سرعة وتردد التحويل العالي للآلات الكهربائية

تأثير سرعة وتردد التحويل العالي للآلات الكهربائية

مع الخصائص المرتفعة والتداول التجاري، كما تجد الأجهزة ذات فجوة النطاق العريض (WBG) تطبيقاتها تدريجياً، وذلك بالمقارنة مع “نظائر السيليكون” (Si)، كما تتمتع أجهزة كربيد السيليكون (SiC) و”نيتريد الغاليوم” (GaN) بسرعات تحويل أسرع (وقت تبديل أقصر) وترددات تحويل أعلى وقدرة حظر أعلى وأداء أعلى في “درجات الحرارة”.

كما أنه من الممكن أن يصل تردد تبديل المحولات الكهربائية (WBG) إلى (100) ثانية من كيلوهرتز ويمكن أن يكون وقت صعود معدل الجهد الكهربائي الخاص التبديل “قصيراً” يصل إلى (10) ثوانٍ من “النانو ثانية” لأجهزة (SiC) وأقل من (10ns) لأجهزة (GaN).

وفي المقابل يكون تردد تبديل محولات (Si- IGBT) أقل من (20) كيلو هرتز ووقت التبديل في حدود عدة مئات من النانو ثانية أو حتى أطول، كما يمكن أن يؤدي “تردد التحويل الكهربائي” إلى تقليل مكونات الترشيح ويمكن أن تقلل سرعة التحويل الأسرع من فقدان التبديل، ومن ثم “متطلبات التبريد”، كما يمكن أن يؤدي اعتماد أجهزة (WBG) في أنظمة محرك المحرك إلى تحسين كثافة الطاقة وكفاءتها وتمكين محركات التردد الأساسي العالي للآلات الكهربائية ذات السرعة العالية وعدد الأعمدة الكبير.

وهذا بالحقيقة المفضل في التطبيقات مرتفعة الكفاءة والكثافة للقدرة الكهربائية، مثل المزيد من الطائرات ووسائل النقل الكهربائية، ومع ذلك في ظل سرعة التبديل العالية (dv / dt) وترددات التحويل العالية، كما يعاني المحرك من جهد زائد في طرفيه ونقطته المحايدة، كما تعمل هذه الفولتية الزائدة على الضغط على عزل لف المحرك والمحامل، مما قد يؤدي إلى تدهور وفشل ما قبل النضج.

وعلاوة على ذلك، ومع استمرار ارتفاع (dv / dt)، كما يتوزع الجهد (بما في ذلك الجهد الزائد) بشكل غير متساوٍ ومتوافق عبر لفات المحرك وعادةً ما تكون أول عدة لفات من مواجهة اللف معظم الجهد الكهربائي الزائد، مما يزيد من الضغط على عزل المنعطفات العديدة الأولى، بحيث يرجع سبب الجهد الزائد بشكل أساسي إلى عدم تطابق الممانعة.

وعلى سبيل المثال عند أقطاب المحرك الكهربائي، كما تكون مقاومة اقلاع المحرك أعلى بكثير من مقاومة اقلاع الكابل (بين الجزء العاكس والمحرك نفسه)، وبالتالي يتم تكوين الجهد الزائد بسبب “ظاهرة الموجة المعاكسة للوضع الطبيعي”، كما يظهر الجهد الزائد لموضع المحرك في كل من “جهد الطور إلى الطور” (الوضع التفاضلي (DM)) والجهد من الطور المزود إلى الأرض (الوضع المشترك (CM)).

وبالمثل؛ فإنه بالنسبة للجزء الثابت المحايد، ونظراً لأن النقطة المحايدة تطفو بشكل طبيعي؛ فإن مقاومة (CM) للمحرك تواجه دائرة مفتوحة (مقاومة لانهائية للأرض) عند المحرك المحايد، لذلك هناك أيضاً عدم تطابق في الممانعة عند محايد المحرك، لذلك هناك جهد زائد بين المحرك المحايد والأرضي، وهناك مرة أخرى بسبب ظاهرة انعكاس الجهد الكهربائي.

تحليل الجهد الزائد للمحرك في المجال الزمني ومجال التردد

في هذا الجزء، يتم تقديم الجهد الزائد “للمحرك الكهربائي” والجهد المنحرف للنقطة المحايدة باستخدام تحليل المجال الزمني (ظاهرة انعكاس الموجة) وتحليل مجال التردد (التردد المضاد للرنين)، بحيث يظهر هيكل نظام محرك متقلب السرعة في الشكل التالي (1)، وهنا يُفترض أن يعتمد العاكس على أجهزة WBG) (SiC ، GaN))، ولكن يمكن أيضاً استخدام التحليل لأجهزة (Si) مثل (Si-IGBTs).

