إلكترونيات الطاقة

📅 آخر تحديث: ٢٢ يوليو ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٢٢ يوليو ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 13 صور
الموسوعة الحرة
برج صمامات ثايرستور لنقل التيار المستمر عالي الجهد، يبلغ ارتفاعه 16.8 مترًا، في قاعة تابعة لشركة Baltic Cable AB في السويد. 
شاحن البطارية هو مثال على قطعة من إلكترونيات الطاقة.
يُعد مصدر الطاقة الخاص بجهاز الكمبيوتر مثالاً على قطعة من إلكترونيات الطاقة، سواء كانت داخل أو خارج الخزانة.

إلكترونيات الطاقة هي تطبيق الإلكترونيات للتحكم في الطاقة الكهربائية وتحويلها .

صُنعت أولى الأجهزة الإلكترونية عالية الطاقة باستخدام صمامات قوس الزئبق . في الأنظمة الحديثة، يتم التحويل باستخدام أجهزة تبديل أشباه الموصلات مثل الثنائيات والثايرستورات وترانزستورات الطاقة مثل MOSFET و IGBT . على عكس الأنظمة الإلكترونية المعنية بنقل ومعالجة الإشارات والبيانات، تُعالج كميات كبيرة من الطاقة الكهربائية في إلكترونيات الطاقة. يُعد محول التيار المتردد/المستمر ( المقوم ) أكثر أجهزة إلكترونيات الطاقة شيوعًا، ويوجد في العديد من الأجهزة الإلكترونية الاستهلاكية، مثل أجهزة التلفزيون وأجهزة الكمبيوتر الشخصية وشواحن البطاريات ، وغيرها . يتراوح نطاق الطاقة عادةً من عشرات الواط إلى عدة مئات من الواط. في الصناعة، من التطبيقات الشائعة محرك السرعة المتغيرة (VSD) الذي يُستخدم للتحكم في المحرك الحثي . يبدأ نطاق طاقة محركات السرعة المتغيرة من بضع مئات من الواط وينتهي عند عشرات الميغاواط .

يمكن تصنيف أنظمة تحويل الطاقة وفقًا لنوع الطاقة الداخلة والخارجة:

تاريخ

بدأت إلكترونيات القدرة بتطوير مقوم قوس الزئبق. اخترعه بيتر كوبر هيويت عام 1902، وكان يُستخدم لتحويل التيار المتردد (AC) إلى تيار مستمر (DC). ومنذ عشرينيات القرن العشرين، استمر البحث في تطبيق الثايراترونات وصمامات قوس الزئبق المُتحكم بها بالشبكة لنقل الطاقة. طور أونو لام صمام زئبقيًا بأقطاب كهربائية متدرجة، مما جعله مناسبًا لنقل الطاقة بالتيار المستمر عالي الجهد . وفي عام 1933، تم اختراع مقومات السيلينيوم. [ 1 ]

اقترح يوليوس إدغار ليليينفيلد مفهوم ترانزستور تأثير المجال عام 1926، لكن لم يكن من الممكن حينها تصنيع جهاز عملي. [ 2 ] في عام 1947، اخترع والتر إتش. براتين وجون باردين ترانزستور ثنائي القطبية ذو نقطة التلامس تحت إشراف ويليام شوكلي في مختبرات بيل . وفي عام 1948، حسّن اختراع شوكلي لترانزستور الوصلة ثنائية القطبية (BJT) استقرار الترانزستورات وأداءها ، وخفّض تكلفتها. وبحلول خمسينيات القرن العشرين، أصبحت ثنائيات أشباه الموصلات ذات القدرة العالية متاحة وبدأت تحل محل الصمامات المفرغة . وفي عام 1956، طرحت شركة جنرال إلكتريك مقوم السيليكون المتحكم به (SCR) ، مما زاد بشكل كبير من نطاق تطبيقات إلكترونيات القدرة. [ 3 ] وبحلول ستينيات القرن العشرين، سمحت سرعة التبديل المحسّنة لترانزستورات الوصلة ثنائية القطبية بتطوير محولات تيار مستمر/تيار مستمر عالية التردد.

قدّم آر دي ميدلبروك إسهاماتٍ مهمة في مجال إلكترونيات القدرة. ففي عام 1970، أسس مجموعة إلكترونيات القدرة في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا (كالتك) . [ 4 ] وقد طوّر طريقة تحليل متوسط ​​فضاء الحالة، بالإضافة إلى أدوات أخرى بالغة الأهمية لتصميم إلكترونيات القدرة الحديثة. [ 5 ]

موسفت الطاقة

في عام 1957، تمكن فروتش وديريك من تصنيع أول ترانزستورات تأثير المجال المصنوعة من ثاني أكسيد السيليكون في مختبرات بيل، وهي أول ترانزستورات يكون فيها المصرف والمصدر متجاورين على السطح. [ 6 ] لاحقًا، قاد داوون كانغ فريقًا من مختبرات بيل في عام 1960، حيث قدموا ورقة بحثية تُظهر ترانزستور MOSFET عاملًا . ضمّ الفريق كلًا من إي إي لابيت وإي آي بوفيلونيس اللذين قاما بتصنيع الجهاز؛ وإم أو ثورستون، وإل إيه داسارو، وجيه آر ليجينزا الذين طوروا عمليات الانتشار؛ وإتش كيه جوميل وآر ليندنر اللذين قاما بتوصيف الجهاز. [ 7 ] [ 8 ]

في عام 1969، قدمت هيتاشي أول ترانزستور MOSFET رأسي للطاقة، [ 9 ] والذي عُرف لاحقًا باسم VMOS (ترانزستور MOSFET ذو الأخدود V). [10] ومنذ عام 1974، بدأت شركات ياماها، وجيه في سي، وبايونير، وسوني، وتوشيبا بتصنيع مضخمات صوتية مزودة بترانزستورات MOSFET للطاقة . [ 11 ] وفي عام 1978 ، قدمت شركة إنترناشونال ريكتيفاير ترانزستور MOSFET للطاقة بقدرة 25 أمبير و400 فولت. [ 12 ] يتيح هذا الجهاز التشغيل بترددات أعلى من الترانزستور ثنائي القطب، ولكنه يقتصر على تطبيقات الجهد المنخفض.  

يُعدّ ترانزستور MOSFET من أكثر أجهزة الطاقة شيوعًا في العالم، وذلك بفضل استهلاكه المنخفض لطاقة تشغيل البوابة، وسرعة التبديل العالية، [ 13 ] وسهولة توصيله بالتوازي المتقدم، [ 13 ] [ 14 ] وعرض نطاقه الترددي الواسع ، ومتانته، وسهولة تشغيله، وبساطة تحيزه، وسهولة استخدامه، وسهولة صيانته. [ 14 ] وله تطبيقات واسعة في مجال إلكترونيات الطاقة، مثل أجهزة المعلومات المحمولة ، ودوائر الطاقة المتكاملة، والهواتف المحمولة ، وأجهزة الكمبيوتر المحمولة ، والبنية التحتية للاتصالات التي تُمكّن الإنترنت . [ 15 ]

في عام 1982، تم طرح الترانزستور ثنائي القطب ذو البوابة المعزولة (IGBT). وأصبح متاحًا على نطاق واسع في التسعينيات. يتميز هذا المكون بقدرة تحمل الطاقة للترانزستور ثنائي القطب، بالإضافة إلى مزايا قيادة البوابة المعزولة لترانزستور MOSFET.

الأجهزة

تتحدد قدرات وكفاءة أنظمة إلكترونيات الطاقة بالأجهزة الفعالة المتاحة. وتُعد خصائص هذه الأجهزة وقيودها عنصرًا أساسيًا في تصميم أنظمة إلكترونيات الطاقة. في السابق، كان صمام قوس الزئبق ، ومقومات التيار المتردد ثنائية الأيونات المملوءة بالغاز والمفرغة من الهواء، والأجهزة المُشغَّلة مثل الثايراترون والإغنيترون ، شائعة الاستخدام في إلكترونيات الطاقة. ومع تحسن تصنيفات أجهزة الحالة الصلبة من حيث قدرة تحمل الجهد والتيار، حلت أجهزة الحالة الصلبة محل أجهزة التفريغ بشكل شبه كامل.

يمكن استخدام أجهزة إلكترونيات القدرة كمفاتيح أو كمضخمات. [ 16 ] المفتاح المثالي إما مفتوح أو مغلق، وبالتالي لا يبدد أي طاقة؛ فهو يتحمل جهدًا مطبقًا ولا يمرر أي تيار، أو يمرر أي مقدار من التيار دون أي انخفاض في الجهد. يمكن لأجهزة أشباه الموصلات المستخدمة كمفاتيح أن تقترب من هذه الخاصية المثالية، ولذلك تعتمد معظم تطبيقات إلكترونيات القدرة على تشغيل وإيقاف الأجهزة، مما يجعل الأنظمة عالية الكفاءة نظرًا لقلة الطاقة المهدرة في المفتاح. في المقابل، في حالة المضخم، يتغير التيار المار عبر الجهاز باستمرار وفقًا لمدخل مُتحكم به. يتبع الجهد والتيار عند أطراف الجهاز خط الحمل ، ويكون تبديد الطاقة داخل الجهاز كبيرًا مقارنةً بالطاقة المُقدمة للحمل.

