تحويل التيار المتردد AC

في الدفعة السابقة ، قدمنا ​​مفهوم تحويل التيار المتردد إلى التيار المتردد ، وقدمنا ​​مخططًا بسيطًا باهتًا. ومع ذلك ، يمكن جعل هذا النوع من التحويل أكثر تعقيدًا لتحقيق أداء أفضل وكفاءة أعلى. في هذه المقالة ، سوف نستكشف بعض التقنيات الأكثر تقدمًا المستخدمة لتحويل التيار المتردد ، على الرغم من أن الحلول ذات الصلة هي بالتأكيد أكثر تعقيدًا من الحلول السابقة. الهدف الرئيسي لجميع التقنيات هو تحقيق أعلى كفاءة وأمان من الدوائر الإلكترونية ، بالإضافة إلى إنتاج إشارة AC نظيفة مع الحد الأدنى من العيوب والتداخل.

تحويل التيار المتردد AC: المحول

الغرض من إلكترونيات الطاقة هو تحويل الطاقة الكهربائية من شكل إلى آخر ، بأقل قدر من فقدان الطاقة. المحول (انظر الشكل 1) هو جهاز كهربائي يستخدم لنقل الطاقة في دائرة تحويل التيار المتردد AC عن طريق تغيير قيمة الجهد والتيار. بدون أي ترتيبات أو إضافات خاصة بالدوائر ، يكون تردد الإشارة هو نفسه في كل من المدخلات والمخرجات. بشكل عام ، يتكون المحول من قلب حديدي (أو مادة مغناطيسية أخرى) يتم لف حوله ملفان أو أكثر من الموصل المعزول. يسمى الملف الذي يستقبل الطاقة الكهربائية “الملف الأولي” ، والملف الذي ينقله إلى دائرة الحمل يسمى “الملف الثانوي”. عندما يتم تطبيق جهد متناوب على الملف الأولي ، يتم إنشاء مجال مغناطيسي يتفاوت في شدته ، ويؤدي هذا المجال المغناطيسي إلى جهد متناوب في الملف الثانوي. تحدد النسبة بين عدد لفات الملف الأولي وعدد لفات الملف الثانوي النسبة بين جهد الدخل والجهد الناتج للمحول. يتميز المحول المثالي بالاقتران المثالي بين الملفات ، حيث يتم نقل التدفق المغناطيسي من ملف واحد بسلاسة إلى الملف الآخر دون خسائر ، سواء في الموصلات النحاسية أو الحديدية. في مثل هذا المحول ، تكون طاقة الإدخال الظاهرة مساوية لقدرة الخرج الظاهرة. بشكل عام ، ترتبط معلمات عدد المنعطفات (N) والجهد (V) والتيار (I) للملفين من خلال العلاقة التالية ، حيث “m” هي نسبة عدد الدورات:

يحدث النقل الأقصى للطاقة بين المولد والمشغل عندما تكون المقاومة الداخلية للمولد مساوية لمقاومة الحمل. في كثير من الأحيان ، إذا كان لدائرتين متصلين بهما ممانعات مختلفة ، فيمكن تكييف الممانعات ذات الصلة عن طريق إقرانها بمحول له نسبة تحويل مناسبة “m” ، وذلك لتساوي قيمتي المقاومة ، وبالتالي تحقيق أقصى قدر من نقل الطاقة. على عكس المحولات المثالية ، في المحولات الحقيقية ، تتمتع الملفات دائمًا ببعض المقاومة ، ولا يربط التدفق المغناطيسي بين الملفين تمامًا ، وهناك خسائر في الحديد بسبب التباطؤ والتيارات الدوامة. تتميز ملفات الأسلاك الكهربائية بمقاومة طبيعية ، وفي النظام المتناوب ، تمتلك مكونات استقرائية وسعوية تؤدي إلى إنتاج الحرارة في الخطوط بواسطة تأثير جول. تستخدم المحولات على نطاق واسع في العديد من التطبيقات ، مثل نقل الطاقة لمسافات طويلة ، وإمدادات الطاقة ، وشواحن البطاريات ، ودوائر طاقة مكبر الصوت ، والعديد من الأجهزة الأخرى. لذلك ، ينتقل التحويل من الجهد المنخفض إلى الجهد المتناوب العالي (أو العكس). بالنسبة للحمل المقاوم البحت ، حيث يكون V و I في الطور مع بعضهما البعض ، فإن الطاقة المقدمة تساوي:

القدرة اللحظية هي مجموع مكون ثابت ومكون متذبذب. نظرًا لأنه يتم بذل جهد لتقليل فقد الطاقة ونقل أعلى طاقة متاحة ، يتم استخدام محولين للتيار المتردد / التيار المتردد لنقل التيار المتردد عبر مسافات كبيرة: الأول يرفعه والثاني يخفضه.

