يعتمد الكبح التجديدي (Regenerative Braking)، المعروف أيضاً بالكبح المرتد للطاقة، على تقنية العكس الفعال (Active Inversion) لتحويل الطاقة التجديدية الناتجة أثناء تباطؤ المحرك أو توقفه إلى تيار متردد (AC) يتوافق بدقة مع تردد وطور وجهد الشبكة الكهربائية. يتم إرسال هذه الطاقة مباشرة إلى الشبكة، مما يتيح إعادة تدوير الطاقة وحل مشكلة “ضخ الجهد” (Voltage Pumping) في ناقل التيار المستمر (DC Bus) من جذورها، مع تحقيق وفر كبير في الاستهلاك. وباعتباره حلاً متطوراً للكبح في أنظمة محولات التردد (VFD)، فهو يدعم تشغيل المحرك في الأرباع الأربعة (Four-quadrant operation)، ويعد مثالياً للتطبيقات الصناعية ذات الأحمال الكامنة أو الكبح المتكرر.
المكونات الأساسية
يتكون نظام الكبح التجديدي بشكل رئيسي من أربعة أجزاء: وحدة التجديد (العاكس الفعال)، دائرة الفلترة، دائرة الكشف والتحكم، ودائرة الحماية. في بعض المنتجات المتكاملة، يتم تجميع الوحدات الأساسية في خزانة كبح تجديدي مخصصة لمحولات التردد ذات القدرات العالية.
وحدة التجديد (Inverter Unit)
هي قلب النظام، وتتكون من قنطرة عاكس عالية القدرة (تعتمد على أشباه موصلات القدرة مثل IGBT)، وهي المسؤولة عن تحويل التيار المستمر (DC) إلى تيار متردد (AC). تقوم بالتحكم بدقة في تردد وطور وسعة الجهد المعكوس ليتطابق مع معايير الشبكة.
دائرة الفلترة (Filter Circuit)
تتضمن مكونات مثل المفاعلات (Reactors) والمكثفات، وتستخدم لكبح التوافقيات (Harmonics) الناتجة عن عملية العكس، وتقليل التلوث التوافقي للشبكة، وتثبيت تيار التغذية المرتدة.
دائرة الكشف والتحكم (Control Circuit)
تقوم بمراقبة جهد الشبكة وترددها وطورها في الوقت الفعلي، بالإضافة إلى مراقبة جهد ناقل التيار المستمر للمحول. تعمل خوارزمية التحكم المغلقة (Closed-loop) على ضبط حالة تشغيل قنطرة العاكس لضمان التزامن واستقرار استعادة الطاقة.
دائرة الحماية (Protection Circuit)
توفر حماية ضد الجهد الزائد، التيار الزائد، فقدان الطور، خطأ تتابع الأطوار، وتجاوز تذبذب الشبكة المسموح به. عند تجاوز تذبذب جهد الشبكة نسبة 15% أو حدوث عطل، تقوم الدائرة فوراً بقطع اتصال التغذية المرتدة لتجنب فشل التبديل وتلف الأجهزة.
1. مبدأ العمل
1.1. عندما يتباطأ المحرك أو يتوقف أو يحرر طاقة كامنة (مثل رافعة تنزل حمولة)، فإنه يحافظ على سرعة عالية بسبب القصور الذاتي الميكانيكي. تصبح السرعة التزامنية أقل من سرعة الدوار، مما يحول المحرك إلى وضع المولد. يتم تقويم الطاقة الكهربائية المتولدة وإعادتها إلى ناقل التيار المستمر في محول التردد، مما يؤدي لارتفاع جهد الناقل (Ud).
1.2. بمجرد وصول جهد ناقل التيار المستمر إلى حد التشغيل المحدد لوحدة التجديد، تقوم دائرة الكشف بالتقاط إشارات جهد وتردد وطور الشبكة، وتبدأ وحدة التحكم بتشغيل قنطرة العاكس.
1.3. تقوم قنطرة العاكس بتحويل الطاقة المستمرة من الناقل إلى تيار متردد ثلاثي الأطوار بنفس تردد وطور وسعة الشبكة. وبعد تمريرها عبر دائرة الفلترة لإزالة التوافقيات، يتم ضخ الطاقة مرة أخرى في الشبكة الكهربائية.
1.4. عندما ينخفض جهد ناقل التيار المستمر إلى حد التوقف، يتوقف العاكس عن العمل. وتتكرر هذه الدورة ديناميكياً للحفاظ على جهد ناقل التيار المستمر ضمن النطاق الآمن دائماً.
2. عملية الكبح
2.1. توليد الطاقة: يعمل المحرك في وضع الكبح التجديدي، ويعيد الطاقة إلى دائرة التيار المستمر في المحول، مما يرفع جهد الناقل.