تُحدد عدة خصائص كيفية استخدام الأجهزة. فبعض الأجهزة، مثل الثنائيات، تُوصل التيار عند تطبيق جهد أمامي، ولا يوجد تحكم خارجي في بدء التوصيل. أما أجهزة الطاقة، مثل مقومات السيليكون المُتحكم بها والثايرستورات (وكذلك صمام الزئبق والثايراترون )، فتسمح بالتحكم في بدء التوصيل، ولكنها تعتمد على انعكاس دوري لتدفق التيار لإيقافها. بينما توفر أجهزة أخرى، مثل الثايرستورات ذات إيقاف البوابة، وترانزستورات ثنائية القطبية (BJT) وترانزستورات MOSFET ، تحكمًا كاملًا في التبديل، ويمكن تشغيلها أو إيقافها بغض النظر عن تدفق التيار عبرها. كما تسمح أجهزة الترانزستور بالتضخيم النسبي، ولكن نادرًا ما يُستخدم هذا في الأنظمة التي تزيد قدرتها عن بضع مئات من الواط. وتؤثر خصائص مدخل التحكم للجهاز بشكل كبير على التصميم؛ ففي بعض الأحيان، يكون مدخل التحكم عند جهد عالٍ جدًا بالنسبة للأرض، ويجب تشغيله بواسطة مصدر معزول.

بما أن الكفاءة لها أهمية قصوى في محولات الطاقة الإلكترونية، فإن الخسائر الناتجة عن جهاز الطاقة الإلكترونية يجب أن تكون منخفضة قدر الإمكان.

تختلف الأجهزة في سرعة التبديل. بعض الثنائيات والثايرستورات مناسبة للسرعات المنخفضة نسبيًا، وتُستخدم في تبديل ترددات الطاقة والتحكم بها؛ بينما تُستخدم أنواع معينة من الثايرستورات بترددات تصل إلى بضعة كيلوهرتز. يمكن لأجهزة مثل ترانزستورات MOSFET وBJT التبديل بترددات تصل إلى عشرات الكيلوهرتز، وحتى بضعة ميغاهرتز في تطبيقات الطاقة، ولكن مع انخفاض مستويات الطاقة. تهيمن أجهزة الصمامات المفرغة على تطبيقات الطاقة العالية (مئات الكيلوواط) ذات الترددات العالية جدًا (مئات أو آلاف الميغاهرتز). تُقلل أجهزة التبديل الأسرع من فقد الطاقة في عمليات الانتقال من حالة التشغيل إلى حالة الإيقاف والعودة، ولكنها قد تُسبب مشاكل تتعلق بالتداخل الكهرومغناطيسي المُشع. يجب تصميم دوائر تشغيل البوابة (أو ما يُعادلها) لتوفير تيار تشغيل كافٍ لتحقيق أقصى سرعة تبديل ممكنة للجهاز. قد يتلف الجهاز الذي لا يملك تيار تشغيل كافيًا للتبديل السريع بسبب الحرارة الزائدة.

تُعاني الأجهزة العملية من انخفاض في الجهد الكهربائي وتبديد للطاقة عند تشغيلها، وتستغرق بعض الوقت للمرور عبر منطقة التشغيل حتى تصل إلى حالة "التشغيل" أو "الإيقاف". تُشكل هذه الخسائر جزءًا كبيرًا من إجمالي الطاقة المفقودة في المحول.

يُعدّ التعامل مع الطاقة وتبديدها في الأجهزة عاملاً حاسماً في التصميم. قد تحتاج أجهزة إلكترونيات الطاقة إلى تبديد عشرات أو مئات الواط من الحرارة المهدرة، حتى مع التبديل بأقصى كفاءة ممكنة بين حالتي التوصيل وعدم التوصيل. في وضع التبديل، تكون الطاقة المُتحكَّم بها أكبر بكثير من الطاقة المُبدَّدة في المفتاح. ويؤدي انخفاض الجهد الأمامي في حالة التوصيل إلى حرارة يجب تبديدها. تتطلب أشباه الموصلات عالية الطاقة مشتتات حرارية متخصصة أو أنظمة تبريد فعّالة للتحكم في درجة حرارة وصلاتها ؛ وتتميز أشباه الموصلات المتطورة، مثل كربيد السيليكون، بميزة على السيليكون النقي في هذا الصدد، أما الجرمانيوم، الذي كان في السابق الركيزة الأساسية للإلكترونيات الصلبة، فقد قلّ استخدامه الآن بسبب خصائصه غير المواتية عند درجات الحرارة العالية.

توجد أجهزة أشباه موصلات بقدرات تصل إلى بضعة كيلوفولتات في الجهاز الواحد. وعند الحاجة إلى التحكم في جهد عالٍ جدًا، يجب استخدام عدة أجهزة موصولة على التوالي، مع شبكات لتوزيع الجهد بالتساوي بين جميع الأجهزة. ومرة ​​أخرى، تُعد سرعة التبديل عاملًا حاسمًا، إذ يتحمل الجهاز الأبطأ في التبديل نسبة كبيرة من الجهد الكلي. وكانت صمامات الزئبق متوفرة سابقًا بقدرات تصل إلى 100  كيلوفولت في الوحدة الواحدة، مما سهّل استخدامها في أنظمة نقل التيار المستمر عالي الجهد .

يُحدَّد التيار المقنن لأجهزة أشباه الموصلات بالحرارة المتولدة داخل الرقائق والحرارة الناتجة عن مقاومة الأسلاك الموصلة. يجب تصميم أجهزة أشباه الموصلات بحيث يتوزع التيار بالتساوي داخل الجهاز عبر وصلاته الداخلية (أو قنواته)؛ فبمجرد ظهور "بقعة ساخنة"، يمكن أن تؤدي تأثيرات الانهيار إلى تدمير الجهاز بسرعة. تتوفر بعض أنواع مقومات السيليكون المتحكم بها (SCRs) بقدرات تيار تصل إلى 3000 أمبير في الوحدة الواحدة.

محولات التيار المستمر/المتردد (العاكسات)

تُنتج محولات التيار المستمر إلى التيار المتردد موجة خرج تيار متردد من مصدر تيار مستمر. تشمل تطبيقاتها محركات السرعة المتغيرة ، ووحدات تزويد الطاقة غير المنقطعة ، وأنظمة نقل التيار المتردد المرنة ، ومعوضات الجهد، ومحولات الطاقة الشمسية الكهروضوئية . يمكن تصنيف تصميمات هذه المحولات إلى فئتين رئيسيتين: محولات مصدر الجهد ومحولات مصدر التيار. سُميت محولات مصدر الجهد بهذا الاسم لأن خرجها المُتحكم به بشكل مستقل هو موجة جهد. وبالمثل، تتميز محولات مصدر التيار بأن خرجها المُتحكم به هو موجة تيار.

يُعد تحويل الطاقة من التيار المستمر إلى التيار المتردد نتاجًا لأجهزة تبديل الطاقة، والتي عادةً ما تكون مفاتيح طاقة شبه موصلة قابلة للتحكم الكامل. ولذلك، تتكون أشكال موجات الخرج من قيم منفصلة، ​​مما ينتج عنه انتقالات سريعة بدلًا من انتقالات سلسة. في بعض التطبيقات، يكفي حتى تقريب بسيط لشكل الموجة الجيبية للطاقة المترددة. أما عند الحاجة إلى شكل موجة شبه جيبية، فتُشغَّل أجهزة التبديل بسرعة أكبر بكثير من تردد الخرج المطلوب، ويتم التحكم في الوقت الذي تقضيه في أي من الحالتين بحيث يكون متوسط ​​الخرج شبه جيبي. تشمل تقنيات التضمين الشائعة تقنية الموجة الحاملة، أو تضمين عرض النبضة ، وتقنية متجه الفضاء ، وتقنية التوافقيات الانتقائية. [ 17 ]

تُستخدم محولات مصدر الجهد عمليًا في تطبيقات أحادية الطور وثلاثية الطور. تستخدم محولات مصدر الجهد أحادية الطور تكوينات نصف الجسر والجسر الكامل، وتُستخدم على نطاق واسع في مصادر الطاقة، وأنظمة الطاقة غير المنقطعة أحادية الطور، والأنظمة المعقدة عالية القدرة عند استخدامها في تكوينات متعددة الخلايا. أما محولات مصدر الجهد ثلاثية الطور فتُستخدم في التطبيقات التي تتطلب موجات جهد جيبية، مثل محولات التيار المتردد، وأنظمة الطاقة غير المنقطعة، وبعض أنواع أجهزة نقل التيار المتردد المرنة مثل STATCOM . كما تُستخدم أيضًا في التطبيقات التي تتطلب جهودًا عشوائية، كما هو الحال في مرشحات الطاقة الفعالة ومعوضات الجهد. [ 17 ]

تُستخدم محولات التيار المستمر لإنتاج تيار متردد من مصدر تيار مستمر. يُعد هذا النوع من المحولات عمليًا للتطبيقات ثلاثية الأطوار التي تتطلب أشكال موجات جهد عالية الجودة.

