاقة لوظيفة التأثير الميداني.

باختصار، محول الإثارة هو محور تحويل وتكيف الطاقة المخصص الذي يربط نظام الطاقة الرئيسي بدائرة التحكم الدقيقة في مجال الدوار.

ثانيا. المتطلبات الفريدة: الفرق الأساسي عن المحولات القياسية

تؤدي بيئة التشغيل والغرض من محولات الإثارة إلى اختلافات كبيرة في التصميم مقارنة بالتوزيع القياسي أو محولات الطاقة:

تركز التحديات الأساسية على:

• ارتفاع درجة حرارة التوافقيات : تعتبر التصميمات والمواد الخاصة (على سبيل المثال، الموصلات المنقولة، وتقليل خسائر التيار الدوامي) ضرورية لمواجهة ارتفاع درجة حرارة الملفات والأجزاء الهيكلية الناتجة عن التوافقيات عالية التردد.

• القوى الكهرومغناطيسية العالية : تتطلب مقاومة الدائرة القصيرة العالية وارتفاع التيار المتكرر ملفات ذات تثبيت ميكانيكي عالي للغاية وقدرة على تحمل الدائرة القصيرة.

• الاستجابة العابرة السريعة : يجب أن يضمن التصميم إمكانية بناء طاقة المجال المغناطيسي بسرعة بناءً على أمر فرض المجال، ويجب ألا يتشبع القلب المغناطيسي.

ثالثا. اعتبارات التصميم الفني والاختيار الرئيسية

يعتمد إنشاء محول إثارة عالي الأداء على الاعتبارات الفنية الرئيسية التالية:

1. التصميم الدقيق لجهد المعاوقة :

• الدور : يحد من ذروة تيار العطل أثناء دائرة قصر ذراع جسر المعدل، مما يحمي عناصر الثايرستور باهظة الثمن؛ يؤثر على سرعة الاستجابة العابرة لنظام الإثارة.

• الاعتبار : يتطلب إيجاد التوازن الأمثل بين 'الحد من تيار الدائرة القصيرة' و 'تجنب التأثير على استجابة النظام'؛ هذه هي معلمة التصميم الأساسية الأساسية.

2. نظام اللف والعزل المقوى :

• اللف : غالبا ما يستخدم صب راتنجات الايبوكسي (النوع الجاف) أو البناء يوفر النوع الجاف الوقاية من الحرائق/الانفجارات وسهولة الصيانة، وهو مناسب للبيئات الداخلية أو المتطلبة. يوفر الزيت المغمور تبديدًا فائقًا للحرارة وقدرة أقوى على التحميل الزائد، وهو شائع الاستخدام للوحدات الكبيرة. المغمور بالزيت .

• العزل : يجب أن يتحمل تأثير الفولتية التوافقية عالية التردد. يجب أن يكون لفئة المواد العازلة والتصميم الهيكلي هامش واسع.

3. اختيار طريقة التبريد :

• النوع الجاف : تبريد الهواء الطبيعي (AN) أو الهواء القسري (AF).

• مغمور بالزيت : زيت الهواء الطبيعي (ONAN) أو زيت الهواء القسري (OFAF). بالنسبة للوحدات الكبيرة، يوفر OFAF قدرة تبريد أقوى لتلبية متطلبات ارتفاع درجة الحرارة أثناء التأثير الميداني.

4. مطابقة مجموعة المتجهات :

• يجب أن يتطابق بدقة مع رقم نبض جسر المقوم (على سبيل المثال، 6 نبضات، 12 نبضة). على سبيل المثال، لتكوين مقوم ذو 12 نبضة لخفض التوافقيات، غالبًا ما يتم استخدام محول ثلاثي الملفات أو مجموعة من محولين (مع وصلات دلتا وواي ممتدة) لتوليد إمدادات ثلاثية الطور مع تحول طور بمقدار 30 درجة.

قائمة التحقق من معلمات التحديد الرئيسية:

• السعة المقدرة (كيلو فولت أمبير، يجب مراعاة قدرة التأثير الميداني)

• الجهد الابتدائي/الثانوي المقدر (كيلو فولت/فولت)

• مقاومة الجهد (٪)

• مجموعة المتجهات (على سبيل المثال، D، y11، d0، إلخ.)

• فئة العزل وطريقة التبريد

• بيئة التثبيت (داخلي/خارجي، الارتفاع، درجة الحرارة المحيطة)

رابعا. سيناريوهات التطبيق النموذجية

1. وحدات المولدات الحرارية/المائية/النووية الكبيرة : تعمل كمعدات إمداد الطاقة الأساسية لأنظمة الإثارة الساكنة ، وهي التكوين القياسي للمولدات السائدة الحديثة.

2. وحدات توليد الطاقة المخزنة بالضخ : تعمل الوحدات في وضعي المولد (التوليد) والمحرك (الضخ)، مما يضع متطلبات عالية للغاية على القدرة على التكيف ثنائي الاتجاه وموثوقية محولات الإثارة الخاصة بها.

3. المحركات الصناعية المتزامنة الكبيرة : تستخدم لتشغيل المعدات الثقيلة مثل الضواغط والمراوح والمضخات، مما يوفر تعويض الطاقة التفاعلية ويثبت استقرار الشبكة الداخلية للمحطة.

4. أنظمة الدفع الكهربائية البحرية : توفر إثارة مستقرة لمحركات الدفع المتزامنة، والتي تتكيف مع البيئات البحرية القاسية.

الخلاصة: القوة وراء الاستقرار

على الرغم من أن محول الإثارة يظل مخفيًا بجوار المولد أو في غرفة المفاتيح الكهربائية، إلا أن أدائه يؤثر بشكل مباشر على ما إذا كانت الآلة المتزامنة يمكنها توليد جهد ثابت، والحفاظ على التزامن أثناء اضطرابات الشبكة، والاستقرار الديناميكي لنظام الطاقة بأكمله. إنها وحدة تنفيذ تضخيم الطاقة التي تحول إشارات التحكم الدقيقة من منظم الجهد الأوتوماتيكي إلى قوة مجال مغناطيسي قوية.