الوضع المحايد لنظام الأسلاك الكهربائية ثلاثي الأطوار

تحليل الوضع المحايد لنظام الأسلاك الكهربائية ثلاثي الأطوار

تستخدم العديد من المرافق التجارية نظام توزيع ثلاثي الأطوار بأربعة أسلاك، حيث أن الأحمال أحادية الطور المتصلة في أي من المراحل الثلاث تعود بالتيار من خلال نفس الموصل المحايد، كما يمكن أن تكون الأحمال المتصلة خطية أو غير خطية، كذلك يمكن أن تسبب الأحمال غير الخطية تيارات متناسقة مما ينتج عنه تيارات موجبة وسالبة وصفرية تتدفق عبر المحايد.

وفي ظل ظروف العرض المثالية والحمل المتوازنة، يصبح التيار الأساسي من خلال المحايد صفراً حيث أن التيار الأساسي الذي يتم رسمه بواسطة الأجهزة المتصلة بمراحل مختلفة يفصل بينهما (120) درجة، في حين أن تيارات التسلسل الموجب والسالب في المحايد تصبح تكاد لا تذكر؛ فإن تيارات التسلسل الصفري أي جميع التوافقيات الثلاثية، بحيث تضيف حسابياً وتصبح ثلاثة أضعاف قيمتها فيما يتعلق بمرحلة واحدة.

كما يصبح حساب قيمة جذر متوسط ​​التربيع للتيار المحايد (1.73) مرة من تيار الطور للأحمال المتطابقة المتوازنة التي تحقن التوافقيات الثلاثية، وهناك بعض الأمثلة على الأحمال غير الخطية التي يمكن أن تكون مرتبطة بالحقن التوافقية الثلاثية هي مصابيح (LED) وأجهزة الكمبيوتر وإمدادات طاقة الخادم.

وفي التركيبات التجارية مثل مراكز البيانات؛ فإنه يمكن أن تؤدي “التوافقيات الثلاثية” المفرطة إلى تسخين الموصل المحايد إذا كان الموصل المحايد أصغر من الحجم، كما يمكن أن يتسبب التيار الزائد في المحايد أيضاً في فرق جهد مفرط بين الموصل المحايد والأرض.

غالباً ما تستخدم محولات الطاقة الكهربائية المستخدمة لتزويد الأحمال غير الخطية تقنيات تعديل عرض النبض (PWM)، ومع التبديل (IGBT \ MOSFET) بترددات تتراوح عادةً بين (2) إلى (150) كيلو هرتز، كما يُشار إلى هذا النطاق الترددي باسم علم النطق فوق الصوتي من خلال، على سبيل المثال يمكن أن تكون المواد فوق الصوتية إما ثابتة (على مدى دورة واحدة لتردد نظام الطاقة) تتمحور حول تردد واحد أو متغيرة في الوقت ضمن نطاق تردد ثابت.

على سبيل المثال، في حالة العاكس الشمسي الجيبي القائم على (PWM)؛ تظهر المركبات التوافقية فوق الصوتية متمركزة حول تردد التبديل ومضاعفاته، في حين أن مصدر طاقة (DC-DC) القائم على التباطؤ؛ فإن التوافقيات الفوقية سوف تختلف في نطاق تردد ثابت، وفي الحالة الأخيرة قد لا يكرر مكون التردد الكهربائي نفسه كل دورة بنفس زاوية الطور والحجم.

قياسات المصابيح الخاصة لبام الأسلاك الكهربائية ثلاثي الأطوار

أجريت التجارب في مختبر (Pehr Högström) الواقع في حرم (LTU – Skellefteå)، حيث تم استخدام مصابيح (LED) المتصلة بتوزيع (4) أسلاك ثلاثي الأطوار لتوليد انبعاث فوق التوافقي، كما تم استخدام مصباح (12) وات (PFC LED)، وذلك مع تبديل حاكم (LED) في نطاق تردد من (40) إلى (50) كيلو هرتز، كما تم توصيل ما مجموعه (20) مصباحاً في كل مرحلة، أي أن المحايد سيحمل تيار (60) مصباحاً في المجموع.

كذلك يوضح الشكل التالي (1) مخطط التوصيل في شبكة ثلاثية الطور، (400 فولت)، (50) هرتز، لذلك يتم سرد القياسات التي تم إجراؤها في نظام الحصول على البيانات الموضح في الشكل التالي (1) واستخدم راسم تذبذب (Hioki) لتسجيل الإشارات بتردد أخذ عينات يبلغ (10 MS / ثانية)، وذلك مع تردد يصل إلى (kHz -150).

أيضاً تم إجراء القياسات لنافذة (200) مللي ثانية بدقة (5) هرتز وفقاً للمواصفة (IEC 61000-4-30)، كما تم إجراء جميع القياسات الحالية باستخدام نموذج مجسات بيرسون الحالي (411)، وهو نموذج مغلق بشكل دائم، حيث أن هذا المسبار الحالي لديه نقل (100mV / A)، وذلك في نطاق التردد محل الاهتمام، بحيث تكون الدقة (+ 1 / -0٪)، وهو خطأ الطور للمسبار أقل من (1) درجة من (60) هرتز إلى (333) كيلو هرتز.