اكتسب نوع جديد نسبيًا من العواكس، يُسمى العواكس متعددة المستويات، اهتمامًا واسعًا. يمكن تصنيف التشغيل العادي لعواكس التيار المستمر (CSI) وعواكس الجهد المستمر (VSI) على أنه عواكس ثنائية المستوى، نظرًا لأن مفاتيح الطاقة تتصل إما بناقل التيار المستمر الموجب أو السالب. إذا توفر أكثر من مستويين للجهد لأطراف خرج العاكس، فإن خرج التيار المتردد يمكن أن يُقارب الموجة الجيبية بشكل أفضل. لهذا السبب، تُقدم العواكس متعددة المستويات، على الرغم من كونها أكثر تعقيدًا وتكلفة، أداءً أعلى. [ 18 ]

يختلف كل نوع من أنواع العاكسات في وصلات التيار المستمر المستخدمة، وفيما إذا كان يتطلب ثنائيات تحرير أم لا . ويمكن برمجة أي منهما للعمل في وضع الموجة المربعة أو وضع تعديل عرض النبضة (PWM)، وذلك حسب الاستخدام المقصود. يوفر وضع الموجة المربعة سهولة الاستخدام، بينما يمكن تطبيق وضع تعديل عرض النبضة (PWM) بعدة طرق مختلفة، وينتج أشكال موجية ذات جودة أعلى. [ 17 ]

تقوم محولات مصدر الجهد (VSI) بتغذية قسم محول الإخراج من مصدر جهد ثابت تقريبًا. [ 17 ]

تُحدد جودة شكل موجة الخرج الحالية المطلوبة تقنية التضمين المناسبة لتطبيق معين. يتكون خرج محول الجهد ذي المصدر المتغير (VSI) من قيم منفصلة. وللحصول على شكل موجة تيار سلس، يجب أن تكون الأحمال حثية عند ترددات توافقية محددة. وبدون نوع من الترشيح الحثي بين المصدر والحمل، سيؤدي الحمل السعوي إلى استقبال الحمل لموجة تيار متقطعة، مع ارتفاعات حادة ومتكررة في التيار. [ 17 ]

هناك ثلاثة أنواع رئيسية من واجهات برمجة تطبيقات المركبات (VSIs):

  1. عاكس نصف جسر أحادي الطور
  2. عاكس أحادي الطور كامل الجسر
  3. عاكس مصدر الجهد ثلاثي الأطوار

عاكس نصف جسر أحادي الطور

الشكل 8: مدخل التيار المتردد لمحرك ASD
الشكل 9: عاكس مصدر الجهد أحادي الطور بنصف جسر

صُممت محولات نصف الجسر أحادية الطور ذات مصدر الجهد لتطبيقات الجهد المنخفض، وتُستخدم عادةً في مصادر الطاقة. [ 17 ] يوضح الشكل 9 مخطط الدائرة لهذا المحول.

تُعاد حقن التوافقيات التيار منخفضة الرتبة إلى جهد المصدر أثناء تشغيل العاكس. وهذا يعني الحاجة إلى مكثفين كبيرين لأغراض الترشيح في هذا التصميم. [ 17 ] كما يوضح الشكل 9، لا يمكن تشغيل سوى مفتاح واحد في كل فرع من فروع العاكس في الوقت نفسه. إذا تم تشغيل كلا المفتاحين في الفرع نفسه، فسيحدث قصر في مصدر التيار المستمر.

تستخدم العواكس عدة تقنيات تعديل للتحكم في أنظمة التبديل. تقارن تقنية تعديل عرض النبضة (PWM) القائمة على الموجة الحاملة شكل موجة خرج التيار المتردد، v<sub> c</sub> ، بإشارة جهد حاملة، v<sub> Δ</sub> . عندما تكون v <sub>c </sub> أكبر من v <sub>Δ </sub>، يكون المفتاح S+ مُفعلاً، وعندما تكون v<sub> c</sub> أقل من v <sub>Δ </sub>، يكون المفتاح S- مُفعلاً. عندما يكون خرج التيار المتردد بتردد f<sub>c</sub> وسعته v<sub> c </sub>، وتكون إشارة الموجة الحاملة المثلثية بتردد f<sub> Δ </sub> وسعتها v<sub> Δ </sub>، يصبح تعديل عرض النبضة حالة جيبية خاصة من تعديل عرض النبضة القائم على الموجة الحاملة. [ 17 ] تُسمى هذه الحالة بتعديل عرض النبضة الجيبي (SPWM). في هذه الحالة، يُعرَّف مؤشر التعديل، أو نسبة تعديل السعة، على النحو التالي: ma = v<sub>c </sub> / v <sub>Δ</sub> .

يتم حساب تردد الموجة الحاملة المعياري، أو نسبة تعديل التردد، باستخدام المعادلة m f = f ∆ /f c . [ 19 ]

إذا تجاوزت منطقة التعديل الزائد، ma، القيمة واحد، فسيتم ملاحظة جهد خرج تيار متردد أساسي أعلى، ولكن على حساب التشبع. في تقنية تعديل عرض النبضة الجيبية (SPWM)، تكون توافقيات شكل موجة الخرج عند ترددات وسعات محددة جيدًا. هذا يُبسط تصميم مكونات الترشيح اللازمة لحقن توافقيات التيار منخفضة الرتبة من تشغيل العاكس. تبلغ سعة الخرج القصوى في هذا الوضع التشغيلي نصف جهد المصدر. إذا تجاوزت سعة الخرج القصوى، ma ، القيمة 3.24، يصبح شكل موجة خرج العاكس موجة مربعة. [ 17 ]

كما هو الحال في تعديل عرض النبضة (PWM)، لا يمكن تشغيل كلا المفتاحين في أحد فروع تعديل الموجة المربعة في الوقت نفسه، لأن ذلك سيؤدي إلى حدوث قصر في مصدر الجهد. يتطلب نظام التبديل أن يكون كل من S+ و S− قيد التشغيل لنصف دورة من فترة خرج التيار المتردد. [ 17 ] سعة خرج التيار المتردد الأساسية تساوي v o1 = v aN = 2vi / π .

تبلغ سعة توافقياتها v oh = v o1 /h .

لذلك، فإن جهد الخرج المتردد لا يتم التحكم فيه بواسطة العاكس، بل بواسطة مقدار جهد الدخل المستمر للعاكس. [ 17 ]

يُتيح استخدام تقنية إزالة التوافقيات الانتقائية (SHE) كتقنية تعديل إمكانية تبديل العاكس لإزالة التوافقيات الذاتية بشكل انتقائي. كما يُمكن ضبط المكون الأساسي لجهد الخرج المتردد ضمن نطاق مُحدد. ونظرًا لأن جهد الخرج المتردد الناتج عن هذه التقنية يتمتع بتناظر نصف موجة وربع موجة فردي، فلا وجود للتوافقيات الزوجية. [ 17 ] وبالتالي ، يُمكن إزالة أي توافقيات ذاتية فردية غير مرغوب فيها (N-1) من شكل موجة الخرج.

عاكس أحادي الطور كامل الجسر

الشكل 3: عاكس جسر كامل بمصدر جهد أحادي الطور
الشكل 4: إشارات الموجة الحاملة وإشارات التضمين لتقنية تضمين عرض النبضة ثنائية القطب

يشبه عاكس الجسر الكامل عاكس الجسر النصفي، ولكنه يحتوي على وصلة إضافية لتوصيل نقطة التعادل بالحمل. [ 17 ] يوضح الشكل 3 مخطط الدائرة لعاكس الجسر الكامل أحادي الطور ذي مصدر الجهد.

لتجنب حدوث قصر في مصدر الجهد، لا يمكن تشغيل المفتاحين S1+ وS1− في الوقت نفسه، وكذلك لا يمكن تشغيل المفتاحين S2+ وS2− في الوقت نفسه. يجب أن تكون أي تقنية تعديل مستخدمة في تكوين الجسر الكامل مُفعّلة إما للمفتاح العلوي أو السفلي لكل فرع في أي لحظة. وبسبب الفرع الإضافي، فإن أقصى سعة لموجة الخرج هي Vi، وهي ضعف أقصى سعة خرج يمكن تحقيقها في تكوين نصف الجسر. [ 17 ]

تُستخدم الحالتان 1 و2 من الجدول 2 لتوليد جهد خرج التيار المتردد باستخدام تعديل عرض النبضة ثنائي القطب (SPWM). يأخذ جهد خرج التيار المتردد قيمتين فقط، إما Vi أو -Vi. ولتوليد هاتين الحالتين باستخدام تكوين نصف الجسر، يمكن استخدام تقنية تعتمد على الموجة الحاملة. تفعيل الحالة S+ في نصف الجسر يُقابل تفعيل الحالتين S1+ وS2- في الجسر الكامل. وبالمثل، تفعيل الحالة S- في نصف الجسر يُقابل تفعيل الحالتين S1- وS2+ في الجسر الكامل. يكون جهد الخرج لهذه التقنية التضمينية جيبيًا تقريبًا، مع مُركبة أساسية ذات سعة في المنطقة الخطية أقل من أو تساوي واحدًا [ 17 ] v o1 = v ab1 = v i • m a  .

بخلاف تقنية تعديل عرض النبضة ثنائية القطب، تستخدم التقنية أحادية القطب الحالات 1 و2 و3 و4 من الجدول 2 لتوليد جهد الخرج المتردد. وبالتالي، يمكن أن يأخذ جهد الخرج المتردد القيم Vi أو 0 أو -V [1]i. ولتوليد هذه الحالات، يلزم وجود إشارتين تعديل جيبيتين، Vc و-Vc، كما هو موضح في الشكل 4.

