دورة إلكترونيات القوى: الجزء 11 – تحويل التيار المتردد إلى التيار المتردد (1)
تحويل التيار المتردد ، المعروف أيضًا باسم تحويل التردد أو تحويل الجهد أو تحويل الطور ، يحول جهدًا متناوبًا واحدًا (AC) إلى آخر بتردد أو جهد مختلف. تُستخدم هذه العملية في العديد من التطبيقات ، بما في ذلك تشغيل المحركات الكهربائية وتنظيم السرعة وتعديل الجهد.
مقدمة
عادة ما يكون جهد إمداد التيار المتردد 240 فولتتيار متردد أو 120 فولتتيار متردد في دول مختلفة ، وقد يكون التردد 50 هرتز أو 60 هرتز. في سياقات خاصة أخرى ، تعمل بعض الأجهزة بجهد وترددات مختلفة ، على سبيل المثال عند 28 فولتتيار متردد و 400 هرتز للتطبيقات العسكرية والطيران. لهذه الأسباب ، غالبًا ما يكون تحويل جهد تيار متردد إلى آخر بخصائص مختلفة ضروريًا. هناك العديد من التقنيات لتحويل التيار المتردد إلى التيار المتردد ، لكن معظمها يعتمد على استخدام محول ثابت ، وهو جهاز يحول جهد تيار متردد إلى جهد تيار متردد آخر بتردد مختلف. بشكل عام ، يتكون من جسر ديود ، وفلتر ، ودائرة تحكم. يقوم جسر الصمام الثنائي بتحويل جهد التيار المتردد إلى جهد تيار مباشر (DC). ثم يتم ترشيح جهد التيار المستمر هذا لإزالة أي مكونات عالية التردد. أخيرًا ، يقوم العاكس بتحويل جهد التيار المستمر إلى جهد تيار متردد بتردد أو جهد مختلف. كما هو موضح في الرسم التخطيطي للكتلة في الشكل 1 ، عادة ما يتم عمل محول التيار المتردد AC من خلال مرحلتين أو ثلاث مراحل: AC-DC و DC-DC (في حالات خاصة) و DC-AC.
يمكن تحقيق تحويل التيار المتردد إلى التيار المتردد ، في بعض الحالات ، باستخدام مكونات سلبية مثل المقاومات والمكثفات في تكوين مقسم التيار أو الجهد أو محولات التيار والجهد. يمكن استخدام المكونات النشطة في هذا النوع من التحويل. تستخدم أجهزة AC-AC بشكل كبير في أنظمة الطاقة البديلة ، مثل الطاقة الشمسية أو طاقة الرياح. أكثر خصائصها صلة هي الكفاءة العالية. في حالة وجود قدر كبير من الطاقة ، فإن نقطة مئوية واحدة من عدم الكفاءة من شأنها أن تؤدي إلى العديد من القضايا المتعلقة بالسلامة ، وإهدار الطاقة ، وتبديد الحرارة ، وانبعاث إشارات التداخل. طريقتان لخفض جهد التيار المتردد بنسبة 50٪ موضحة في الشكل 2. الطريقة الأولى تستخدم مقسمًا مقاومًا ، والطريقة الثانية تستخدم مقسمًا سعويًا. يوفر مخطط الأسلاك 115 فولتالتيار المتردد (RMS) الجهد إلى حمل 500 أوم لتيار يبلغ حوالي 230 مللي أمبير وتبديد طاقة 26 وات. يستخدم المثال الأول للمقسم مقسم مقاوم بقيمة أومية تبلغ حوالي عُشر قيمة الحمل ، وهو قيمة معقولة تماما. في هذه الحالة ، يكون التبديد الحراري مرتفعًا جدًا ، وتضيع كل الطاقة في الحرارة غير المستخدمة. كفاءتها منخفضة للغاية ، فقط 4٪. يستخدم المثال الثاني للمقسم مقسمًا إلكتروليتيًا غير مستقطب يبلغ 22 درجة فهرنهايت ، وهي قيمة تضمن التيار الصحيح للحمل بسبب التفاعل السعوي المنخفض. كفاءة المحول كبيرة (98 بالمائة) ؛ المكثفات لا تسخن ، لكن النظام مكلف للغاية وخطير. في الواقع ، تخضع المكثفات لضغط كهربائي طويل المدى ، والنماذج الإلكتروليتية لهذه السعات ذات جهد التشغيل أعلى من 400 فولت باهظة الثمن ويجب استبدالها بشكل متكرر. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن أن يؤدي وجود السعتين إلى معدل إزاحة الطور في شبكة الطاقة.
تستخدم محولات التيار المتردد AC-DC-AC أيضًا في إمدادات الطاقة غير المنقطعة (UPS). يستخدمون بطارية في الجزء DC من الدائرة للحفاظ على خرج التيار المتردد حتى عند فشل الإدخال. تطبيق آخر لمحول AC-AC مع مكونات الحالة الصلبة هو تغيير ترددات تشغيل النظام ، على سبيل المثال ، من 50 هرتز إلى 60 هرتز أو من 60 هرتز إلى 50 هرتز. التطبيق الكلاسيكي هو طاقة الرياح. نظرًا لعدم القدرة على التنبؤ بالأحداث الطبيعية ، فإن القدرة الناتجة لها تردد وسعة متغيران للغاية. من ناحية أخرى ، للشبكات الكهربائية متطلبات صارمة للغاية فيما يتعلق بالتردد وانزياح الطور والشكل الموجي الجيبي. في هذه الحالات ، يعد استخدام محول AC-AC لمطابقة الطاقة المنتجة مع متطلبات الشبكة أمرًا ضروريًا للغاية.