لذلك يتم توصيل “العاكس الكهربائي” بالمحرك من خلال سلك خاص، وهنا تجدر الإشارة إلى أن الجهد الزائد للمحرك ناتج عن وجود السلك بين العاكس والمحرك، لكن “الجهد الزائد المحايد” للمحرك لا ينتج عن الكبل ويمكن أن يحدث بدون توصيل أي سلك، وفي الهيكل الموضح في الشكل السابق (1)، كما يتم توصيل نقطة المنتصف لمكثف (DC-link) العاكس (o) بعلبة المحرك عبر سلك أرضي (g).

وبهذه الحالة، ينخفض ​​الجهد للعاكس (CM) مباشرة عبر الجزء الثابت للمحرك الكهربائي المحايد (n) والأرض (علبة المحرك)، أي (o ، g)، حيث (o ، g) لهما نفس الإمكانات خاصة في بعض التطبيقات، لذلك؛ فإنه لا يتم توصيل “النقطة المحايدة” (o) العاكس (DC) مباشرة بالأرض، لذلك ينخفض ​​جهد (CM) بين الجزء الثابت للمحرك المحايد والعاكس (DC-link) المحايد المرتبط بالسعة الطفيلية بين العاكس المحايد والأرض الى الأرض، كما يوضح الشكل (1) أيضًا كيفية قياس الفولتية المختلفة للعاكس أو المحرك.

كما يوضح الشكل التالي (2) “الإعداد التجريبي” لتقييم تأثير سرعة التحويل العالية وتردد التحويل العالي لمحركات محركات (WBG) على “الآلات الكهربائية”، وهنا تم استخدام مجموعة المولدات ذات المحرك الحثي (7.5kW) كآلات اختبار، بحيث يتم استخدام عاكس تيار مستمر أو تيار متردد ثلاثي الأطوار قائم على (SiC) (MOSFET) وعاكس يعتمد على (GaN – HEMT) مع سرعة تبديل قابلة للضبط و”تردد التبديل” كمحولات محرك، كما يتم أيضاً توصيل كابل (3.9 م – و 70 م) بين العاكس والمحرك كما هو موضح في الشكل (2).

التحليل باستخدام ظاهرة انعكاس الموجة (المجال الزمني)

بشكل أساسي، يرجع فرق الجهد الكهربائي الزائد إلى “ظاهرة انعكاس الموجة”، بحيث يوجد عدم تطابق بين ممانعتا اندفاع متصلين، أي أن إحدى الممانعات أكبر بكثير من الأخرى، وهذا يفسر سبب وجود جهد زائد في “طرف المحرك”، أي أن مقاومة اندفاع المحرك أعلى بكثير من مقاومة ارتفاع الكابلات.

كما يفسر هذا أيضاً سبب وجود جهد مرتفع في “النقطة المحايدة” للجزء الثابت للمحرك، أي أن المحرك المحايد يواجه مقاومة (CM) كبيرة لانهائية (دائرة مفتوحة)، بحيث يوضح الشكل التالي (3) عدم تطابق الممانعة الذي يسبب الجهد الزائد لطرف المحرك (DM) و (CM) والجهد الزائد للمحرك (CM) المحايد، كما لوحظ أنه لا يوجد جهد زائد (DM) عند “المحرك المحايد”، وذلك لأن الأطوار الثلاثة مختصرة معاً عند المحايد، وذلك بمعنى آخر وجهد (DM) عند الجزء الثابت المحايد هو صفر.

التحليل باستخدام النهج القائم على الممانعة (مجال التردد)

بالرغم من أن تحليل حالة انعكاس الموجة المستندة إلى “المجال الزمني” الموضح في الشكل أعلاه؛ يمكن أن يكون مفيداً في تحليل الأنظمة البسيطة مثل الأسلاك، فقد لا يكون من السهل استخدامه في تحليل الأنظمة الأكثر تعقيداً مثل الآلات الكهربائية نظراً لعناصرها الطفيلية الأكثر تعقيداً والاقتران والعالية تأثيرات التردد الكهربائي.

وبالتالي يمكن أن يكون التحليل المعتمد على الممانعة الكهربائية، وذلك مع قياس “الممانعة المباشرة” أكثر وضوحاً ومفيداً في تحديد التردد المضاد للرنين للنظام، والذي يمكن استخدامه للتنبؤ “بتردد التذبذب” للجهد الزائد، وعلاوة على ذلك، كما تُظهر هذه الطريقة القائمة على الممانعة بوضوح أي المركبات التوافقية التي يحركها تردد التبديل تثير الرنين الكبير والجهد الزائد بسبب اصطدامها بالتردد المضاد للرنين.

لذلك يوضح الشكل التالي آلية قياس كل من المتغيرات [(CM) و (DM)] للسلك والمحرك والكابل وأنظمة المحرك باستخدام محلل الممانعة، كما وتجدر الإشارة إلى أن مخطط القياس الموضح في الشكل التالي يختلف قليلاً عن اختبار (الدائرة المفتوحة) والدائرة القصيرة الشائع الاستخدام لاستخراج المعطيات، كما يمثل قياس الممانعة [(CM) و (DM)] الموضح في الرسم الاتصال الحقيقي أو المادي لنظام محرك المحرك.