محركات المصاعد وجودة الطاقة وتوفير الطاقة

أساسيات محركات التردد المتغير ومزاياها وكيفية إنشاء التوافقيات

بواسطة جوناثان بولليك وبراد ويلكينسون

المقدمة

خلال الـ 25 عامًا الماضية ، نما استخدام محركات التيار المتردد متغيرة التردد (VFDs) ، وأصبحت ، بالنسبة للكثيرين ، الطريقة المفضلة للتحكم في آلات جر المصاعد. تم توثيق المزايا جيدًا وتشمل زيادة كفاءة النظام والتشغيل البسيط وتحسين جودة الركوب. على نحو متزايد ، أصبحت مسألة جودة الطاقة في النظام الكهربائي مصدر قلق عند اختيار أنظمة المصاعد وتحديد حجمها.

أهداف التعلم

بعد قراءة هذا المقال ، يجب أن تكون قد تعرفت على:
المكونات الأساسية وتشغيل مصعد VFD ووحدة تجديد
♦ كيف يعمل مصعد التيار المتردد على إنشاء التوافقيات الحالية
♦ كيف تخلق التوافقيات الحالية تشويشًا للجهد وتؤثر على تشغيل المعدات الكهربائية
كيف يمكن تقليل التوافقيات الحالية في VFDs للمصاعد
التكلفة النسبية والأداء لمختلف الحلول التوافقية والتجديدية

تبدأ هذه المقالة بشرح اللبنات الأساسية لـ VFD وكيف يتم إنشاء التوافقيات الحالية. لمحة موجزة عن IEEE 519-1992 ذي الصلة^[1] المعيار من حيث علاقته بتركيبات المصاعد والمباني. أخيرًا ، تم تحديد تصميمات محركات الأقراص المتقدمة مع التركيز على الأداء التوافقي وتوفير الطاقة ، كما يتم توفير تحليل التكلفة / الفائدة لكل تقنية.

ستة نبضات VFD

يتم تطبيق VFD بستة نبضات بشكل شائع في التطبيقات الصناعية ، لأنه أثبت فعاليته من حيث التكلفة والموثوقية. يتكون VFD بستة نبضات (الشكل 1) من ثلاثة أقسام رئيسية: جسر الصمام الثنائي والمكثفات الوسيطة للناقل DC وترانزستورات الإخراج.

تتكون مرحلة الإدخال من جسر ثنائي الموجة ثلاثي الأطوار يعمل على تصحيح طاقة التيار المتردد ثلاثية الطور الواردة إلى طاقة التيار المستمر. نظرًا لأن الثنائيات تسمح للتيار بالمرور في اتجاه واحد فقط ، تجدر الإشارة إلى أن مرحلة الإدخال لـ VFD سداسي النبضات تعمل كطريق أحادي الاتجاه - مما يسمح بتدفق الطاقة الكهربائية إلى المحرك ولكن ليس مرة أخرى في الخط. 

تتكون المرحلة المتوسطة ، أو "ناقل التيار المباشر" ، بشكل أساسي من المكثفات. تقوم المكثفات بترشيح تموج الجهد الناتج عن تحويل التيار المتردد / التيار المستمر وتعمل كمخزن للطاقة. 

تتكون مرحلة خرج VFD من ستة ترانزستورات ثنائية القطب معزولة (IGBTs) ، والتي يتم تشغيلها وإيقاف تشغيلها بتردد عالٍ (عادةً 8 ​​كيلو هرتز أو أكثر) ، وبالتالي تعديل جهد التيار المستمر من مكثفات الناقل. يشار إلى هذه التقنية باسم تعديل عرض النبضة (PWM) وتسمح للمحرك بإنشاء خرج جهد / تردد متغير ثلاثي الأطوار إلى محرك المصعد. من خلال التحكم في حجم ومرحلة الجهد والتردد ، يكون المحرك قادرًا على التحكم في عزم دوران المحرك وسرعته. على عكس صمامات الإدخال ، يمكن أن يتدفق التيار في كلا الاتجاهين عبر IGBT ، مما يسمح بإعادة الطاقة إلى مكثفات ناقل التيار المستمر.

الأحمال الخطية وغير الخطية

الحمل الكهربائي هو أي جهاز يتم توصيل الطاقة إليه أو استهلاكها. تتمثل إحدى طرق تصنيف الأحمال في طبيعة السحوبات الحالية - الخطية أو غير الخطية. أثناء عملية الحالة المستقرة ، لا تتغير مقاومة الحمل الخطي طوال الدورة الكهربائية للتيار المتردد ، وستسحب تيارًا جيبيًا بحتًا من مصدر جهد تيار متردد مثالي (الشكل 2). من أمثلة الأحمال الخطية المقاومات والمكثفات والمحاثات ومحركات التيار المتردد التي تعمل في حالة ثابتة من خط التيار المتردد. 

