تتيح شبكة التيار المستمر كفاءة أعلى

تخفيض ثاني أكسيد الكربون الصناعي₂ تعد الانبعاثات وزيادة كفاءة الإنتاج من العناصر الأساسية للمصانع الحالية والمستقبلية. تم تشكيل تحالف التيار المباشر المفتوح (ODCA) في نوفمبر 2022 من قبل العديد من أعضاء جمعية الصناعة الكهربائية والرقمية الألمانية (ZVEI)، بالإضافة إلى بعض معاهد الأبحاث المعروفة. الهدف من هذه الجمعية هو تعزيز شبكات الطاقة DC في ثاني أكسيد الكربون في المستقبل₂– الصناعات المحايدة، وإنشاء المعايير والحلول وتطوير المشاريع مثل المصانع التجريبية. تعمل مصانع الاختبار هذه على التحقق من صحة وتعزيز مزايا مصنع التيار المستمر مقابل أرضية الإنتاج التقليدية التي تغذيها شبكة التيار المتردد.

في هذه المقالة، سنسلط الضوء على عرض تقديمي عن مفهوم مصنع التيار المستمر يقدمه البروفيسور هولجر بورشيردينغ، رئيس قسم إلكترونيات الطاقة والمحركات الكهربائية في جامعة العلوم التطبيقية والفنون في أوستويستفالن ليبي (TH-OWL) في ليمغو، ألمانيا، في مؤتمر PCIM 2023 جميع الصور أدناه مأخوذة من العرض التقديمي.

مزايا مصنع شبكة العاصمة

يقارن الشكل 1 بعض دورات تحويل الطاقة الأساسية بين الصناعة التقليدية التي تغذيها التيار المتردد مقابل تلك القائمة على شبكة التيار المستمر.

كما هو موضح، يتم التخلص من حوالي نصف تحويلات الطاقة باستخدام شبكة التيار المستمر. يتم تصحيح التيار المتردد عالي الجهد الوارد مرة واحدة فقط. بعض مزايا وخصائص هذا المخطط هي:

31.08.2023

28.08.2023

28.08.2023

• تستخدم الكثير من المحركات الكهربائية ذات السرعات المتغيرة في أرضيات الإنتاج الحديثة بالفعل محول/عاكس لمصدر الجهد استنادًا إلى طاقة التيار المستمر الواردة. بالنسبة للعاكسات المركزية في الخزانة، يتم استخدام ناقل DC مشترك بالفعل.
• مصادر الطاقة المتجددة، مثل الطاقة الشمسية، تولد بطبيعتها طاقة التيار المستمر التي يمكن ربطها بناقل التيار المستمر باستخدام محولات التيار المستمر/التيار المستمر. وينطبق الشيء نفسه على تخزين البطارية. يتم تجنب تحويل DC/AC.
• تسمح إزالة المقوم عند التغذية لكل محرك/عاكس بالاقتران الكهربائي وتبادل الطاقة بين محركات الأقراص. أثناء وضع الكبح، في محركات الأقراص التقليدية التي يتم تغذيتها بالتيار المتردد، تتمثل الطريقة الشائعة في تبديد الطاقة على شكل حرارة باستخدام مقاومات الكبح. يمكن تجنب هذه الخسارة من خلال آليات تخزين الطاقة السعوية الموزعة وغيرها من آليات تخزين الطاقة الذكية في شبكة التيار المستمر.
• جميع التيارات في شبكة التيار المستمر نشطة. يؤدي غياب الطاقة التفاعلية إلى انخفاض الخسائر الأومية. يتم أيضًا إنشاء خيار لتقليل حجم الكابلات النحاسية (Cu) مع الحفاظ على نفس الخسارة مثل نظام التيار المتردد.
• تحتاج شبكة التيار المستمر إلى ثلاثة أسلاك بدلاً من الأربعة المستخدمة في شبكات التيار المتردد.
• يتم تحقيق تخفيضات كبيرة في التكلفة من خلال عدد أقل من دورات تحويل الطاقة وبالتالي المكونات، بالإضافة إلى انخفاض متطلبات الأسلاك.
• يمكن دمج أحمال التيار المستمر مثل إضاءة LED بالإضافة إلى المصدر/المصارف ثنائية الاتجاه مثل البطاريات وشحن السيارات الكهربائية بسهولة أكبر في شبكة التيار المستمر.

خصائص شبكة ODCA DC

ويبين الشكل 2 تمثيلاً لشبكة التيار المستمر، موضحًا مختلف المولدات والأحمال المحتملة.

تعتمد شبكات التيار المستمر الأولية من ODCA على جهد ناقل DC الاسمي بجهد 650 فولت. يتيح ذلك استخدام إلكترونيات الطاقة الحديثة الحالية ويسمح أيضًا بأن تكون متطلبات العزل مماثلة لتلك المطلوبة في نظام تيار متردد قياسي ثلاثي الطور 400 فولت/480 فولت.

يتم تحويل شبكة التيار المتردد عالية الجهد الواردة من خلال استخدام محول التغذية النشط المركزي (AIC). يعتمد AIC عادةً على IGBTs السيليكون (أو أجهزة كربيد السيليكون / نيتريد الغاليوم) ويولد تيارًا مستمرًا منظمًا يتم فصله عن تفاوتات إمداد جهد خط التيار المتردد.