يُستخدم Vc لتوليد VaN، بينما يُستخدم -Vc لتوليد VbN. تُسمى العلاقة التالية SPWM أحادي القطبية القائم على حامل الموجة v o1 =2 • v aN1 = v i • m a   .

جهود الطور VaN وVbN متطابقة، لكنها متعاكسة في الطور بمقدار 180 درجة. جهد الخرج يساوي الفرق بين جهدي الطورين، ولا يحتوي على أي توافقيات زوجية. لذلك، إذا أخذنا mf في الاعتبار، ستظهر التوافقيات الزوجية لجهد خرج التيار المتردد عند ترددات فردية مُعَيَّرة، fh. تتركز هذه الترددات حول ضعف قيمة تردد الموجة الحاملة المُعَيَّر. تتيح هذه الخاصية استخدام مكونات ترشيح أصغر حجمًا عند محاولة الحصول على شكل موجة خرج بجودة أعلى. [ 17 ]

كما هو الحال بالنسبة لـ SHE نصف الجسر، فإن جهد الخرج AC لا يحتوي على توافقيات زوجية بسبب تناظره الفردي لنصف الموجة وربع الموجة الفردي. [ 17 ]

عاكس مصدر الجهد ثلاثي الأطوار

الشكل 5: مخطط دائرة عاكس مصدر الجهد ثلاثي الأطوار
الشكل 6: تشغيل موجة مربعة ثلاثية الأطوار أ) حالة المفتاح S1 ب) حالة المفتاح S3 ج) خرج S1 د) خرج S3

تُستخدم محولات الجهد أحادية الطور بشكل أساسي لتطبيقات نطاق الطاقة المنخفضة، بينما تغطي محولات الجهد ثلاثية الطور تطبيقات نطاق الطاقة المتوسطة والعالية. [ 17 ] يوضح الشكل 5 مخطط الدائرة لمحول جهد ثلاثي الطور.

لا يمكن إيقاف تشغيل المفاتيح في أي من فروع العاكس الثلاثة في آنٍ واحد، مما يؤدي إلى اعتماد الفولتية على قطبية تيار الخط المعني. تُنتج الحالتان 7 و8 فولتية خط تيار متردد صفرية، مما يسمح لتيارات خط التيار المتردد بالمرور بحرية عبر المكونات العلوية أو السفلية. مع ذلك، تُنتج فولتية الخط للحالات من 1 إلى 6 فولتية خط تيار متردد تتكون من القيم المنفصلة Vi أو 0 أو -Vi. [ 17 ]

في تقنية تعديل عرض النبضة الجيبية ثلاثية الأطوار (SPWM)، تُستخدم ثلاث إشارات تعديل متعاكسة الطور بمقدار 120 درجة لإنتاج جهود حمل متعاكسة الطور. وللحفاظ على خصائص تعديل عرض النبضة باستخدام إشارة حاملة واحدة، يجب أن يكون تردد الموجة الحاملة المُعَيَّر (mf) من مضاعفات العدد ثلاثة. هذا يُبقي مقدار جهود الأطوار متطابقًا، ولكن بفارق طور قدره 120 درجة. [ 17 ] أقصى سعة لجهد الطور يُمكن تحقيقها في المنطقة الخطية، عندما تكون ma أقل من أو تساوي واحدًا، هي v phase = v i  / 2. أقصى سعة لجهد الخط يُمكن تحقيقها هي V ab1 = v ab • √ 3 / 2  

الطريقة الوحيدة للتحكم في جهد الحمل هي عن طريق تغيير جهد التيار المستمر المدخل.

محولات مصدر التيار

الشكل 7: عاكس مصدر التيار ثلاثي الأطوار
الشكل 8: أشكال موجات تعديل عرض النبضة المتزامنة لعكس مصدر تيار ثلاثي الأطوار أ) إشارات حاملة وإشارة تعديل S ب) حالة S1 ج) حالة S3 د) تيار الخرج
الشكل 9: تمثيل متجه الفضاء في عاكسات مصدر التيار

تقوم محولات مصدر التيار بتحويل التيار المستمر إلى موجة تيار متردد. في التطبيقات التي تتطلب موجات تيار متردد جيبية، يجب التحكم في السعة والتردد والطور. تتميز محولات مصدر التيار بتغيرات كبيرة في التيار مع مرور الوقت، لذا تُستخدم المكثفات عادةً في جانب التيار المتردد، بينما تُستخدم المحاثات عادةً في جانب التيار المستمر. [ 17 ] نظرًا لعدم وجود ثنائيات التحرر، فإن دائرة الطاقة أصغر حجمًا وأخف وزنًا، وتميل إلى أن تكون أكثر موثوقية من محولات مصدر الجهد. [ 18 ] على الرغم من إمكانية استخدام تصميمات أحادية الطور، إلا أن محولات مصدر التيار ثلاثية الطور أكثر عملية.

في أبسط صورها، تستخدم دائرة CSI ثلاثية الأطوار نفس تسلسل التوصيل المستخدم في مقوم سداسي النبضات. في أي وقت، يكون مفتاح واحد فقط ذو مهبط مشترك ومفتاح واحد فقط ذو مصعد مشترك في حالة تشغيل. [ 18 ]

ونتيجةً لذلك، تأخذ تيارات الخط قيمًا منفصلة هي -ii و 0 و ii. تُختار الحالات بحيث يتم إخراج شكل الموجة المطلوب، وتُستخدم الحالات الصالحة فقط. يعتمد هذا الاختيار على تقنيات التضمين، والتي تشمل تعديل عرض النبضة القائم على الموجة الحاملة، وإزالة التوافقيات الانتقائية، وتقنيات متجه الفضاء. [ 17 ]

يمكن تطبيق تقنيات الموجة الحاملة المستخدمة في محولات الجهد (VSI) على محولات التيار (CSI)، مما ينتج عنه تيارات خطية في محولات التيار تتصرف بنفس طريقة جهد خط محول الجهد. تحتوي الدائرة الرقمية المستخدمة لتعديل الإشارات على مولد نبضات تبديل، ومولد نبضات قصر، وموزع نبضات قصر، ومجمع نبضات تبديل وقصر. يتم توليد إشارة البوابة بناءً على تيار حامل وثلاث إشارات تعديل. [ 17 ]

تُضاف نبضة قصر إلى هذه الإشارة عندما لا يتم تشغيل أي من المفاتيح العلوية أو السفلية، مما يؤدي إلى تساوي تيارات RMS في جميع الأطوار. تُستخدم نفس الأساليب لكل طور، إلا أن متغيرات التبديل تكون متعاكسة في الطور بمقدار 120 درجة، وتُزاح نبضات التيار بمقدار نصف دورة بالنسبة لتيارات الخرج. عند استخدام موجة حاملة مثلثة مع إشارات تعديل جيبية، يُقال إن جهاز CSI يستخدم تعديل عرض النبضة المتزامن (SPWM). أما عند استخدام التعديل الزائد الكامل مع SPWM، فيُقال إن العاكس يعمل بموجة مربعة. [ 17 ]

تُشابه فئة تعديل CSI الثانية، SHE، نظيرتها VSI. فباستخدام إشارات البوابة المُصممة لـ VSI ومجموعة من إشارات التيار الجيبية المتزامنة، ينتج نبضات قصر موزعة بشكل متناظر، وبالتالي أنماط بوابة متناظرة. وهذا يسمح بإزالة أي عدد من التوافقيات. [ 17 ] كما يسمح بالتحكم في تيار الخط الأساسي من خلال الاختيار الأمثل لزوايا التبديل الأولية. يجب أن تتمتع أنماط التبديل المثلى بتناظر ربع موجة ونصف موجة، بالإضافة إلى تناظر حول 30 درجة و150 درجة. ولا يُسمح أبدًا بأنماط تبديل بين 60 درجة و120 درجة. ويمكن تقليل تموج التيار بشكل أكبر باستخدام مكثفات خرج أكبر، أو بزيادة عدد نبضات التبديل. [ 18 ]

تُنتج الفئة الثالثة، وهي التضمين القائم على متجه الفضاء، تيارات خط الحمل بتقنية تعديل عرض النبضة (PWM) التي تُساوي تيارات خط الحمل، في المتوسط. ويتم تحديد حالات التبديل الصحيحة واختيارات الوقت رقميًا بناءً على تحويل متجه الفضاء. تُمثل إشارات التضمين كمتجه مُركب باستخدام معادلة تحويل. بالنسبة للإشارات الجيبية ثلاثية الأطوار المتوازنة، يُصبح هذا المتجه وحدة ثابتة تدور بتردد ω. تُستخدم متجهات الفضاء هذه لتقريب إشارة التضمين. إذا كانت الإشارة بين متجهين عشوائيين، تُدمج هذه المتجهات مع المتجهات الصفرية I7 أو I8 أو I9. [ 17 ] تُستخدم المعادلات التالية لضمان أن تكون التيارات المُولدة ومتجهات التيار متكافئة في المتوسط.