على النقيض من ذلك ، تتغير مقاومة الحمل غير الخطي طوال الدورة الكهربائية للتيار المتردد ، ويسحب الحمل التيار بشكل غير منتظم (الشكل 3). 

نظرًا لأن سحب التيار غير المنتظم ليس جيبيًا ، فهو يحتوي على توافقيات للتردد الأساسي. تعمل التوافقيات الحالية على ممانعات النظام داخل نظام الطاقة الكهربائية للمبنى. مع زيادة عدد التوافقيات وحجمها ، يصبح الجهد المتاح للأحمال الأخرى داخل النظام مشوهًا. في النهاية ، إذا كان التشوه مرتفعًا بدرجة كافية ، فقد يتأثر تشغيل المعدات الأخرى سلبًا (الجدول 1).

باختصار ، ينتج عن التوافقيات الحالية المرتفعة سحب تيار جذر متوسط ​​التربيع أكبر من النظام الكهربائي. يعني التيار المتزايد أن معدات المصادر (الصمامات والأسلاك والمحولات) للنظام يجب أن تكون كبيرة الحجم. بالإضافة إلى ذلك ، مع تدفق التيارات التوافقية عبر ممانعات مقاومة ، يتم فقد حرارة إضافية.

VFD كحمل غير خطي

الإلكترونيات التي تستخدم المقومات أو أشباه الموصلات كمفاتيح أثناء تحويل الطاقة كلها أحمال غير خطية. يحتوي المبنى النموذجي على العديد من الأحمال غير الخطية ، بما في ذلك مصابيح الفلورسنت ؛ المعدات الكهربائية القديمة غير المدفوعة ؛ و VFDs تعمل على تشغيل المصاعد أو أنظمة التدفئة والتهوية وتكييف الهواء (HVAC). عند الاتصال بمصدر طاقة ثلاثي الطور ، يقوم مقوم ذو ست نبضات بإنشاء نبضتين غير خطيتين للتيار خلال كل نصف موجة من جهد التيار المتردد (الشكل 4). 

التوافقيات الحالية الناتجة عن VFD هي دالة لعدد المقومات المستخدمة في مرحلة إدخال VFD ويمكن وصفها بالمعادلة التالية:

ح = kq ± 1

حيث:

ح = ترتيب متناسق

ك = أي عدد صحيح

q = رقم نبض المعدل (على سبيل المثال ، 6 ، 12 ، 18 ، إلخ.)

باستخدام المعادلة ، سيرسم محرك سداسي النبضات التوافقيات الحالية الموجودة في الترتيب الخامس ، والسابع ، والحادي عشر ، والثالث عشر ، وما إلى ذلك. يتحلل حجم التوافقيات الحالية عند الرتب الأعلى ، مع العثور على التوافقيات الأكثر أهمية في محرك سداسي النبضات في الترتيبين الخامس والسابع.

التوافقيات

وفقًا لمعهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات (IEEE) ، يتم تعريف التوافقيات على أنها "مكون جيبي لموجة دورية أو كمية لها تردد يمثل مضاعفًا لا يتجزأ من التردد الأساسي." بالنسبة للتركيبات في أمريكا الشمالية ، فإن التوافقيات الخاصة بمصدر طاقة مرفق بقدرة 60 هرتز ستشمل الترددات المدرجة في الجدول 2.

يسمى المكون الحالي الأساسي المكون الأساسي ، وهو عند تردد الخط. يكون كل تيار توافقي عند تردد محدد n مرة من تردد الخط وله مقدار يعتمد على الحمل. مجموع هذه يخلق التيار الكامل المتدفق في الحمل. فقط المكون الأساسي الحالي يخلق عملاً قابلاً للاستخدام على إخراج الجهاز. يتم تصنيف المكونات التوافقية الأخرى على أنها قوة تفاعلية ولا تخلق أي عمل قابل للاستخدام.

يتفاعل كل مكون من مكونات التيار مع مصدر الجهد من خلال ممانعات النظام الكهربائي. نظرًا لأن بعض الممانعات شائعة في الأحمال المتعددة في المنشأة ، يتم بعد ذلك مشاركة التأثير عبر الأحمال. بهذه الطريقة ، يتشوه جهد الإمداد للأحمال الأخرى بواسطة الجهاز المعني.

يوضح الشكل 6 كيف يمكن أن يؤدي إضافة مكونين متناسقين في الخامس والسابع إلى تشويه الجهد على النظام الكهربائي.