تحليل المجال الزمني: يوضح الشكل التالي (2) الأشكال الموجية المقاسة للتيارات ثلاثية الطور والتيار المحايد الذي يوفر (20) مصباحاً لكل مرحلة، كما يمكن ملاحظة أن تيار الطور مشابه للتيار المتناوب النابض المرسوم بواسطة الأحمال الكهربائية غير الخطية باستخدام مقوم الصمام الثنائي، وذلك مع تركيب فوق التوافقية، كذلك التيار المحايد يسيطر عليه التوافقي الثالث مع التوافقية فوق التوافقية المركبة عليه.

ونظراً لأن الاهتمام بالعلم فوق الصوتي؛ يوضح الشكل التالي (3) نفس التيارات المرشحة في مدى التردد من (40) كيلو هرتز إلى (50) كيلو هرتز، كما إنه يوضح أن علم الصوت فوق الصوتي يتغير بمرور الوقت لأن تيارات الطور المصفاة تختلف في كل دورة في جميع الحالات.

ونظراً لأن علم الأمواج فوق الصوتية يختلف في كل دورة؛ فإن قيمة جذر متوسط ​​التربيع للدورة المحسوبة حسب الدورة ستختلف، بحيث يتم إعطاء القيمة الإجمالية لجذر متوسط ​​التربيع لـ (10) دورات، كما أن قيمة جذر متوسط ​​التربيع القصوى والدنيا لكل دورة خلال الدورات العشر وفرقها كنسبة مئوية من القيمة الإجمالية للدورة العشر في الجدول الأول للطور والتيارات المحايدة، بحيث تُحسب قيمة جذر متوسط ​​التربيع للتيارات المرشحة الموضحة في الشكل (3).

نتائج مجال التردد الكهربائي: يتم تحليل قياس مصابيح (LED) في مجال التردد باستخدام تحويل فورييه المنفصل (DFT) لتيارات الطور المقاسة والتيار الكهربائي المحايد باستبانة تردد تبلغ (5) هرتز، كما تم العثور على تيارات الطور المقاس والتيار المحايد لهما نفس غلاف التردد لكنهما يختلفان في مقادير نفس مكون التردد، بحيث يتم حساب حجم تيار الطور عن طريق تجميع مكونات التردد وحساب إجمالي التيار فوق التوافقي (TSHC)، والذي يُعطى بواسطة:

حيث أن:

(s): هو دليل القيمة الحالية لجذر متوسط ​​التربيع.

(I): مكون التردد الذي يبدأ من حد التردد الأدنى لنطاق التجميع.

(fmin): ينتهي عند حد التردد الأعلى لنطاق التجميع.

(fmax): تم استخدام هذا الفهرس بواسطة ويستند إلى “نظرية بارسيفال”.

ولتحليل مصابيح (LED) التي تم إجراؤها في هذه الورقة؛ فإنه يتم أخذ (fmin ، fmax) على أنها (40) كيلو هرتز و (50) كيلو هرتز على التوالي، كما يجب أن يتم اختيار (fmin ، fmax) بناءً على مكان وجود الانبعاث الرئيسي من جهاز معين، كما تقترح المواصفة القياسية (IEC 61000-4-7) استخدام تجميع (200) هرتز حول الترددات التوافقية، وذلك للتعويض عن تسرب الطاقة في المكون الطيفي المحيط به.

ونظراً لأن البث قيد النظر ينتشر بين (40) كيلو هرتز إلى (50) كيلو هرتز؛ فإن تجميع (200) هرتز سيؤدي إلى فقد مقادير لبعض المكونات، كذلك تم حساب (TSHC) لانبعاث مشابه ووجد أن استخدام مجموعة (2) كيلو هرتز أو (200) هرتز يؤدي إلى عدم يقين أعلى في الحجم لأن القيم تختلف بمرور الوقت أكثر من عند استخدام تجميع (10) كيلو هرتز.

وأخيراً؛ فإن التوصية هي إحاطة النطاق بأكمله الذي يتحرك فيه تردد التبديل، بحيث تبلغ قيمة (TSHC) المحسوبة لتيارات الطور (L1 ، L2 ، L3 21.26) مللي أمبير و (22.82) مللي أمبير و (22.41) مللي أمبير والتيار المحايد (26.30) مللي أمبير على التوالي، كما تشبه هذه القيم قيم جذر متوسط ​​التربيع الموضحة في الجدول السابق، وفي هذا الطرح، تُعرَّف علاقة (TSHC) لتيار الطور والتيار المحايد على أنها:

حيث:

(In): التيار المحايد.

(Iph): تيار الطور لأي مرحلة واحدة.

كذلك نسبة (Rnp) للحالة في الشكل السابق (3) هي (1.2).