محولات متعددة المستويات

الشكل 10 : عاكس ثلاثي المستويات ذو طرف محايد مثبت

اكتسب نوع جديد نسبيًا يُسمى العاكسات متعددة المستويات اهتمامًا واسعًا. يمكن تصنيف التشغيل العادي لعواكس التيار المستمر (CSI) وعواكس الجهد المستمر (VSI) على أنه عاكسات ثنائية المستوى، لأن مفاتيح الطاقة تتصل إما بناقل التيار المستمر الموجب أو السالب. [ 18 ] إذا توفر أكثر من مستويين للجهد لأطراف خرج العاكس، فإن خرج التيار المتردد يمكن أن يُقارب الموجة الجيبية بشكل أفضل. [ 17 ] لهذا السبب، توفر العاكسات متعددة المستويات، على الرغم من كونها أكثر تعقيدًا وتكلفة، أداءً أعلى. [ 18 ] يوضح الشكل 10 عاكسًا ثلاثي المستويات مُثبَّتًا على نقطة التعادل.

تسمح طرق التحكم في العاكس ثلاثي المستويات بتغيير حالتي التوصيل في آنٍ واحد لمفتاحين فقط من المفاتيح الأربعة في كل فرع. وهذا يضمن سلاسة التبديل ويمنع حدوث التوصيل المباشر باختيار الحالات الصالحة فقط. [ 18 ] تجدر الإشارة أيضًا إلى أنه نظرًا لمشاركة جهد ناقل التيار المستمر بين صمامين كهربائيين على الأقل، فقد تكون قيم الجهد المقدرة لهما أقل من نظيرتها ثنائية المستويات.

تُستخدم تقنيات التضمين القائمة على الموجة الحاملة والتضمين الفضائي في تصميمات الدوائر متعددة المستويات. وتتبع هذه التقنيات أساليب العواكس التقليدية، ولكن مع تعقيد إضافي. يوفر التضمين الفضائي عددًا أكبر من متجهات الجهد الثابتة التي يمكن استخدامها لتقريب إشارة التضمين، مما يسمح بتنفيذ استراتيجيات تعديل عرض النبضة (PWM) أكثر فعالية، ولكن بتكلفة خوارزميات أكثر تعقيدًا. ونظرًا للتعقيد الإضافي وعدد أجهزة أشباه الموصلات، تُعد العواكس متعددة المستويات حاليًا أكثر ملاءمة لتطبيقات الطاقة العالية والجهد العالي. [ 18 ] تعمل هذه التقنية على تقليل التوافقيات، وبالتالي تحسين الكفاءة الإجمالية للدائرة.

محولات التيار المتردد/المتردد

يُتيح تحويل التيار المتردد إلى تيار متردد التحكم في الجهد والتردد وطور الموجة المُطبقة على الحمل من نظام التيار المتردد. [ 20 ] يُمكن تصنيف أنواع المحولات إلى فئتين رئيسيتين: الأولى هي إمكانية تغيير تردد الموجة. [ 21 ] تُعرف محولات التيار المتردد/المتردد التي لا تسمح للمستخدم بتعديل التردد باسم مُتحكمات جهد التيار المتردد، أو مُنظمات التيار المتردد. أما محولات التيار المتردد التي تسمح للمستخدم بتغيير التردد، فتُعرف ببساطة باسم مُحولات التردد لتحويل التيار المتردد إلى تيار متردد. يوجد ضمن مُحولات التردد ثلاثة أنواع شائعة الاستخدام: مُحول التردد، ومُحول المصفوفة، ومُحول وصلة التيار المستمر ( المعروف أيضًا باسم مُحول التيار المتردد/المستمر/المتردد).

منظم جهد التيار المتردد: يهدف منظم جهد التيار المتردد، أو منظم التيار المتردد، إلى تغيير قيمة الجهد الفعال (RMS) عبر الحمل مع الحفاظ على تردد ثابت. [ 20 ] ثلاث طرق تحكم مقبولة عمومًا هي: التحكم بالتشغيل/الإيقاف، والتحكم بزاوية الطور، والتحكم بتقطيع التيار المتردد باستخدام تعديل عرض النبضة (PWM). [ 22 ] يمكن تطبيق هذه الطرق الثلاث في الدوائر أحادية الطور وثلاثية الطور على حد سواء.

  • التحكم بالتشغيل/الإيقاف: يُستخدم هذا الأسلوب عادةً لتسخين الأحمال أو التحكم في سرعة المحركات، ويتضمن تشغيل المفتاح لعدد n من الدورات الصحيحة وإيقافه لعدد m من الدورات الصحيحة. ولأن تشغيل المفاتيح وإيقافها يُسبب توليد توافقيات غير مرغوب فيها، يتم تشغيل المفاتيح وإيقافها أثناء ظروف انعدام الجهد والتيار (عبور الصفر)، مما يقلل التشوه بشكل فعال. [ 22 ]
  • التحكم بزاوية الطور: توجد دوائر متنوعة لتطبيق التحكم بزاوية الطور على أشكال موجية مختلفة، مثل التحكم في جهد نصف الموجة أو الموجة الكاملة. تشمل مكونات إلكترونيات القدرة المستخدمة عادةً الثنائيات، ومقومات السيليكون المتحكم بها (SCRs)، ومقومات الترياك (Triacs). باستخدام هذه المكونات، يمكن للمستخدم تأخير زاوية القدح في الموجة، مما يؤدي إلى إخراج جزء فقط من الموجة. [ 20 ]
  • التحكم في مُقطِّع التيار المتردد بتقنية تعديل عرض النبضة (PWM): غالبًا ما تعاني طرق التحكم الأخرى من ضعف التوافقيات، وجودة تيار الخرج، ومعامل قدرة الدخل. ولتحسين هذه القيم، يُمكن استخدام تقنية تعديل عرض النبضة (PWM) بدلاً من الطرق الأخرى. تعتمد تقنية PWM في مُقطِّع التيار المتردد على مفاتيح تُشغَّل وتُطفأ عدة مرات خلال أنصاف دورات متناوبة لجهد الدخل. [ 22 ]

محولات المصفوفة ومحولات التردد: تُستخدم محولات التردد على نطاق واسع في الصناعة لتحويل التيار المتردد إلى تيار متردد، نظرًا لقدرتها على العمل في تطبيقات الطاقة العالية. وهي عبارة عن محولات تردد مباشرة مُبدَّلة، تتم مزامنتها بواسطة خط تغذية. تحتوي موجات جهد خرج محولات التردد على توافقيات معقدة، حيث يتم ترشيح التوافقيات ذات الرتبة الأعلى بواسطة محاثة الجهاز. مما يؤدي إلى تقليل التوافقيات في تيار الجهاز، بينما تتسبب التوافقيات المتبقية في حدوث فقد في الطاقة ونبضات في عزم الدوران. تجدر الإشارة إلى أنه في محول التردد، على عكس المحولات الأخرى، لا توجد محاثات أو مكثفات، أي لا توجد أجهزة تخزين. ولهذا السبب، تتساوى قدرة الدخل اللحظية مع قدرة الخرج. [ 23 ]

  • محولات التردد أحادية الطور إلى أحادية الطور : بدأت محولات التردد أحادية الطور إلى أحادية الطور تجذب اهتمامًا متزايدًا مؤخرًا نظرًا لانخفاض حجم وسعر مفاتيح إلكترونيات الطاقة. يمكن أن يكون جهد التيار المتردد أحادي الطور عالي التردد إما جيبيًا أو شبه منحرف. وقد تكون هذه فترات جهد صفري لأغراض التحكم أو للتبديل عند جهد صفري.
  • محولات التردد من ثلاثي الأطوار إلى أحادي الطور : يوجد نوعان من محولات التردد من ثلاثي الأطوار إلى أحادي الطور: محولات نصف موجة من ثلاثي الأطوار إلى أحادي الطور، ومحولات جسرية من ثلاثي الأطوار إلى أحادي الطور. يمكن لكل من المحولات الموجبة والسالبة توليد جهد بأي قطبية، مما يؤدي إلى تزويد المحول الموجب بتيار موجب فقط، والمحول السالب بتيار سالب فقط.

مع التطورات الحديثة في مجال الأجهزة، يجري تطوير أشكال جديدة من محولات التردد، مثل محولات المصفوفة. أول ما يُلاحظ هو استخدام محولات المصفوفة لمفاتيح ثنائية الاتجاه وثنائية القطب. يتكون محول المصفوفة أحادي الطور من مصفوفة تضم 9 مفاتيح تربط أطوار الإدخال الثلاثة بأطوار الإخراج الثلاثة. يمكن توصيل أي طور إدخال وطور إخراج معًا في أي وقت دون توصيل مفتاحين من نفس الطور في الوقت نفسه؛ وإلا سيحدث قصر في دائرة أطوار الإدخال. تتميز محولات المصفوفة بخفة وزنها وصغر حجمها وتعدد استخداماتها مقارنةً بحلول التحويل الأخرى. ونتيجةً لذلك، فهي قادرة على تحقيق مستويات تكامل أعلى، وتشغيل في درجات حرارة أعلى، ونطاق تردد إخراج واسع، وتدفق طاقة ثنائي الاتجاه طبيعي مناسب لإعادة توليد الطاقة إلى الشبكة الكهربائية.

تنقسم محولات المصفوفة إلى نوعين: محولات مباشرة ومحولات غير مباشرة. في محول المصفوفة المباشر، الذي يحتوي على مدخل ومخرج ثلاثي الأطوار، يجب أن تكون مفاتيح التحويل ثنائية الاتجاه، أي قادرة على منع الجهد ذي القطبية الموجبة أو السالبة، وتمرير التيار في كلا الاتجاهين. تتيح استراتيجية التحويل هذه الحصول على أعلى جهد خرج ممكن، وتقلل من التيار التفاعلي على جانب الخط. لذلك، يكون تدفق الطاقة عبر المحول قابلاً للعكس. إلا أن مشكلة التبديل وتعقيد التحكم فيه يحدّان من استخدامه على نطاق واسع في الصناعة.