معامل القدرة

يُستخدم عامل القدرة أحيانًا للإشارة إلى مقدار التوافقيات في النظام. يمثل عامل القدرة النسبة بين الطاقة التي يتم وضعها في العمل المفيد (الطاقة النشطة) عند التردد الأساسي وإجمالي الطاقة الكهربائية التي يتم نقلها. مطلوب عامل قدرة واحد (1.00) ويشير إلى أن الحمل يستهلك كل الطاقة المنقولة بشكل مفيد. يتم تجنب عامل القدرة المنخفض ، لأنه يتطلب أن تكون المكونات الكهربائية كبيرة الحجم لاستيعاب نقل الطاقة التفاعلية و / أو التوافقية غير المستخدمة. 

يصف معيار IEEE 519 عنصرين يشكلان عامل القدرة الإجمالي - عامل الإزاحة وعامل التشويه.

PF_{الإجمالي} = الجبهة الوطنية_{الإزاحة} X الجبهة الوطنية_تشويه                                                                    المعادلة 2

PF_{الإزاحة} هي نسبة الطاقة النشطة المستخدمة (مقاسة بالواط) والقدرة التفاعلية (مقاسة بـ V / أمبير) عند التردد الأساسي. يتأثر عامل الإزاحة بمقاومة الحمل ويتم حسابه بقياس انزياح الطور (المعادلة 3) بين الجهد المطبق وتيار الحمل. سيكون لدى VFD بستة نبضات PF عالية نسبيًا_{الإزاحة}، عادة أكبر من 0.9.

PF_{الإزاحة} = cos (ø) المعادلة 3

PF_تشويه هو مكون عامل القدرة يتأثر بالتوافقيات. وهو يمثل النسبة بين جذر متوسط ​​التربيع للتيار عند التردد الأساسي وإجمالي جذر متوسط ​​التربيع للتيار عند جميع الترددات.

PF_تشويه = I _{أساسي، RMS} / I _RMS                                                                 المعادلة 4

معيار IEEE 519-1992

تم تطوير معيار IEEE 519-1992 ، بعنوان "الممارسات والمتطلبات الموصى بها من IEEE للتحكم التوافقي في أنظمة الطاقة الكهربائية ،" من الحاجة إلى تحديد وقياس الجهد المقبول على مستوى النظام والتوافقيات الحالية. شركة المرافق مسؤولة عن تزويد عملائها بجهد جيبي نظيف مع تشوه منخفض. في المقابل ، يتحمل العملاء مسؤولية عدم إنشاء الكثير من التوافقيات الحالية ، وبالتالي التسبب في تشويه غير مرغوب فيه للجهد للعملاء الآخرين. يوفر معيار IEEE 519 أساسًا لقياس التوافقيات ويحدد المستويات التوافقية المقبولة.

PCC

كما هو محدد في معيار IEEE 519 ، يتم تحديد النقطة التي يجتمع فيها النظام الكهربائي للمرافق ونظام المستهلك معًا كنقطة اقتران مشترك (PCC). حرفيا ، هي النقطة الأولى التي يتم فيها توزيع النظام الكهربائي داخل منشأة المستهلك ؛ عادة لوحة التغذية الرئيسية للمنشأة. PCC هو المكان الذي تتجمع فيه جميع الأحمال داخل نظام المستهلك لتقديم حمل موحد إلى الأداة. هذا مهم لأن بعض أحمال المستهلك قد تعوض فعليًا أو تلغي عامل الطاقة المنخفض أو التوافقيات العالية للأحمال الأخرى. نتيجة لذلك ، ترى الأداة إجماليًا لجميع أحمال المستهلك في PCC. غالبًا ما يكون تشويه الحمل الجماعي المقاس عند PCC أفضل من تشويه أي حمل فردي غير خطي.

ومع ذلك ، فإن الدرجة التي يؤثر بها الحمل على المنفعة تعتمد إلى حد كبير على الحجم النسبي وواجب هذا الحمل. على سبيل المثال ، سيكون لمبرد واحد بقوة 200 حصان يعمل بتقنية VFD يعمل في الخدمة المستمرة تأثير أكبر بكثير على النظام الكهربائي للمبنى وحمل المرافق مقارنة بنظام المصعد 40 حصان الذي يعمل بنسبة 50٪ في أحسن الأحوال. يمكن أن تتجاوز التيارات التوافقية من المبرد VFD وحده إجمالي التيار المسحوب من المصعد VFD ، مما يجعل حمل المصعد غير مهم إلى حد ما.