تحويل التيار المتردد AC: محولات الدوران

يمكن للمحولات الحلقية تحويل مصدر التيار المتردد المدخل بتردد معين إلى مصدر تيار متردد بتردد مختلف. يمكن استخدامها أيضًا لتغيير سعة إخراج مصدر التيار المتردد. غالبًا ما يفضل المصممون هذا الحل لتحويل التيار المتردد إلى التيار المتردد لتقليل فقد الطاقة ولجعل حل الدائرة أبسط وأكثر فعالية من حيث التكلفة. يمكن تصنيفها على أنها “محولات دائرية لنمط الحجب” ، حيث يتم إجراء سطر واحد فقط في كل مرة ، بينما يتم حظر الآخر ، و “الوضع الحالي المتداول” ، حيث يعمل كل من الفرعين الموجب والسالب في نفس الوقت. عادة ، توفر منظمات التيار المتردد جهد خرج متغير بتردد ثابت. تتميز الإشارة بالعديد من التوافقيات. من الممكن أيضًا تحقيق تردد متغير باستخدام مرحلتين من التحويلات ، واحدة AC-DC والأخرى DC-AC. ومع ذلك ، يمكن للمحولات الحلقية أن تلغي الحاجة إلى محول وسيط واحد أو أكثر. يتم تبديل معظم المحولات الدائرية بشكل طبيعي ، ويكون الحد الأقصى لتردد الإخراج مقيدًا بتردد الإدخال. تتيح الترقيات الجديدة في مكونات الطاقة إمكانية تنفيذ استراتيجيات تحويل متقدمة للغاية. يوضح الشكل 2 الرسم التخطيطي الأساسي لمحول الدوران أحادي الطور. يعمل المحولان كمعدلين للجسر. يتم حساب الجهد الفعال للمحول من خلال العلاقة التالية:

من خلال تغيير زوايا التأخير بشكل مناسب ، يكون جهد الخرج لمحول واحد مساويًا ومعاكسًا لجهد المحول الآخر. إذا كان المحول P يعمل بمفرده ، يكون جهد الخرج موجبًا ، وإذا كان المحول N يعمل بمفرده ، يكون جهد الخرج سالبًا.

يتم استخدام مخطط أسلاك مشابه جدًا في الحقل ثلاثي الطور ، حيث يوجد مقومان ثلاثي الأطوار يتم التحكم فيهما.

تحويل AC-AC: محول دفعة AC-AC أحادي الطور

حل بسيط وعالي الأداء هو محول AC-AC Boost المباشر أحادي الطور. نظرًا لأن تردد التشغيل أكبر من 20 كيلو هرتز ، فإن النظام لا يصدر ضوضاء مسموعة وتكون المرشحات صغيرة الحجم. التيار المرسوم بواسطة الدائرة شبه جيبي. يظهر محول تعزيز التيار المتردد AC في الشكل 3 ويتكون من محولين إلكترونيين (عادةً IGBTs) ومحاثة. الحث الآخر هو مرشح التيار الكهربائي. تردد التشغيل 20 كيلو هرتز. من المهم ملاحظة أن الدائرة تعمل بشكل جيد لتحويل التيار المتردد إلى التيار المتردد مع أي نوع من الأحمال. تتمتع المفاتيح الإلكترونية في الرسم التخطيطي (S1 و S2) بسلوك حقيقي مع مقاومة تشغيل تبلغ 0.1 أوم ومقاومة إيقاف تبلغ 1 ميجا أوم ؛ ومع ذلك ، يجب استخدام مكونات التحويل ثنائية الاتجاه الحقيقية. إنها لفكرة جيدة إدخال شبكة RC متسلسلة محسوبة بشكل صحيح بين أطرافها. يتم تمثيل الحمل بواسطة المقاوم R1.

إن جهد إمداد الدائرة هو جيبي. يمكن استخدامه عند الضرورة لزيادة جهد الخرج عند الحمل ، مثل من 115 فولت تيار متردد إلى 230 فولت تيار متردد. في الأوقات التي يكون فيها التيار منخفضًا ، يتم توفير الإمداد بالحمل بواسطة مكثف الإخراج. أسفل مخطط الأسلاك ، يظهر الرسم البياني لجهد الدخل (في المثال Vin من 21 Vrms) والجهد الناتج (Vout 52 Vrms). كلا الفولتية في طور مع بعضهما البعض وتردد 50 هرتز. ومع ذلك ، يمكن أن تتغير المرحلة اعتمادًا على دورة عمل الإشارة التي تقود المفاتيح الإلكترونية. جودة إشارة الخرج مثالية ، ويظهر الشكل 4 توافقيًا ثالثًا مهمًا (عند 150 هرتز) والذي ، مع ذلك ، يمكن تقليله باستخدام المرشحات. من ناحية أخرى ، فإن إشارة الإدخال خالية من التشويه والتوافقيات ، كونها موجة جيبية مثالية.