على عكس محولات المصفوفة المباشرة، تتمتع محولات المصفوفة غير المباشرة بنفس الوظائف، ولكنها تستخدم أقسام إدخال وإخراج منفصلة متصلة عبر وصلة تيار مستمر دون عناصر تخزين. يتضمن التصميم مقوم تيار رباعي الأرباع وعاكس جهد. يتكون قسم الإدخال من مفاتيح ثنائية القطب ثنائية الاتجاه. يمكن تطبيق استراتيجية التبديل عن طريق تغيير حالة التبديل لقسم الإدخال بينما يكون قسم الإخراج في وضع التشغيل الحر. تتميز خوارزمية التبديل هذه ببساطتها العالية وموثوقيتها الفائقة مقارنةً بمحول المصفوفة المباشر التقليدي. [ 24 ]

محولات وصلة التيار المستمر: تُعرف محولات وصلة التيار المستمر أيضًا باسم محولات التيار المتردد/المستمر/المتردد، وهي تحول مدخل التيار المتردد إلى مخرج تيار متردد باستخدام وصلة تيار مستمر في المنتصف. أي أن الطاقة في المحول تُحوّل من تيار متردد إلى تيار مستمر باستخدام مقوم، ثم تُحوّل مرة أخرى من تيار مستمر إلى تيار متردد باستخدام عاكس. والنتيجة النهائية هي خرج بجهد أقل وتردد متغير (أعلى أو أقل). [ 22 ] نظرًا لتطبيقاتها الواسعة، تُعد محولات التيار المتردد/المستمر/المتردد الحل الأكثر شيوعًا في الوقت الحاضر. ومن مزاياها الأخرى استقرارها في ظروف التحميل الزائد وعدم التحميل، بالإضافة إلى إمكانية فصلها عن الحمل دون تلف. [ 25 ]

محول المصفوفة الهجين: تُعد محولات المصفوفة الهجينة حديثة نسبيًا في مجال محولات التيار المتردد/المتردد. تجمع هذه المحولات بين تصميم محول التيار المتردد/المستمر/المتردد وتصميم محول المصفوفة. وقد طُوّرت أنواع متعددة من المحولات الهجينة ضمن هذه الفئة الجديدة، ومنها على سبيل المثال محول يستخدم مفاتيح أحادية الاتجاه ومرحلتين للتحويل دون وصلة التيار المستمر؛ فبدون المكثفات أو المحاثات اللازمة لوصلة التيار المستمر، يقل وزن المحول وحجمه. يوجد نوعان فرعيان من المحولات الهجينة، هما محول المصفوفة المباشر الهجين (HDMC) ومحول المصفوفة غير المباشر الهجين (HIMC). يقوم محول HDMC بتحويل الجهد والتيار في مرحلة واحدة، بينما يستخدم محول HIMC مراحل منفصلة، ​​مثل محول التيار المتردد/المستمر/المتردد، ولكن دون استخدام عنصر تخزين وسيط. [ 26 ] [ 27 ]

التطبيقات: فيما يلي قائمة بالتطبيقات الشائعة التي يُستخدم فيها كل محول.

  • وحدة التحكم في جهد التيار المتردد: التحكم في الإضاءة؛ التدفئة المنزلية والصناعية؛ التحكم في سرعة محركات المراوح أو المضخات أو الرافعات، بدء التشغيل الناعم لمحركات الحث، مفاتيح التيار المتردد الثابتة [ 20 ] (التحكم في درجة الحرارة، تغيير جهد المحول، إلخ).
  • محول التردد: محركات تيار متردد عكسية عالية القدرة ومنخفضة السرعة؛ مصدر طاقة بتردد ثابت مع تردد إدخال متغير؛ مولدات VAR قابلة للتحكم لتصحيح معامل القدرة؛ وصلات نظام التيار المتردد التي تربط نظامي طاقة مستقلين. [ 20 ]
  • محول المصفوفة: يقتصر استخدام محولات المصفوفة حاليًا على عدة عوامل، منها عدم توفر مفاتيح أحادية متكاملة ثنائية الاتجاه قادرة على العمل بترددات عالية، وتعقيد تطبيق قوانين التحكم، والتبديل، وغيرها. مع هذه التطورات، يُمكن لمحولات المصفوفة أن تحل محل محولات التردد في العديد من المجالات. [ 20 ]
  • وصلة التيار المستمر: يمكن استخدامها لتطبيقات الأحمال الفردية أو المتعددة في بناء الآلات والإنشاءات. [ 25 ]

محاكاة أنظمة إلكترونيات الطاقة

جهد الخرج لمقوم موجة كاملة مع ثايرستورات متحكم بها

تُحاكى دوائر إلكترونيات القدرة باستخدام برامج محاكاة حاسوبية مثل SIMBA و PLECS و PSIM و SPICE و MATLAB /simulink و OpenModelica . تُحاكى الدوائر قبل إنتاجها لاختبار استجابتها في ظروف معينة. كما أن إنشاء محاكاة يُعدّ أرخص وأسرع من إنشاء نموذج أولي للاختبار. [ 28 ]

التطبيقات

تتراوح تطبيقات إلكترونيات الطاقة في حجمها من وحدة تغذية الطاقة ذات الوضع المُبدَّل في محول التيار المتردد ، وشواحن البطاريات، ومضخمات الصوت، ومثبتات مصابيح الفلورسنت ، مرورًا بمحركات التردد المتغير ومحركات التيار المستمر المستخدمة لتشغيل المضخات والمراوح وآلات التصنيع، وصولًا إلى أنظمة نقل الطاقة بالتيار المستمر عالية الجهد بقدرة جيجاوات المستخدمة لربط الشبكات الكهربائية. [ 29 ] توجد أنظمة إلكترونيات الطاقة في كل جهاز إلكتروني تقريبًا. على سبيل المثال:

تُستخدم محركات القيادة في المضخات، والمراوح، ومحركات المطاحن في صناعات النسيج والورق والأسمنت وغيرها. ويمكن استخدامها لتحويل الطاقة والتحكم في الحركة. [ 30 ] أما بالنسبة لمحركات التيار المتردد، فتشمل تطبيقاتها محركات التردد المتغير ، ومحركات التشغيل الناعم ، وأنظمة الإثارة. [ 31 ]

في المركبات الكهربائية الهجينة ، تُستخدم إلكترونيات الطاقة بنوعين: الهجينة المتسلسلة والهجينة المتوازية. ويكمن الفرق بينهما في طريقة توصيل المحرك الكهربائي بمحرك الاحتراق الداخلي . تتكون الأجهزة المستخدمة في المركبات الكهربائية في الغالب من محولات التيار المستمر/المستمر لشحن البطارية، ومحولات التيار المستمر/المتردد لتشغيل محرك الدفع. تستخدم القطارات الكهربائية أجهزة إلكترونيات الطاقة للحصول على الطاقة، وكذلك للتحكم الاتجاهي باستخدام مقومات تعديل عرض النبضة (PWM). وتستمد القطارات طاقتها من خطوط الكهرباء. ومن الاستخدامات الحديثة الأخرى لإلكترونيات الطاقة أنظمة المصاعد، حيث قد تستخدم هذه الأنظمة الثايرستورات ، أو العواكس، أو محركات المغناطيس الدائم ، أو أنظمة هجينة متنوعة تجمع بين أنظمة تعديل عرض النبضة والمحركات التقليدية. [ 32 ]

محولات التيار

تُستخدم العواكس عمومًا في التطبيقات التي تتطلب تحويلًا مباشرًا للطاقة الكهربائية من التيار المستمر إلى التيار المتردد، أو تحويلًا غير مباشر من التيار المتردد إلى التيار المتردد. يُعدّ تحويل التيار المستمر إلى التيار المتردد مفيدًا في العديد من المجالات، بما في ذلك تنظيم الطاقة، وتعويض التوافقيات، ومحركات القيادة، ودمج الطاقة المتجددة في الشبكة، وأنظمة الطاقة الشمسية للمركبات الفضائية .