ومع ذلك ، نظرًا لصعوبة الوصول إلى لوحة التغذية الرئيسية للمنشأة من قِبل مقاولي المعدات ، فقد تم اعتماد ممارسة عامة لتطبيق شروط وأحكام معيار IEEE 519 على النظام الكهربائي المحلي الذي يمكن الوصول إليه. عادةً ما يكون هذا هو مفتاح الفصل الذي يغذي الجهاز المعني. لذلك ، من الناحية العملية ، يصبح PCC هو مفتاح الفصل لنظام التبريد. وبالمثل ، فإن فصل نظام المصعد هو PCC لمورد ومقاول التحكم في المصعد. في حين أن هذا ليس صحيحًا من الناحية الفنية وفقًا للمعيار (علاوة على ذلك ، فإن الأداة المساعدة لن تقوم بمثل هذا القياس أبدًا) ، إلا أنها ممارسة مقبولة. النظرية هي أنه إذا كانت جودة الطاقة عند فصل الجهاز متوافقة ، فلا يمكن للمعدات بأي حال من الأحوال التأثير سلبًا على جودة الطاقة داخل المبنى.   

THD مقابل TDD

في حين أن طريقة الحساب متشابهة ، يمكن أن يؤدي التشوه التوافقي الكلي (THD) وتشويه الطلب الكلي (TDD) إلى نتائج رقمية مختلفة بشكل كبير. التعريفات التالية مأخوذة مباشرة من معيار IEEE 519-1992.

يتم حساب THD كنسبة من جذر متوسط ​​التربيع للمحتوى التوافقي إلى قيمة الجذر التربيعي المتوسط ​​للكمية الأساسية ، معبرًا عنها كنسبة مئوية من الأساسي. لنكون واضحين ، هذه قيمة فورية. في لحظة معينة.

يتم حساب TDD على أنه إجمالي تشويه التيار التوافقي الإجمالي لجذر المجموع التربيعي ، بالنسبة المئوية من الحد الأقصى لحمل الطلب الحالي (15 أو 30 دقيقة. طلب). تعتمد هذه الطريقة على الوقت حيث يتم تحديد قيمة التيار الأساسي بمرور الوقت ، ويتم استخدام متوسط ​​هذه القيمة كنقطة مرجعية للحساب. هذا يخلق صورة أكثر دقة لما يسمى بالقيمة الحالية الاسمية. ثم تتم مقارنة التوافقيات الحالية بهذه القيمة المتوسطة طويلة الأجل ، مما يوفر رؤية أكثر دقة حول التأثير على النظام. هذا هو سبب استخدامه في تحديد القيم الحدية المنصوص عليها في معيار IEEE-519.

الحد الأقصى للتيار الأساسي للطلب هو متوسط ​​جميع تيارات الحمل الأساسية الموجودة في PCC. عندما يكون هناك حمل واحد متصل في PCC ، كما في حالة تقييم المعدات الفردي (على سبيل المثال ، مصعد واحد) ، يصبح هذا التيار هو متوسط ​​التيار في هذا الحمل. هذا يميل إلى تعقيد القياس والحساب اللاحق ، لأن المصعد لا يعمل بشكل مستمر. متوسط ​​التيار أقل بكثير من القيمة الآنية. يمكن بعد ذلك أن تتأثر قيمة التشويه المحسوبة الناتجة في أي لحظة بالتحميل وعدد عمليات المصعد بمرور الوقت. للتغلب على هذه المشكلة ، أصبح من الشائع قياس التيار وحساب قيمة THD أثناء تشغيل المصعد عند التحميل الكامل. ستكون هذه نقطة سحب أقصى تيار زائف من النظام الكهربائي ، وبالتالي ، النقطة التي يمكن أن تخلق أكبر تأثير على الأحمال الأخرى داخل المنشأة. 

آثار معاوقة النظام الكهربائي

تؤثر معاوقة النظام الكهربائي الذي يزود PCC على قيمة التشويه. ينتج عن الممانعات الأعلى للنظام عمومًا أنظمة يتم تشويهها بسهولة أكبر بواسطة حمل غير خطي معين. يتم أخذ ذلك في الاعتبار من خلال معيار IEEE 519 من خلال تحديد حدود التشويه بناءً على نسبة تيار الدائرة القصيرة المتاح إلى متوسط ​​تيار الحمل ، I_SC/I_L. عندما تصبح مقاومة النظام أقل ، تصبح النسبة أعلى ؛ لذلك ، يتم زيادة مستوى التشويه المسموح به. يتم تحديد المستويات على النحو التالي:

توضح الأمثلة التالية بعض النقاط المرجعية لـ I_SC/_IL النسب.

مثال 1

افترض أن كل مصعد يتم تغذيته من محول عزل فردي موجود على جانب خط PCC. يتم تحديد حجم المحول بناءً على VA لمحرك المصعد (حيث يكون المحول VA = FLA_محرك × فولت_محرك × 1.73). إذا كان المحول لديه مقاومة حوالي 5٪ ، فإن الناتج I_SC/I_L ستكون حوالي 20. قيم TDD المقبولة ستكون 5٪ إذا كانت النسبة أقل من 20 و 8٪ إذا كانت عند 20 أو أعلى. لاحظ أن هذا يعتبر الحد الأدنى لحجم المحول ، ولن يتم استخدام التكوين عادةً.