وقد تم اقتراح نطاقات الجهد، كما هو مبين في الشكل 3. يمكن الحفاظ على الجهد الاسمي الذي يتراوح بين 620-750 فولت من خلال مجموعة من أجهزة التخزين والأحمال النشطة لمواجهة الجهد الزائد (العرض أكبر من الطلب) واستنزاف أجهزة التخزين و/أو الأحمال في ظل ظروف انخفاض الجهد. يتم اقتراح العديد من خيارات التحكم، بما في ذلك التحكم المستقل في التدلى باستخدام وحدات التغذية النشطة (مثل تلك المستخدمة للطاقة الشمسية الكهروضوئية الواردة) مع / بدون الاتصال والتحكم المركزي.

مثال على توفير التكاليف باستخدام محرك يعمل بالتيار المستمر

دعونا نلقي نظرة على مثال محدد لمحرك ثلاثي الطور. يُظهر الجزء العلوي من الشكل 4 تمثيلاً تصويريًا للمحرك. في حالة شبكة التيار المتردد التقليدية، يتم عادةً استخدام مقوم الصمام الثنائي الرخيص لمحركات الأقراص الصناعية. عامل الطاقة المتوقع هو 0.63 وأربعة أسلاك، مع ثلاثة موصلات نشطة تستخدم للكابلات. في حالة شبكة التيار المستمر، لا توجد طاقة تفاعلية؛ ومن ثم، فإن عامل الطاقة هو 1. كما أن الكابل ثلاثي الأسلاك يحتاج الآن إلى موصلين نشطين.

متطلبات العزل هي نفسها بالنسبة لشبكة التيار المستمر، على الرغم من أن الجهد الاسمي أعلى لأنه لا يحتوي على اختلافات كبيرة في جهد الذروة. الآن دعونا نقارن الاستهلاك الحالي لمحرك بقدرة 7.5 كيلوواط، بافتراض كفاءة العاكس 0.968 وكفاءة المحرك 0.887. مع عوامل الطاقة المذكورة أعلاه، سوف تستهلك تغذية التيار المتردد 20 أمبير، في حين أن المحرك الذي يعمل بشبكة التيار المستمر في أسوأ الظروف سوف يستهلك 14.1 أمبير فقط. ويقارن الجزء السفلي من الشكل 4 بين تقليل الكابلات وفقدان الطاقة والتكاليف بين المحرك التقليدي الذي يعمل بشبكة التيار المتردد مع حالتين من شبكة التيار المستمر. في الحالة الأولى، يتم تقليل المقطع العرضي لكابل النحاس مقارنةً بالمستخدم في شبكة التيار المتردد بناءً على المستويات الحالية. وفي هذا السيناريو، يصل توفير الطاقة إلى حوالي 50%. في الحالة الثانية، يتم ترك قطر النحاس كما هو. على الرغم من أن التوفير في تكاليف الكابلات أقل، إلا أن توفير الطاقة الناتج أعلى بكثير، حيث يصل إلى 70% تقريبًا.

مثال على مصنع نموذجي باستخدام العاصمة

تم تنفيذ عدة نماذج لمصنع DC . هنا، سنقوم بتفصيل مثال لمصنع Homag يستخدم نظام الطاقة هذا. Homag هي شركة رائدة عالميًا في تصنيع آلات معالجة الأخشاب. يوضح الجزء العلوي من الشكل 5 الأدوات النموذجية المستخدمة. كما هو موضح في الجزء السفلي، فإن استخدام شبكة التيار المستمر مع استخدام AIC لتحويل التيار المتردد/المستمر، جنبًا إلى جنب مع التخزين السعوي على ناقل التيار المستمر، أدى إلى تحسينات كبيرة في جودة الطاقة وتخفيضات في التكلفة:

• انخفاض بنسبة 43% في ذروة الطاقة
• انخفاض بنسبة 30% في متوسط ​​الطاقة المستهلكة مع مرور الوقت
• انخفاض في كابلات النحاس بنسبة تصل إلى 50%

الخطط الحالية والمستقبلية

لدى ODCA العديد من التطبيقات الحالية والمخططة لمصنع DC في ألمانيا. بعض هذه تشمل:

• مصنع هيكل السيارة BMW الفئة الرابعة المكشوف في دينغولفينغ.
• مصنع مرسيدس بنز 56 في شيندلفينجن. ربما يكون هذا هو المثال الأعلى للطاقة، بقدرة 2 ميجاوات تتضمن 1 ميجاوات لتوليد الطاقة الشمسية. هذا CO₂تستخدم منشأة الإنتاج المحايدة أيضًا بطاريات المركبات المتصلة بشبكة التيار المستمر، لتكون بمثابة بنك للطاقة ومخزن مؤقت أثناء إنتاج الطاقة الشمسية الزائدة.
• مصنع NExT، كما هو موضح في الشكل 6. يقع هذا المصنع التابع لشركة Schaltbau GmbH، وهي شركة تصنيع الموصلات والموصلات ومكونات السكك الحديدية والمزيد، في بافاريا. الهدف من هذا المصنع هو أيضًا لشركة CO₂إنتاج مجاني يعتمد على شبكة تيار مستمر تغذيها 1300 كيلوواط من الطاقة الكهروضوئية القصوى، إلى جانب مزيج من البطارية والتخزين الحراري.

حصل سونو دارياناني على درجة الدكتوراه. حصل على درجة الدكتوراه في هندسة الإلكترونيات عام 1993 من جامعة برادفورد، إنجلترا أثناء إجراء بحث في AT&T Bell Labs، نيوجيرسي حول الإلكترونيات الضوئية GaAs. على مدار الـ 25 عامًا الماضية، كان مهندسًا لتكامل الأجهزة/العمليات في شركة Microchip Technology، من الألف إلى الياء، وكان يعمل على وحدات التحكم الدقيقة والأجهزة المنفصلة. وهو الآن مستشار وكاتب في PowerElectronics News. يمكن الوصول إليه على sldaryanani@gmail.com