في أنظمة الطاقة، يُفضّل غالبًا التخلص من التوافقيات الموجودة في تيارات الخطوط. ويمكن استخدام محولات الجهد العكسي (VSIs) كمرشحات طاقة فعّالة لتحقيق هذا التعويض. بناءً على قياسات تيارات وفولتيات الخطوط، يُحدد نظام التحكم إشارات تيار مرجعية لكل طور. تُعاد هذه الإشارات عبر حلقة خارجية وتُطرح من إشارات التيار الفعلية لإنشاء إشارات تيار لحلقة داخلية تُغذي العاكس. تُحفز هذه الإشارات العاكس على توليد تيارات خرج تُعوض عن التوافقيات. لا يتطلب هذا التكوين استهلاكًا فعليًا للطاقة، حيث يُغذى بالكامل من الخط؛ وصلة التيار المستمر عبارة عن مكثف يُحافظ على جهده ثابتًا بواسطة نظام التحكم. [ 17 ] في هذا التكوين، تكون تيارات الخرج متوافقة في الطور مع فولتيات الخطوط لتحقيق معامل قدرة يساوي واحدًا. في المقابل، يُمكن تعويض القدرة التفاعلية (VAR) في تكوين مشابه حيث تسبق تيارات الخرج فولتيات الخطوط لتحسين معامل القدرة الكلي. [ 18 ]

تُستخدم أنظمة الطاقة غير المنقطعة (UPS) في المنشآت التي تتطلب طاقة مستمرة، كالمستشفيات والمطارات. في نظام الطاقة الاحتياطية، يتم تشغيل العاكس عند انقطاع التيار الكهربائي عن الشبكة الرئيسية. تُسحب الطاقة فورًا من البطاريات الموجودة في الموقع، ويُحوّلها العاكس إلى جهد تيار متردد قابل للاستخدام، إلى حين عودة التيار الكهربائي من الشبكة، أو تشغيل مولدات الطاقة الاحتياطية. أما في نظام الطاقة غير المنقطعة المتصل بالشبكة، فيُستخدم مُقوّم-وصلة تيار مستمر-عاكس لحماية الحمل من التقلبات العابرة والتشوهات التوافقية. تُشحن بطارية موصولة بالتوازي مع وصلة التيار المستمر بالكامل بواسطة خرج العاكس في حال انقطاع التيار الكهربائي من الشبكة، بينما يُمرر خرج العاكس عبر مرشح تمرير منخفض إلى الحمل. وبذلك، تُحقق جودة طاقة عالية واستقلالية عن الاضطرابات. [ 17 ]

طُوِّرت أنواعٌ مختلفة من محركات التيار المتردد للتحكم في سرعة وعزم وموضع هذه المحركات. تُصنَّف هذه المحركات إلى منخفضة الأداء وعالية الأداء، بناءً على ما إذا كانت تعمل بنظام التحكم القياسي أو نظام التحكم الاتجاهي ، على التوالي. في المحركات ذات التحكم القياسي، يكون تيار الجزء الثابت الأساسي، أو تردد الجهد وسعته، هما الكميتان الوحيدتان القابلتان للتحكم. لذلك، تُستخدم هذه المحركات في التطبيقات التي لا تتطلب تحكمًا عالي الجودة، مثل المراوح والضواغط. من ناحية أخرى، تسمح المحركات ذات التحكم الاتجاهي بالتحكم المستمر في قيم التيار والجهد اللحظية. هذا الأداء العالي ضروري لتطبيقات مثل المصاعد والسيارات الكهربائية. [ 17 ]

تُعدّ العواكس ضروريةً للعديد من تطبيقات الطاقة المتجددة. ففي تطبيقات الطاقة الشمسية الكهروضوئية، يُغذّى العاكس، وهو عادةً عاكس جهد بتقنية تعديل عرض النبضة (PWM VSI)، بتيار مستمر ناتج من وحدة أو مصفوفة كهروضوئية. ثمّ يحوّل العاكس هذا التيار إلى جهد متردد ليتم توصيله إما بحمل كهربائي أو بشبكة الكهرباء. كما تُستخدم العواكس في أنظمة الطاقة المتجددة الأخرى، مثل توربينات الرياح. في هذه التطبيقات، تتغير سرعة التوربين عادةً، مما يُسبب تغيرات في تردد الجهد، وأحيانًا في شدته. في هذه الحالة، يُمكن تقويم الجهد المُولّد ثمّ عكسه لتثبيت التردد والشدّة. [ 17 ]

الشبكة الذكية

الشبكة الذكية هي شبكة كهربائية حديثة تستخدم تكنولوجيا المعلومات والاتصالات لجمع المعلومات والتصرف بناءً عليها، مثل المعلومات المتعلقة بسلوكيات الموردين والمستهلكين، بطريقة آلية لتحسين كفاءة وموثوقية واقتصاديات واستدامة إنتاج وتوزيع الكهرباء. [ 33 ] [ 34 ]

يمكن أن تتسبب الطاقة الكهربائية المولدة بواسطة توربينات الرياح والتوربينات الكهرومائية باستخدام مولدات الحث في حدوث تباينات في تردد توليد الطاقة. تُستخدم أجهزة إلكترونيات الطاقة في هذه الأنظمة لتحويل جهد التيار المتردد المُولد إلى تيار مستمر عالي الجهد ( HVDC ). يُمكن تحويل طاقة HVDC بسهولة أكبر إلى طاقة ثلاثية الأطوار متوافقة مع الطاقة المرتبطة بشبكة الكهرباء الحالية. بفضل هذه الأجهزة، تكون الطاقة المُقدمة من هذه الأنظمة أنظف ولها معامل قدرة أعلى. يتم الحصول على عزم الدوران الأمثل لأنظمة طاقة الرياح إما من خلال علبة تروس أو تقنيات الدفع المباشر التي تُقلل من حجم جهاز إلكترونيات الطاقة. [ 35 ]

يمكن توليد الطاقة الكهربائية من خلال الخلايا الكهروضوئية باستخدام أجهزة إلكترونيات الطاقة. وعادةً ما تُحوّل الطاقة المُنتجة بواسطة محولات الطاقة الشمسية . تُقسم المحولات إلى ثلاثة أنواع: مركزية، ومدمجة في الوحدات، وسلسلة. يمكن توصيل المحولات المركزية إما بالتوازي أو بالتوالي على جانب التيار المستمر للنظام. في "مزارع" الخلايا الكهروضوئية، يُستخدم محول مركزي واحد للنظام بأكمله. تُوصل المحولات المدمجة في الوحدات بالتوالي إما على جانب التيار المستمر أو التيار المتردد. عادةً ما تُستخدم عدة وحدات ضمن نظام كهروضوئي، لأن النظام يتطلب هذه المحولات على كلٍ من طرفي التيار المستمر والتيار المتردد. يُستخدم محول السلسلة في نظام يستخدم خلايا كهروضوئية موجهة في اتجاهات مختلفة. ويُستخدم لتحويل الطاقة المُولدة إلى كل سلسلة، أو خط، تتفاعل فيه الخلايا الكهروضوئية. [ 35 ]

يمكن استخدام إلكترونيات الطاقة لمساعدة شركات الكهرباء على التكيف مع الزيادة السريعة في توليد الطاقة الشمسية الموزعة للمنازل والمنشآت التجارية . تشترط ألمانيا وأجزاء من هاواي وكاليفورنيا ونيوجيرسي إجراء دراسات مكلفة قبل الموافقة على تركيبات الطاقة الشمسية الجديدة. توفر الأجهزة الصغيرة نسبيًا، المثبتة على الأرض أو الأعمدة، إمكانية إنشاء بنية تحتية للتحكم الموزع لمراقبة وإدارة تدفق الطاقة. قد تستغرق الأنظمة الكهروميكانيكية التقليدية، مثل بنوك المكثفات أو منظمات الجهد في المحطات الفرعية ، دقائق لضبط الجهد، وقد تكون بعيدة عن منشآت الطاقة الشمسية التي تنشأ منها المشاكل. إذا ارتفع الجهد في دائرة كهربائية محلية بشكل مفرط، فقد يُعرّض ذلك فرق الصيانة للخطر ويتسبب في تلف معدات كل من شركة الكهرباء والمستهلكين. علاوة على ذلك، يتسبب عطل في الشبكة في إيقاف تشغيل مولدات الطاقة الكهروضوئية فورًا، مما يؤدي إلى ارتفاع حاد في الطلب على طاقة الشبكة. تتميز منظمات الشبكة الذكية بسهولة التحكم بها أكثر من الأجهزة الاستهلاكية الأكثر عددًا. [ 36 ]

وفي نهج آخر، دعت مجموعة تضم 16 شركة مرافق غربية، تُعرف باسم "قادة صناعة الكهرباء الغربية"، إلى الاستخدام الإلزامي لـ"محولات الطاقة الذكية". تقوم هذه الأجهزة بتحويل التيار المستمر إلى تيار متردد منزلي، كما تُسهم في تحسين جودة الطاقة. ويمكن لهذه الأجهزة أن تُغني عن الحاجة إلى ترقيات مكلفة لمعدات المرافق بتكلفة إجمالية أقل بكثير. [ 36 ]