عادة ، سيتم النظر في إدخال أمبير الحمل الكامل (FLA) إلى وحدة التحكم عند تغيير حجم المحول ، مما قد يدفع VA للمحول أعلى. والنتيجة هي أن ملف I_SC/_IL سترتفع النسبة إلى ما يقرب من 25-30 ، وستكون قيمة TDD المقبولة 8٪. 

مثال 2

افترض أن بنكًا من أربعة مصاعد يتم تغذيته من محول توزيع وأن المحول موجود على جانب خط PCC. يتم تحديد حجم المحول بناءً على الحمل الجماعي لجميع أدوات التحكم في المصعد الأربعة. إذا كان المحول له مقاومة 5.5٪ ، فإن الناتج I_SC/I_L سيكون حوالي 75 ، مع TDD المقبول هو 12٪.

مثال 3

افترض أن المصعد يتم تغذيته مباشرة من الخط الرئيسي للمنشأة بدون محول. يحتوي المبنى على محول تغذية رئيسي بقدرة 800 كيلو فولت أمبير بمقاومة 6.7٪. تم تصميم وحدة التحكم في المصعد لتشغيل محرك تحريضي بقوة 40 حصان (قياسي 350 إطارًا في الدقيقة و 3,500 رطلاً). النتيجة I_SC/I_L سيكون حوالي 266 ، وسيكون TDD المقبول 15 ٪.

بشكل عام ، تقلل مقاومة المحولات الأعلى من I_SC/I_L النسبة ، في حين أن زيادة حجم المحول يرفع النسبة. بناءً على هذه الأمثلة ، يمكن إثبات أنه في معظم الحالات ، سيكون لتركيب المصعد النموذجي I_SC/I_L تقع النسبة في حدود 20-500. هذا يعني أن قيمة TDD المستهدفة بناءً على معيار IEEE 519 ستكون في نطاق 8-15٪.

طبولوجيا محرك المصعد المتقدم

محرك متجدد

خلال دورة المصعد النموذجية ، يتم وضع الطاقة في النظام وتخزينها وإعادتها. أثناء وضع القيادة ، تتدفق الطاقة من المرفق إلى المحرك ويتم العمل الميكانيكي عندما تتحرك كابينة المصعد. بالإضافة إلى ذلك ، يتم تخزين كل من الطاقة الكامنة والحركية في نظام المصعد وإعادتها إلى محرك الأقراص أثناء وضع التوليد. نظرًا لأن التيار لا يمكن أن يتدفق عبر مقومات الإدخال ، يتم تخزين الطاقة المتجددة في مكثفات ناقل التيار المستمر.

تقليديا ، تم استخدام مقاومات الكبح لتخليص المكثفات من الطاقة المتجددة الزائدة. عندما يتدفق التيار إلى المكثفات ، يزداد الجهد عبر المكثفات. عندما يصل جهد ناقل التيار المستمر إلى عتبة ، يتم إغلاق دائرة المقاوم عبر المكثفات ، ويتدفق التيار عبر مقاوم الكبح ، مما يؤدي إلى تبديد الطاقة الكهربائية الزائدة كحرارة. تمثل الحرارة فقد الطاقة في النظام ، حيث لا يمكن استعادتها. تكون مقاومات الكبح غير فعالة مرتين عندما تكون هناك حاجة إلى طاقة إضافية لتشغيل وحدة تكييف الهواء لتبريد غرفة التحكم.

يمكن استخدام وحدة متجددة بدلاً من مقاومة الكبح ، ويمكن إعادة الطاقة المتجددة إلى الشبكة ، حيث يتم استهلاكها بواسطة أحمال البناء الأخرى. أصبحت وحدات Regen شائعة بشكل متزايد ، حيث يمكنها زيادة كفاءة النظام بشكل كبير وخفض التكلفة الإجمالية لملكية المصعد. 

تتشابه مكونات محركات الاسترجاع مع مكونات VFD بستة نبضات ، باستثناء عدم وجود مرحلة إدخال الصمام الثنائي. يحتوي محرك الاسترجاع على مكثفات ناقل تيار مستمر ومرحلة IGBT تستخدم لإخراج التيار إلى الخط الرئيسي. بالإضافة إلى ذلك ، يتم استخدام محث لتسهيل تدفق التيار ومزامنة التيار مع الجهد والتردد للخط الرئيسي.