يمكن إنشاء الإشارة التي تحرك IGBTs بواسطة متحكم دقيق للتحكم الكامل في سلوك المحول. إن وجود مرشح التيار الكهربائي مهم للغاية لأنه يمنع الكثير من التداخل والضوضاء الكهربائية في المنبع. ومن المثير للاهتمام ، في هذه الدائرة ، يعتمد جهد الخرج على النسبة المئوية لدورة العمل. ولكن بالنسبة لدورات العمل التي تزيد عن قيمة معينة (في المثال عند 86 بالمائة) ، تبدأ الفولتية الناتجة في الانخفاض بشكل كبير حيث يفقد محرك الأقراص مكون النبض ويصبح أقرب وأقرب إلى جهد ثابت للتيار المستمر. أخيرًا ، بالنسبة لدورة العمل بنسبة 100٪ ، لا توجد إشارة خرج عمليًا. علاوة على ذلك ، تبدأ الدائرة النموذجية في التصرف كتعزيز عندما تكون دورة عمل القيادة أكبر من 14٪. يوضح الجدول التالي قيم خرج الذروة و RMS للدائرة ، فيما يتعلق بدورة عمل القيادة لعناصر أشباه الموصلات.

تم تأكيد قيم جهد RMS ، التي تعتمد على دورة عمل القيادة ، بصريًا في الرسم البياني في الشكل 5 ، حيث تمثل abscissae القيمة المئوية لدورة العمل ، وتمثل الإحداثيات جهد خرج RMS للدائرة. النموذج العقلاني الجيد الذي يمثل اتجاه قيمة RMS للمخرجات هو ما يلي:

بالمعايير التالية:

أ = 1،778927821898001E + 01

ب = -1،785899570885315E-01

ج = -2149467094812936E-02

د = 1،171047986745630E-04

الاستنتاجات

تعد الأجهزة الإلكترونية الخاصة بتحويل التيار المتردد إلى التيار المتردد أساسية لتحويل الطاقة الكهربائية المتناوبة ، بترددات وجهود مختلفة. يتم استخدامها في العديد من المجالات ، وخاصة في الصناعة ونقل الطاقة الكهربائية. في النظام ثلاثي المراحل ، تُستخدم هذه الأنواع من المحولات على نطاق واسع ، لكن اختيار نوع المحول يعتمد على احتياجات النظام والتطبيقات. يعد تصميم محولات التيار المتردد AC أمرًا بالغ الأهمية ، ويواجه المصممون العديد من التحديات التقنية مثل تقليل الضوضاء وكفاءة الطاقة واستقرار النظام وسلامة النظام. يتم تحقيق أفضل النتائج لتحويل التيار المتردد إلى التيار المتردد باستخدام أجهزة أشباه الموصلات الجديدة عالية الجهد وعالية السرعة.

اقرأ أيضًا:

سلسلة دورات إلكترونيات الطاقة

دورة إلكترونيات القوى: الجزء الأول – مقدمة

دورة إلكترونيات القوى: الجزء الثاني – الكابلات والأسلاك وثنائي الفينيل متعدد الكلور

دورة إلكترونيات القوى: الجزء 3 – SCR و Triac و BJT

دورة إلكترونيات القوى: الجزء الرابع – مكونات الطاقة

دورة إلكترونيات القوى: الجزء الخامس – الصمام الثنائي والمقوم

دورة إلكترونيات الطاقة: الجزء 6 – Step-Down DC / DC Converter

دورة إلكترونيات الطاقة: الجزء 7 – محولات DC-DC Step Up Up

دورة إلكترونيات الطاقة: الجزء 8 – منظم التعزيز باك

دورة إلكترونيات القوى: الجزء 9 – العاكس PWM

دورة إلكترونيات القوى: الجزء 10 – عاكس الجسر الكامل أحادي الطور

دورة إلكترونيات القوى: الجزء 11 – تحويل التيار المتردد إلى التيار المتردد (1)

لطالما كان جيوفاني مولعًا بالإلكترونيات والرياضيات والأعمال اليدوية. وهو مبرمج كمبيوتر ومدرس لعلوم الكمبيوتر والرياضيات. إنه يحب الشخصيات ويبحث دائمًا عن أرقام رئيسية كبيرة. كما كتب كتابًا عن برمجة PIC Microcontroller 16F84 باستخدام mikroBasic. هو صاحب شركة Elektrosoft ، وهي شركة تتعامل مع الإلكترونيات وتكنولوجيا المعلومات. إنه مدرب ومعلم بدوام كامل.