على الرغم من كونه أكثر تعقيدًا ، فإن حل AC-DC-AC أفضل من تحويل AC-AC. يسمح المسار الوسيط للتيار المستمر بمزيد من استقرار النظام وتحكم أفضل في الطاقة من أجل تشغيل أكثر موثوقية وكفاءة. لتقليل سطوع المصباح أو سرعة محرك التيار المتردد ، من الضروري إمدادهما بجهد أقل من الفولتية المقدرة. يمكن تحقيق ذلك بالطرق التالية:
- خفض جهد الإمداد باستخدام محول نسبة متغيرة أو محول ذاتي
- إنتاج انخفاض الجهد مع حمل إضافي في سلسلة مثل المقاومات أو المحاثات أو المكثفات الكبيرة
- تجزئة العرض ، أي توفير الطاقة للحمل فقط لجزء صغير من الوقت. في هذه الحالة ، تعمل الدائرة على المدة وليس الجهد. الشرط الأساسي هو أن تردد الإشارة مرتفع بما يكفي بحيث لا يكون تأثير الخفقان للمصباح ملحوظًا بصريًا.
باهتة
يقبل المحول الإلكتروني للطاقة AC-AC الطاقة الكهربائية من نظام واحد ويحولها إلى نظام تيار متردد آخر ، يتميز بأشكال موجية ذات سعة وتردد ومراحل مختلفة. محولات الطاقة AC-AC التي يتم فيها تحويل التردد مباشرة إلى تردد آخر ، دون أي اتصال تحويل وسيط للتيار المستمر (كما في حالة المحولات) ، تسمى محولات cyclo. تنتمي وحدات التحكم في الطور إلى هذه الفئة ، باستخدام Diac و Triac. عادةً ، يتم تشغيل وإيقاف المصابيح باستخدام مفتاح ، والذي يمكن نقله إلى وضعين مختلفين ينتج عنه سطوع أقصى أو صفر ، بدون مواضع وسيطة. ومع ذلك ، يمكن تحقيق قيم السطوع المتوسطة باستخدام مفاتيح إلكترونية سريعة جدًا (SCR ، TRIAC ، GTO ، الترانزستور ، MOSFET). تتحكم الدائرة في متوسط قوة الحمل عبر Triac باستخدام التحكم في الطور. يتم تطبيق طاقة التيار المتردد على الحمل لجزء بسيط فقط من وقت كل دورة. يتم إيقاف تشغيل Triac لجزء من دورته ، ثم يتم تشغيله في وقت محدد. المشكلة الرئيسية في هذه الدائرة هي انبعاث التداخل الراديوي الذي يمكن ، مع ذلك ، تخفيفه عن طريق إدخال محث كمرشح متسلسل مع الحمل. مع هذا النوع من الدوائر ، يمكن ضبط التيار المتدفق عبر مصباح أو جهاز إلكتروني لتغيير شدة الإضاءة أو خرج الطاقة. كما هو موضح في الرسم البياني للدائرة في الشكل 3 ، تتكون الدائرة الأساسية من Triac ، و Diac ، ومقياس جهد ، ومقاوم ، ومكثف. عندما يتم تدوير مقياس الجهد ، تختلف مقاومة التحكم فيه ، مما يؤدي إلى تغيير وقت تشغيل Diac. بهذه الطريقة ، يكون شكل الموجة جزئيًا.
اعتمادًا على موضع مقياس الجهد ، فإن ثابت وقت RC (المحدد في المثال التخطيطي بواسطة R2 و C3) يأخذ قيمًا معينة تؤثر على توقيت مشغل Triac. يوضح الشكل 4 مخططات التذبذب لجهد دخل الدائرة والفولتية الموجودة على الترياك في المواضع المختلفة لمقياس جهد التحكم.
من المثير للاهتمام أن نلاحظ أن الدائرة ، نظرًا لخصائصها المتأصلة ، تولد الكثير من التداخل ، وعندما تنخفض الطاقة على الحمل ، تتأثر إشارة الخرج بالعديد من التوافقيات ، مما يزعج خط الطاقة ، ومن المحتمل ، المعدات اللاسلكية وضعت بالقرب من باهتة. من خلال تغيير موضع مقياس الجهد ، لسوء الحظ ، لا تختلف الطاقة التي يتم توفيرها عند الحمل فحسب ، بل تختلف أيضًا في كفاءة الدائرة ومقدار التداخل المنبعث.
خاتمة
يمثل استخدام باهتة لتقسيم الموجة الجيبية على الحمل تقنية واسعة الانتشار وراسخة في إلكترونيات الطاقة. نظرًا لتعدد استخداماته ، يتيح هذا الحل التحكم في شدة المصباح أو سرعة المحرك الكهربائي عن طريق ضبط طاقة الخرج الخاصة به. ليست كل أنواع المصابيح مناسبة لتنوع الضوء باستخدام المخفتات الإلكترونية. على سبيل المثال ، المصابيح الفلورية ومصابيح البخار المعدنية ومصابيح النيون غير مناسبة. يمكن استخدام مصابيح LED الحديثة مع المخفتات ، ولكن يجب اختيار المصابيح المصممة خصيصًا لهذا الغرض في هذه الحالة. ومع ذلك ، فإن البحث في مجال تحويل الطاقة يتطور باستمرار ، وتتوسع التقنيات الأكثر تقدمًا وابتكارًا في السوق. في الدفعة التالية ، سيتم استكشاف بعض المحولات الأكثر تعقيدًا وابتكارًا ، مما يمثل خطوة إلى الأمام في تصميم أنظمة إلكترونية عالية الكفاءة وعالية الأداء.
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 الطاقة: الجزء 10 – العاكس أحادي الطور كامل الجسر
اكتشاف المزيد من موقع 5 كيلو
اشترك للحصول على أحدث التدوينات المرسلة إلى بريدك الإلكتروني.