2.2. تفعيل الحد: عند وصول الجهد للحد المحدد، تبدأ الدائرة بمعاينة معايير الشبكة في الوقت الفعلي وتنتقل وحدة التحكم إلى وضع التشغيل.
2.3. العكس الفعال: يقوم العاكس بتحويل طاقة التيار المستمر إلى تيار متردد مطابق لمعايير الشبكة بناءً على إشارة المعاينة، ثم يعيدها للشبكة بعد الفلترة.
2.4. استقرار الجهد: مع استمرار عودة الطاقة، ينخفض جهد ناقل التيار المستمر تدريجياً، وعند وصوله لحد التوقف، تنتهي عملية العكس.
2.5. المراقبة الدورية: يراقب النظام الجهد باستمرار، وإذا ارتفع مجدداً، تتكرر عملية العكس والتغذية المرتدة لضمان سلامة المحول والمحرك.
3. مميزات الكبح التجديدي
3.1. استعادة الطاقة وكفاءة عالية: يتم إعادة الطاقة للشبكة لاستخدامها مجدداً، مما يوفر استهلاك الكهرباء بشكل كبير في التطبيقات ذات الأحمال عالية القصور الذاتي أو الكبح المتكرر.
3.2. انعدام الفقد الحراري: لعدم استخدام مقاومة كبح لتشتيت الطاقة، يتم تجنب توليد الحرارة الزائدة، مما يقلل الحاجة لأنظمة التبريد الإضافية ويحسن بيئة العمل.
3.3. عزم كبح مستقر وتشغيل رباعي الأرباع: يوفر عزماً ثابتاً أثناء الكبح ويدعم الدوران في الاتجاهين (الأمامي والخلفي) مع الكبح، وهو مثالي للرافعات والمصاعد ومعدات التعدين.
3.4. تكاليف تشغيل منخفضة على المدى الطويل: رغم ارتفاع التكلفة الاستثمارية الأولية، إلا أن توفير الطاقة يعوض التكاليف خلال دورة حياة المعدة، بالإضافة لتوفير تكاليف صيانة واستبدال مقاومات الكبح.
4. الاختيار واحتياطات الاستخدام
4.1. أسس الاختيار
- معايير الشبكة: التأكد من مستوى الجهد وعدد الأطوار ونطاق التذبذب (يجب ألا يتجاوز ±15%).
- قدرة التجديد: حساب ذروة ومتوسط قدرة الطاقة المتولدة بناءً على قدرة المحرك وتكرار الكبح وزمن التباطؤ.
- خصائص الحمل: للأحمال الكامنة، يجب مراعاة قدرة التجديد عند أقصى سرعة نزول مع ترك هامش أمان بمقدار 1.2 إلى 1.5 مرة.
- التوافق الكهرومغناطيسي: اختيار المفاعلات والفلاتر المناسبة وفقاً لمعايير جودة الشبكة الصناعية.
4.2. احتياطات الاستخدام
4.2.1. يجب تركيب قاطع عزل بين وحدة التجديد والشبكة، والتأكد من كفاية قطر كابلات التوصيل بناقل التيار المستمر لتقليل الفقد.
4.2.2. فحص مكونات القدرة والحساسات دورياً واستبدال القطع المتقادمة لتجنب أي أعطال قد تؤثر على استقرار الشبكة.
4.2.3. في حال عدم استقرار الشبكة، يمكن إضافة منظم جهد لتحسين قدرة النظام على التكيف.
4.2.4. يتطلب نظام الكبح التجديدي تأريضاً منفصلاً ومستقلاً عن نظام تأريض المحول لتجنب التداخلات.
5. مجالات التطبيق
يعد الكبح التجديدي مناسباً للمنشآت الصناعية ذات الشبكات المستقرة والمتطلبات العالية لتوفير الطاقة، وخاصة للأحمال الكامنة وعالية القصور الذاتي، وتشمل:
5.1. معدات الرفع: المصاعد، السلالم المتحركة، الأوناش، الرافعات البرجية، رافعات المناجم، ومنصات الرفع الهيدروليكية.
5.2. معدات النقل عالية القصور الذاتي: أجهزة الطرد المركزي الكبيرة، آلات الدرفلة، وحدات ضخ النفط، ورافعات الموانئ الجسرية.
5.3. المعدات متكررة العكس: مغازل آلات التشغيل، معدات النقل الميتالورجية، وسيور النقل في المناجم.
حالات غير مناسبة: ظروف التشغيل ذات التذبذب الشديد في جهد الشبكة أو التلوث التوافقي العالي، والأحمال البسيطة ذات تكرار الكبح المنخفض (مثل المراوح الصغيرة والمضخات العادية) حيث لا تكون الجدوى الاقتصادية واضحة.
اَلْعَرَبِيَّةُ 