انظر أيضاً

ملحوظات

  1. ↑ تومسون، إم تي "ملاحظات 01" (ملف PDF) . مقدمة في إلكترونيات الطاقة . شركة تومسون للاستشارات.
  2. ↑ "1926 - براءة اختراع مفاهيم أجهزة أشباه الموصلات ذات التأثير الميداني" . متحف تاريخ الحاسوب . مؤرشف من الأصل في 22 مارس 2016. تم الاطلاع عليه في 25 مارس 2016 .
  3. ↑ خاراجبور. "أجهزة أشباه الموصلات للطاقة" (ملف PDF) . قسم الهندسة الكهربائية ، المعهد الهندي للتكنولوجيا . مؤرشف من النسخة الأصلية (ملف PDF) بتاريخ 20 سبتمبر 2008. تم الاطلاع عليه بتاريخ 25 مارس 2012 .
  4. ↑ "الدكتور ر. ديفيد ميدلبروك 1929 - 2010" . إلكترونيات الطاقة . 1 مايو 2010. تم الاطلاع عليه بتاريخ 29 أكتوبر 2019 .
  5. ↑ "معاملات IEEE في مجال كهربة النقل - جمعية IEEE للإلكترونيات الكهربائية" . أكتوبر 2024.
  6. ↑ فروتش، سي جيه؛ ديريك، إل (1957). "حماية السطح والتغطية الانتقائية أثناء الانتشار في السيليكون" . مجلة الجمعية الكهروكيميائية . 104 (9): 547. doi : 10.1149/1.2428650 .
  7. ↑ كانغ، د. (1961). "جهاز سطحي من السيليكون وثاني أكسيد السيليكون" . مذكرة فنية لمختبرات بيل : 583-596 . doi : 10.1142/9789814503464_0076 . ISBN 978-981-02-0209-5.{{cite journal}}عدم توافق رقم ISBN / التاريخ ( مساعدة )
  8. ↑ لويك، بو (2007). تاريخ هندسة أشباه الموصلات . برلين، هايدلبرغ: سبرينغر-فيرلاغ برلين هايدلبرغ. ص 321. ISBN  978-3-540-34258-8.
  9. ↑ أوكسنر، إي إس (1988). تقنية وتطبيقات ترانزستورات FET . مطبعة CRC . ص 18. ISBN  9780824780500.
  10. ↑ "التطورات في أشباه الموصلات المنفصلة مستمرة" . تكنولوجيا إلكترونيات الطاقة . إنفورما : 52-56 . سبتمبر 2005. مؤرشف (PDF) من الأصل في 22 مارس 2006. تم الاطلاع عليه في 31 يوليو 2019 .
  11. ↑ دنكان، بن (1996). مضخمات طاقة صوتية عالية الأداء . إلسيفير . الصفحات 177-178، 406. ISBN  9780080508047.
  12. ^ جاك أرنولد، بيير ميرل أجهزة القوة الإلكترونية ، طبعات هيرميس، ISBN 2-86601-306-9(بالفرنسية)
  13. 1 2 "أساسيات MOSFET للطاقة" (ملف PDF) . شركة ألفا وأوميغا لأشباه الموصلات . تم الاطلاع عليه بتاريخ 29 يوليو 2019 .
  14. 1 2 دنكان، بن (1996). مضخمات طاقة صوتية عالية الأداء . إلسيفير . ص 178-181 . ISBN  9780080508047.
  15. ↑ وايتلي، كارول؛ ماكلولين، جون روبرت (2002). التكنولوجيا، رواد الأعمال، ووادي السيليكون . معهد تاريخ التكنولوجيا. ISBN 9780964921719تُستخدم هذه المكونات الإلكترونية النشطة، أو منتجات أشباه الموصلات للطاقة، من شركة سيليكونيكس، لتبديل الطاقة وتحويلها في مجموعة واسعة من الأنظمة، بدءًا من أجهزة المعلومات المحمولة وصولًا إلى البنية التحتية للاتصالات التي تُمكّن الإنترنت. وتُستخدم ترانزستورات MOSFET للطاقة من الشركة - وهي مفاتيح صغيرة الحالة الصلبة، أو ترانزستورات تأثير المجال لأشباه الموصلات المعدنية المؤكسدة - ودوائر الطاقة المتكاملة على نطاق واسع في الهواتف المحمولة وأجهزة الكمبيوتر المحمولة لإدارة طاقة البطارية بكفاءة.
  16. ↑ محمد ح. رشيد، دليل إلكترونيات القدرة: الأجهزة والدوائر والتطبيقات - الطبعة الثالثة. يُقدّم هذا العمل بنية عاكس متعدد المستويات، يستخدم مصادر تيار مستمر منفصلة. يقوم هذا العاكس، باستخدام عاكس متتالي مع نظام تحكم في مصدر التيار المستمر (SDCS)، بتوليد الجهد المطلوب من عدة مصادر مستقلة لجهود التيار المستمر، والتي يمكن الحصول عليها من البطاريات أو خلايا الوقود أو الخلايا الشمسية. وقد شاع استخدام هذا التصميم مؤخرًا في تطبيقات إمداد الطاقة بالتيار المتردد ومحركات السرعة المتغيرة. يُغني هذا العاكس الجديد عن استخدام ثنائيات التثبيت أو مكثفات موازنة الجهد الإضافية. Butterworth-Heinemann، 2007 ISBN 978-0-12-382036-5
  17. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 رشيد، م. ح. (2001). دليل إلكترونيات القدرة . دار النشر الأكاديمية. ص 225-250 . 
  18. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 تريزينادلوفسكي، أ.م. (2010). مقدمة في إلكترونيات الطاقة الحديثة . وايلي. ص 269-341 . 
  19. ^ كيروثيجا، موروجيشان ر. وسيفابراسات (2017). الفيزياء الحديثة، الطبعة الثامنة عشرة . إس تشاند للنشر. رقم ISBN 978-93-5253-310-7.
  20. 1 2 3 4 5 6 راهسيد، م.ح. (2010). دليل إلكترونيات القدرة: الأجهزة والدوائر والتطبيقات . إلسيفير. ص 147-564 . ISBN  978-0-12-382036-5.
  21. ↑ سكفارينا، تي إل (2002). دليل إلكترونيات الطاقة، سلسلة الإلكترونيات الصناعية . مطبعة سي آر سي. الصفحات 94-140 . ISBN  978-0-8493-7336-7.
  22. 1 2 3 4 رشيد، م.ح. (2005). إلكترونيات الطاقة الرقمية وتطبيقاتها. الإلكترونيات والكهرباء . دار النشر الأكاديمية. ISBN 978-0-12-088757-6.
  23. ↑ تولبرت، إل إم "المحولات الدورية" . جامعة تينيسي . تم الاطلاع عليه بتاريخ 23 مارس 2012 .
  24. ↑ كلومبنر، سي. "إلكترونيات القدرة 2" . مؤرشف من الأصل في 27 سبتمبر 2014. تم الاسترجاع في 23 مارس 2012 .
  25. 1 2 فودوفوزوف، ف (2006). الهندسة الالكترونية . رقم ISBN 978-9985-69-039-0.
  26. ↑ ليبو؛ كيم، سول (2000). "تحويل الطاقة من التيار المتردد إلى التيار المتردد باستخدام بنية محول المصفوفة مع مفاتيح أحادية الاتجاه" . معاملات IEEE لتطبيقات الصناعة . 36 (1): 139-145 . doi : 10.1109/28.821808 .
  27. ↑ ويلر؛ ويجيكون، كلومبنر (يوليو 2008). "تنفيذ محول طاقة هجين تيار متردد/تيار متردد مباشر بنسبة نقل جهد موحدة" (ملف PDF) . معاملات IEEE في إلكترونيات الطاقة . 23 (4): 1918-1986 . doi : 10.1109/tpel.2008.924601 . S2CID 25517304 . 
  28. ↑ خضر، س. "تطبيق برنامج PSIM وبرنامج Matlab/Simulink في دورات إلكترونيات القدرة" (ملف PDF) . مؤرشف من النسخة الأصلية (ملف PDF) بتاريخ 24 مارس 2012. تم الاطلاع عليه بتاريخ 25 مارس 2012 .
  29. ↑ "Reliance Electric 57C494 | Automation Industrial" . 57c494.com . تاريخ الاسترجاع: 10 يناير 2024 .
  30. ↑ بوز، بيمال ك. (سبتمبر - أكتوبر 1993). "إلكترونيات الطاقة والتحكم في الحركة - الوضع التكنولوجي والاتجاهات الحديثة".{{cite journal}}يتطلب الاستشهاد بالمجلة ( مساعدة )|journal=
  31. ↑ بوز، بيمال ك. (فبراير 2009). "إلكترونيات الطاقة ومحركات القيادة: التقدم الأخير والمنظور".{{cite journal}}يتطلب الاستشهاد بالمجلة ( مساعدة )|journal=
  32. ↑ يانو، ماساو؛ شيجيري آبي؛ إيتشي أونو (2004). "تاريخ إلكترونيات الطاقة لمحركات القيادة في اليابان".{{cite journal}}يتطلب الاستشهاد بالمجلة ( مساعدة )|journal=
  33. ↑ دي جيه هامرستروم وآخرون . "مشاريع تجريبية لمنصة اختبار GridWise™ في شمال غرب المحيط الهادئ، الجزء الأول: مشروع شبه جزيرة أولمبيك" (ملف PDF) . تم الاطلاع عليه بتاريخ 15 يناير 2014 . 
  34. ↑ وزارة الطاقة الأمريكية. "الشبكة الذكية / وزارة الطاقة" . تم الاطلاع عليه بتاريخ 18-06-2012 .
  35. 1 2 كاراسكو، خوان مانويل؛ ليوبولدو جارسيا فرانكيلو؛ جان تي بيالاسيويتز؛ إدواردو جالفان؛ رامون سي. بورتيلو جويسادو؛ أماه. أنجيليس مارتن براتس؛ خوسيه اجناسيو ليون؛ نارسيسو مورينو ألفونسو (أغسطس 2006). “أنظمة الطاقة الإلكترونية لتكامل شبكة مصادر الطاقة المتجددة: دراسة استقصائية”. معاملات IEEE على الإلكترونيات الصناعية . 53 (4): 1002.سيتيسيركس 10.1.1.116.5024 . دوى : 10.1109/tie.2006.878356 . S2CID 12083425 .  
  36. 1 2 لامونيكا، مارتن (21 يناير 2014). "إلكترونيات الطاقة قد تساعد الشبكة الكهربائية والطاقة الشمسية على التوافق | مراجعة معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا" . Technologyreview.com . تم الاطلاع عليه بتاريخ 22 يناير 2014 .

مراجع