عندما يصل جهد ناقل التيار المستمر المقترن إلى عتبة ، فإن دورة IGBT لوحدة الاسترجاع عند نفس تردد الخط ويتدفق التيار مرة أخرى على الخط. وتجدر الإشارة إلى أنه منذ الدورة الوحيدة لوحدة IGBT لوحدة الاسترجاع عند 60 هرتز ، هناك خسائر تحويل أقل أثناء التشغيل من عملية PWM الخاصة بـ VFD. نظرًا لأن IGBTs الخاصة بإعادة توليد التيار تقوم بتحويل التيار إلى الخط بطريقة مماثلة للثنائيات في مقوم سداسي النبضات ، فإن وحدة الاسترجاع سيكون لها محتوى توافقي مماثل أثناء وضع الاسترجاع مثل VFD.

التصفية التوافقية السلبية

يمكن وضع سلسلة من المرشحات التوافقية منخفضة التمرير عند مدخل VFD أو وحدة الاسترجاع لتقليل التيارات التوافقية. يتكون المرشح التوافقي من محاثات ومكثفات ومصمم بحيث يمرر المرشح التيار عند التردد الأساسي ولكنه يحجب التيار عند الترددات الأعلى. على سبيل المثال ، تم تصميم المرشحات التوافقية الحاصلة على براءة اختراع من KEB لتصفية وإلغاء التوافقيات الخامسة ، والسابع ، والحادي عشر ، والثالث عشر ، والسابع عشر ، والتاسع عشر بهدف تحقيق أقل من 11٪ من إجمالي تشوه التيار التوافقي (THiD) عند الحمل المقنن. نظرًا لأن المرشح يعمل في كلا اتجاهي تدفق التيار من وإلى النظام الكهربائي للمبنى ، فيمكن استخدامه مع وحدات الاسترجاع

مرشح KEB الهارمونيك

مع المرشح التوافقي ، عامل القدرة (PF_{الإجمالي}) عادة من 0.99 إلى 1.00. تعتبر المرشحات التوافقية قوية بسبب تصميمها السلبي وتساعد على حماية VFD ووحدة التجديد من الاضطرابات الجانبية أو العابرة. إنها تتجاوز أداء محول العزل ، مما يجعل المحول غير ضروري في الحالات التي يمكن أن تعمل فيها وحدة التحكم مباشرة من جهد المبنى. علاوة على ذلك ، مع تركيب الفلتر التوافقي ، فإن المكثفات الموجودة في ناقل التيار المستمر لوحدة VFD ووحدة الاسترجاع ترى تيار تموج أقل بكثير ، مما ينتج عنه تسخين أقل وزيادة دراماتيكية (تصل إلى ثلاث مرات) في العمر الافتراضي.

وتجدر الإشارة إلى أن المرشح التوافقي يقدم خسائر مقاومة إضافية للنظام. ومع ذلك ، فإن هذه الخسائر صغيرة بالنسبة إلى الطاقة المعادة بواسطة وحدة الاسترجاع. أيضًا ، عندما يكون VFD خاملاً ، يقدم المرشح حمولة سعوية طفيفة للنظام الكهربائي. ومع ذلك ، إذا رغبت في ذلك ، يمكن إيقاف هذا الحمل السعوي. يمكن تصميم المرشحات بطبولوجيا مختلفة لمنع الأوامر التوافقية المختلفة. لذلك ، يمكن أن يختلف الأداء بشكل كبير من مرشح إلى آخر. في بعض الحالات ، إذا لم يكن المرشح مصممًا للتعامل مع التشغيل غير الطبيعي أو صدى النظام ، يمكن أن يتسبب المرشح في إتلاف VFD. لذلك ، من المهم التأكد من مطابقة المرشح مع وحدة القيادة والتجديد واعتماده لتدفق الطاقة ثنائي الاتجاه.

واجهة أمامية نشطة

يتكون نظام الواجهة الأمامية النشطة (AFE) من عاكسين متتاليين. يقوم العاكس الأول بمزامنة نفسه مع جهد الخط ويقوم بفاعلية بتصحيح جهد التيار المتردد إلى تيار مستمر. تستخدم مرحلة المعدل النشط هذه مرشحًا سعويًا حثيًا للربط بخط التيار المتردد. والنتيجة هي تدفق التيار من الخط في موجة جيبية نقية تقريبًا مع تشوه توافقي منخفض ؛ في كثير من الحالات ، يمكن أن يكون أقل من 3٪ THiD. PF_{الإجمالي} منظم بقيمة 1.00. بالإضافة إلى ذلك ، من الضروري وجود مرشح EMI عالي الجودة أمام النظام ، حيث أن المعدل النشط يخلق مستوى عالٍ من EMI للوضع الشائع بالنسبة إلى الأرض الأرضية. يعمل العاكس الثاني كمحرك محرك ويتحكم في المحرك كما كان من قبل ، بغض النظر عن المرحلة الأمامية.

