كيفية تقليل الضرر في الأحمال غير الخطية

1. لماذا أصبحت الأحمال غير الخطية منتشرة في كل مكان في حياتنا اليومية؟

السبب الرئيسي هو التقدم التكنولوجي وسعينا الدؤوب لتحقيق الكفاءة والتحكم. جوهر الأحمال غير الخطية هو... الأجهزة الإلكترونية القوية التي تتحكم بدقة في الطاقة الكهربائية من خلال التبديل السريع.

وفيما يلي الأسباب المحددة لانتشارها في كل مكان:

1. الطلب على توفير الطاقة وكفاءتها :

   • الطريقة التقليدية كانت الأجهزة القديمة (مثل المصابيح المتوهجة والسخانات المقاومة) تستهلك الطاقة مباشرةً، مما كان غير فعال. على سبيل المثال، لم يكن تعديل سرعة المحرك ممكنًا إلا باستخدام الصمامات أو المخمدات، مما أدى إلى هدر كبير للطاقة.

   • الطريقة الحديثة يتيح استخدام محركات التردد المتغير (VFDs) لتشغيل المضخات والمراوح والضواغط ضبط سرعة المحرك بدقة بناءً على الحاجة الفعلية، مما يوفر ما يصل إلى 30%-50% من الطاقة. وقد أدى هذا المحرك الاقتصادي القوي إلى انتشار استخدام محركات التردد المتغير في مكيفات الهواء والثلاجات والمصاعد وخطوط الإنتاج الصناعية. خلف كل ملصق توفير الطاقة الذي تراه، من المحتمل أن يكون هناك حمل غير خطي.

2. الطلب على الاستخبارات والسيطرة :

   • تتطلب جميع أجهزتنا الإلكترونية تقريبًا تيارًا مستمرًا (DC) للعمل، بينما تُزوّد الشبكة الكهربائية بالتيار المتردد (AC). لذلك، يحتاج كل جهاز إلى مصدر الطاقة في الوضع المبدل (SMPS) لتحويل التيار المتردد إلى التيار المستمر.

   • أمثلة :شاحن الهاتف، ومحول الطاقة للكمبيوتر المحمول، والتلفزيون، وجهاز توجيه Wi-Fi، ومشغل الإضاءة LED - كل هذه الأجهزة تحتوي على لوحة دائرة صغيرة (SMPS) بالداخل، مما يجعلها أحمالًا غير خطية كلاسيكية.

3. انخفاض التكاليف وانتشار التكنولوجيا :

   • أدت التطورات السريعة في تكنولوجيا أشباه الموصلات (مثل ترانزستورات IGBT وMOSFET) إلى خفض تكلفة الأجهزة الإلكترونية الكهربائية بشكل كبير وزيادة موثوقيتها. وقد سمح هذا للتكنولوجيا، التي كانت مقتصرة في السابق على المعدات الصناعية المتطورة، بالانتشار في أكثر الأجهزة المنزلية شيوعًا.

باختصار، نعيش في عصرٍ تُسيطر عليه "مصادر الطاقة المُبدّلة" و"تقنيات التردد المتغير". هذه التقنيات تحديدًا هي التي تُوفّر الطاقة والذكاء والراحة، ولكنها تُثير أيضًا مشكلة التلوث التوافقي.

II. لماذا تُشكّل الأحمال غير الخطية ضررًا كبيرًا على شبكة الكهرباء؟

الأحمال غير الخطية تسحب تيارًا غير جيبي مشوه من الشبكة، كما لو كنت تستخدم ماصة مشوهة للشرب؛ فهي ليست غير فعالة فحسب، بل تُسبب أيضًا خللًا في الزجاج بأكمله (الشبكة). ضررها جهازي.

ثالثًا: كيف نخفف من أضرار التوافقيات؟

ويتطلب التخفيف من آثار تغير المناخ اتباع نهج شامل يأخذ في الاعتبار "المصدر" و"المسار" و"النظام" ككل.