نظرًا لأن AFE يستخدم PWM بتردد ناقل عالٍ ، فإن خسائر التبديل أعلى مقارنةً بتبديل نمط الكتلة لوحدة التجديد. تكون خسائر الحديد PWM في مرشح AFE أعلى أيضًا مقارنة بتلك الموجودة في المرشحات التوافقية ذات الحجم المماثل. لا يمكن توصيل أنظمة AFE إلا بنظام كهربائي متوازن من ثلاث مراحل ، ونظام كهربائي مؤرض مركزي ؛ الأنظمة المتصلة بالدلتا غير مسموح بها. بالإضافة إلى ذلك ، يجب أن تكون جهود المرحلة +/- 5٪ فيما يتعلق ببعضها البعض. يجب استخدام المحول في المباني التي بها نظام كهربائي دلتا قديم أو إذا كانت المراحل غير متوازنة إلى حد كبير. يتجاوز AFE متطلبات معيار IEEE 519 ، لكن الأداء الإضافي يأتي بتكلفة أعلى.

تحليل التكاليف والفوائد

ستة نبضات VFD

VFD بستة نبضات هو الحل الأكثر فعالية من حيث التكلفة لمحرك التيار المتردد ويجب مراعاته في جميع تطبيقات الجر. في التطبيقات الصغيرة (أقل من 30 حصان) ، سوف يساهم VFD القياسي في تشويه توافقي قليل نسبيًا على النظام الكهربائي للمنشأة ، لذلك من المحتمل ألا تكون الحلول الإضافية منخفضة التوافقية اقتصادية. مرة أخرى ، تتمثل مزايا VFD سداسي النبضات في بساطته وموثوقيته وتوفير الطاقة من خلال التحكم المحسن.

مفاعل الإدخال (مع VFD)

يوصى بشدة باستخدام مفاعل الإدخال أو الاختناق عند مدخل VFD في كل تطبيق من تطبيقات VFD. مفاعل الإدخال هو استثمار متواضع نسبيًا وسيحسن بشكل كبير التشوه التوافقي لـ VFD. سيؤدي استخدام مفاعل الإدخال إلى خفض قيمة THiD لعامل VFD سداسي النبضات من حوالي 80٪ إلى 45٪. يتمتع مفاعل الإدخال أيضًا بميزة إضافية تتمثل في تقليل تيارات الذروة في المقومات ومكثفات ناقل التيار المستمر. نتيجة لذلك ، عادةً ما يتضاعف العمر التشغيلي لمكثف ناقل التيار المستمر عند استخدام مفاعل الإدخال. لاحظ أن محول عزل محرك الأقراص سيحقق أيضًا نفس النتيجة ولكن المحول هو ثمانية إلى 10 أضعاف تكلفة الخانق.   

ريجين درايف

يجب اختيار التطبيقات التي تستخدم محرك أقراص الاسترجاع بعناية لضمان تحقيق مردود معقول. نظرًا لكفاءتها العالية ، يجب مراعاة جميع التطبيقات التي تستخدم محركات مغناطيسية دائمة بدون تروس. تعتبر التركيبات عالية الخدمة حيث تعمل المصاعد على مدار الساعة طوال أيام الأسبوع مرشحة رائعة لوحدات التجديد - تشمل التركيبات المحتملة المستشفيات والفنادق والمطارات. يجب أيضًا مراعاة السرعة العالية (> 24 إطارًا في الدقيقة) والسعة العالية (> 7 رطل) بشدة ، حيث توفر الكتلة المتحركة الكبيرة بسرعات عالية عوائد كبيرة من الطاقة - تشمل هذه التركيبات سيارات الشحن ومباني المكاتب وما إلى ذلك. لن تقوم التطبيقات الموجهة للديدان منخفضة السعة وغير الفعالة بتجديد الكثير من الطاقة ، لذا فإن وحدة التجديد توفر قيمة قليلة في هذه الحالات. 

عادةً ما توفر إضافة وحدة التجديد أسرع عائد على الاستثمار وتوفر أكبر زيادة في كفاءة تشغيل نظام المصعد. حتى المصاعد الحالية التي تعمل بمحرك VFD يمكن ترقيتها بسهولة بوحدة تجديد قائمة بذاتها (على سبيل المثال ، صندوق تحكم صغير يتم تركيبه خارج اللوحة الرئيسية). ستمنح معظم الأدوات المساعدة خصومات أو أرصدة موازنة بناءً على الترقية إلى وحدة التجديد أو تثبيتها. نظرًا لأن وحدة التجديد تساهم في التوافقيات أثناء عملية التجديد ، فقد يتم النظر في بعض التخفيف التوافقي من خلال المرشحات في تطبيقات معينة. ومع ذلك ، فقد أظهرت عمليات تدقيق الطاقة أن المصاعد تمثل كمية منخفضة نسبيًا من استهلاك الطاقة في المبنى - حوالي 3-5 ٪ من إجمالي المبنى.^[3]  هذا مهم ، لأنه يعني أن هناك أحمال بناء أخرى ، مثل أنظمة التدفئة والتهوية وتكييف الهواء (HVAC) أو أنظمة الإضاءة ، والتي من المحتمل أن تساهم بشكل أكبر في التوافقيات في النظام الكهربائي للمبنى أكثر من المصعد.

مرشح توافقي سلبي من السلسلة (مع VFD و / أو إعادة إنشاء)

يوفر المرشح التوافقي أداءً ممتازًا للتخفيف التوافقي بسعر مناسب ، ويجب مراعاته كلما كان هناك متطلب للوفاء بمعيار IEEE 519. يمكن عادةً وضع المرشح في خزانة التحكم في المصعد ، لذلك لا يتطلب حاوية منفصلة - وهذا يساعد على خفض التكلفة الأولية وهو حل جيد لغرف المحركات الأصغر. يزيل المرشح تمامًا الحاجة إلى محول العزل عندما تكون وحدة التحكم و جهد المبنى متماثلين. في هذه الحالة ، فإن التوفير في تكلفة هذا المحول يلغي التكلفة الإضافية للمرشح. نظرًا لأن المرشح سلبي ، فإنه لا يتطلب التحكم في إلكترونيات منفصلة. في النهاية ، يوفر هذا نظامًا أكثر قوة.

AFE

يوفر AFE أفضل أداء توافقي وهو قادر بطبيعته على إعادة توليد الطاقة إلى الخط. ومع ذلك ، يحتوي AFE على مكونات أكثر بكثير ويتطلب نظام تحكم أكثر تعقيدًا من الحلول الأخرى. علاوة على ذلك ، فإن هذا النوع من النظام أكبر فعليًا من مجموعة مماثلة لمحرك الأقراص / إعادة توليد / مرشح. ومع ذلك ، مع زيادة مستوى الطاقة النسبي ، يصبح حل AFE أكثر انسجامًا مع حل الفلتر / التجديد من حيث التكلفة والحجم.   

التكلفة الأولية العالية وحجم محرك المصعد AFE يحدان من فائدته في التركيبات ذات الطاقة الأعلى فقط (> 50 حصانًا) ، حيث تكون التكاليف مرتفعة بالفعل بسبب سرعة أو سعة المصعد. من المحتمل أيضًا أن تكون بعض التركيبات (مثل مراكز البيانات والمستشفيات والمطارات) ذات متطلبات جودة الطاقة الصارمة مرشحة لمحركات مصاعد AFE.

خاتمة

عندما يتعلق الأمر بالتخفيف التوافقي ، فلا شيء مجاني. تتطلب المكونات الإضافية المطلوبة للتخفيف من توافقات محرك الأقراص مزيدًا من التعبئة وإضافة تكلفة أولية إلى وحدة التحكم في المصعد. ومع ذلك ، يمكن تحقيق الاسترداد في النهاية في شكل مكونات كهربائية أصغر ، وطاقة متجددة ، وخصومات على المرافق ، وزيادة العمر التشغيلي لمكونات النظام الأخرى.

يُقصد بمعيار IEEE 519 أن يكون بمثابة دليل ويوفر أهدافًا لجودة طاقة مقبولة. ليس من الناحية الاقتصادية أو المجدية أن يلبي كل مصعد هذه المتطلبات ، حيث سيكون للأحمال الأخرى داخل المبنى تأثير مهيمن. في النهاية ، سيحتاج مالك المبنى أو المستشار إلى تقييم تقنيات القيادة المختلفة والمردودات لمعرفة ما إذا كان الاستثمار الإضافي لمحركات التجديد والتخفيف التوافقي يبرر الفوائد.

• 

• 

• 

• 

• 

• 

• 

• 

• 

• 

• 

• 

• 

• 

• 

• 

• 

• 

أسئلة تعزيز التعلم

♦ ما هو الحمل غير الخطي وكيف يتسبب في تشويه الجهد؟
♦ ما هو معامل القدرة الكلي ، وكيف يرتبط بالتوافقيات الحالية؟
♦ كيف يتم تشويه جهد النظام بواسطة التوافقيات الحالية؟
ما هي الطرق المختلفة المستخدمة لتقليل التوافقيات الحالية؟

مراجع حسابات
[1] الممارسات والمتطلبات الموصى بها من IEEE للتحكم التوافقي في أنظمة الطاقة الكهربائية ، IEEE Standard 519 ، 1992.
[2] تقييمات الامتثال للحدود التوافقية باستخدام IEEE 519-1992 ، S. Mark Halpin 1 و Reuben F. Burch ، IV2
[3] ISR- جامعة كويمبرا. "المصاعد والسلالم الكهربائية الموفرة للطاقة." الإنترنت: www.e4project.eu ، مارس 2010. [3 أكتوبر 2010].