1. التخفيف السلبي (الوقاية من المصدر)

• اختر معدات عالية الأداء اختر معداتٍ تتوافق مع المعايير العالية (مثل IEEE 519 وIEC 61000-3-2/4/6). تتميز هذه الأجهزة بدوائر طاقة مُحسّنة تُولّد بطبيعتها مستوياتٍ أقل من التوافقيات.

• إضافة المفاعلات المضمنة :التثبيت مفاعلات خط التيار المتردد عند مدخل محركات التردد المتغير (VFDs) وأنظمة UPS، إلخ، يُمكن تنعيم التيار بفعالية، مما يُقلل THDi من حوالي 50% إلى حوالي 35%. هذه هي الطريقة الأكثر فعالية من حيث التكلفة لكبح المصدر.

2. التخفيف النشط (الاعتراض على المسار)

هذا هو الحل الأكثر فعالية وانتشارًا، والذي يستخدم أجهزة إلكترونية قوية للتعويض الديناميكي.

• مرشح الطاقة النشط (APF) :

  • كيف يعمل :يقوم بمراقبة تيار الحمل بشكل مستمر، ويستخدم شريحة DSP لعزل المكونات التوافقية على الفور، ثم يستخدم عاكس IGBT لتوليد تيار تعويضي متساويان في المقدار ولكن متعاكسان في الطور إلى التوافقيات، وحقنها مرة أخرى في الشبكة لإلغائها بدقة.

  • سمات استجابة فائقة السرعة (أقل من ١ مللي ثانية)، قادرة على تصفية جميع التوافقيات من الثانية إلى الخمسين وما بعدها في آنٍ واحد، كما يمكنها تعويض القدرة التفاعلية وتيارات التوازن. الحل المفضل للتخفيف من التوافقيات الناتجة عن الأحمال غير الخطية.

• مولد المتغيرات الثابتة (SVG) :

  • كيف يعمل :يُركز على تعويض القدرة التفاعلية الديناميكية لتثبيت جهد الشبكة. مع أنه لا يُرشِّح التوافقيات مباشرةً، إلا أنه يُحل مشاكل تأثير القدرة التفاعلية وتقلب الجهد الناتج عن الأحمال غير الخطية. يُستخدم غالبًا بالتزامن مع مُرشِّحات القدرة التفاعلية (APF) أو يُدمج في الأجهزة الهجينة (Hybrid-APF).

3. التخفيف النظامي (التصميم على المستوى العالمي)

• التأريض والأسلاك السليمة :توفير دوائر مستقلة مخصصة للمعدات الحساسة واستخدام أنظمة التأريض ذات النقاط النجمية لتقليل التداخل.

• القياس والتصميم المهني :

  1. قياس :أولا، استخدم محلل جودة الطاقة لقياس النظام وتحديد ترتيب وحجم ومصدر التوافقيات.

  2. تصميم بناءً على نتائج القياس، اختر حل التخفيف الأنسب وسعة الجهاز. يمكن اتباع النهج التالي: التخفيف المحلي (تركيب جهاز عند مصدر مولد توافقي كبير) أو التخفيف المركزي (تركيب نظام على المحول التوزيعي الرئيسي لمعالجة النظام بأكمله).

ملخص

• الأحمال غير الخطية موجودة في كل مكان لأنها نتيجة حتمية لـ فعالة وموفرة للطاقة وذكية التقنيات.

• هُم الضرر الذي يلحق بالشبكة كبير لأنها تلوث طاقة التيار المتردد الجيبية النقية، مما يسبب سلسلة من المشاكل النظامية تتراوح من ارتفاع درجة الحرارة والخسائر إلى فشل المعدات.

• ال الطريق إلى التخفيف يكمن في: منع المصدر + الاعتراض النشط (APF/SVG) + تصميم النظام .

بالنسبة لنا كأفراد، يُعد اختيار الأجهزة عالية الجودة مساهمة بسيطة في جودة الطاقة. أما بالنسبة لجهات مثل الشركات والمستشفيات ومراكز البيانات والمباني التجارية، فلم تعد الإدارة الفعالة لجودة الطاقة مجرد نفقة، بل استثمارًا ضروريًا لضمان إنتاج آمن، وخفض تكاليف التشغيل، وتعزيز القدرة التنافسية.