سرعة وتردد التحويل للمحركات الكهربائية ذات الفجوة

الأهمية وراء تحديد سرعة وتردد التحويل للمحركات الكهربائية ذات الفجوة

مع تطور الخصائص الفائقة والتوافر التجاري، تجد الأجهزة ذات فجوة النطاق العريض (WBG) تطبيقاتها تدريجياً، وذلك بالمقارنة مع نظائر السيليكون (Si)، بحيث تتمتع أجهزة كربيد السيليكون (SiC) ونيتريد الغاليوم (GaN) بسرعات تحويل أسرع (وقت تبديل أقصر) وترددات تحويل أعلى وقدرة أعلى على حجب الجهد وأداء أعلى في درجات الحرارة.

كما يمكن أن يصل تردد تبديل محولات القدرة (WBG) إلى 100 ثانية من كيلوهرتز، ويمكن أن يكون وقت صعود جهد التبديل قصيراً، بحيث يصل إلى 10 ثوانٍ من النانو ثانية لأجهزة (SiC) وأقل من 10 نانو ثانية 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 العالي إلى تقليل مكونات الترشيح ويمكن أن تقلل سرعة التحويل الأسرع من فقدان التبديل، ومن ثم متطلبات التبريد، بحيث يمكن أن يؤدي اعتماد أجهزة (WBG) في أنظمة تشغيل المحركات إلى تحسين كثافة الطاقة وكفاءتها وتمكين محركات التردد الأساسية العالية للآلات الكهربائية ذات السرعة العالية وعدد الأعمدة الكبير.

كما أن هذا مفضل في التطبيقات عالية الكفاءة وعالية الكثافة للطاقة مثل المزيد من الطائرات الكهربائية والمركبات الكهربائية، ومع ذلك في ظل سرعة التبديل العالية (dv / dt) وترددات التحويل العالية، يعاني المحرك من زيادة الجهد في كل من طرفيه ونقطته المحايدة، كما تشدد هذه الفولتية الزائدة على عزل لف المحرك والمحامل، مما قد يؤدي إلى تدهور وفشل ما قبل النضج.

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

على سبيل المثال، عند أطراف المحرك تكون مقاومة اندفاع المحرك أعلى بكثير من مقاومة اندفاع الكابل (بين العاكس والمحرك)، وبالتالي يتم إنشاء الجهد الزائد بسبب ظاهرة الموجة المنعكسة، كما يظهر الجهد الزائد لمحطة المحرك هذا في كل من جهد الطور إلى الطور (الوضع التفاضلي (DM)) والجهد من الطور إلى الأرض (الوضع المشترك (CM))، وبالمثل بالنسبة للجزء الثابت المحايد.

ونظراً لأن النقطة المحايدة تطفو عادةً؛ فإن مقاومة (CM) للمحرك تواجه دائرة مفتوحة (مقاومة لانهائية للأرض) عند المحرك المحايد، لذلك؛ فإن هناك أيضاً عدم تطابق في الممانعة عند محايد المحرك، لذلك هناك جهد زائد بين المحرك المحايد والأرضي، ومرة أخرى بسبب ظاهرة انعكاس الجهد. ومع ذلك، بحيث لا يوجد جهد زائد في (DM) عند المحرك المحايد لأن الأطوار الثلاثة مختصرة معاً عند النقطة المحايدة.

تحليل الجهد الزائد للمحرك في المجال الزمني ومجال التردد

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

كما يتم توصيل العاكس بالمحرك من خلال كابل (نظام محرك كابل عاكس)، وهنا تجدر الإشارة إلى أن الجهد الزائد للمحرك ناتج عن وجود الكابل بين العاكس والمحرك، لكن الجهد الزائد المحايد للمحرك لا ينتج عن الكبل، ويمكن أن يحدث دون توصيل أي كابل، وفي الهيكل يتم توصيل نقطة المنتصف لمكثف (DC-link) العاكس (o) بعلبة المحرك عبر سلك أرضي (g).

وبهذه الطريقة، ينخفض ​​جهد العاكس (CM) مباشرة عبر الجزء الثابت للمحرك المحايد (n) والأرض (علبة المحرك)، أي (oو g)، حيث أن (o و g) لهما نفس الإمكانات، وفي بعض التطبيقات؛ فإنه لا يتم توصيل النقطة المحايدة للعاكس DC-link) (o)) مباشرة بالأرض.

لذلك، ينخفض ​​جهد (CM) بين الجزء الثابت للمحرك المحايد والعاكس (DC-link) المحايد المرتبط بالسعة الطفيلية بين العاكس المحايد والأرض، بحيث يوضح الشكل التالي أيضاً كيفية قياس الفولتية المختلفة للعاكس والمحرك.

يوضح الإعداد التجريبي لتقييم تأثير سرعة التحويل العالية وتردد التحويل العالي لمحركات محركات (WBG) على الآلات الكهربائية، كما 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 وتردد التبديل كمحولات محرك محرك، أيضاً يتم  توصيل كابل (3.9) م و (70) م بين العاكس والمحرك كما هو موضح في الشكل التالي (2).

التحليل باستخدام ظاهرة انعكاس الموجة (المجال الزمني)

في الأساس، يرجع الجهد الزائد إلى ظاهرة انعكاس الموجة، حيث 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 الكابل، وهذا يفسر أيضاً سبب وجود جهد زائد في النقطة المحايدة للجزء الثابت للمحرك.

كما أن هذا يدل على أن المحرك المحايد يواجه مقاومة (CM) كبيرة لا نهائية (دائرة مفتوحة)، بحيث يوضح الشكل التالي (3) عدم تطابق الممانعة الذي يتسبب في الجهد الزائد لطرف المحرك (DM) و (CM) والجهد الزائد للمحرك (CM) المحايد، كما يمكن ملاحظة أنه لا يوجد جهد زائد (DM) عند المحرك المحايد لأن الأطوار الثلاثة مختصرة معاً عند المحايد، وبمعنى آخر؛ فإن جهد (DM) عند الجزء الثابت المحايد هو صفر.

التحليل باستخدام النهج القائم على الممانعة (مجال التردد)

على الرغم من أن تحليل انعكاس الموجة المستند إلى المجال الزمني المعروض أعلاه يمكن أن يكون مفيداً في تحليل الأنظمة البسيطة مثل الكابلات؛ فقد لا يكون من السهل استخدامه في تحليل الأنظمة الأكثر تعقيداً مثل الآلات الكهربائية، ونظراً لعناصرها الطفيلية الأكثر تعقيداً والاقتران والعالية تأثيرات التردد.

وبالتالي؛ فإنه يمكن أن يكون التحليل القائم على الممانعة مع قياس الممانعة المباشرة أكثر وضوحاً ومفيداً في تحديد التردد المضاد للرنين للنظام، والذي يمكن استخدامه للتنبؤ بتردد التذبذب للجهد الزائد، علاوة على ذلك، تُظهر هذه الطريقة القائمة على الممانعة بوضوح أي التوافقيات التي يحركها تردد التبديل تثير الرنين الكبير والجهد الزائد بسبب اصطدامها بالتردد المضاد للرنين.

كما يوضح الشكل (4)، كيف يمكن قياس ممانعة (CM) و (DM) للكابل والمحرك والكابل بإضافة أنظمة المحرك باستخدام محلل الممانعة، كما وتجدر الإشارة إلى أن مخطط القياس الموضح في الشكل التالي، بحيث يختلف قليلاً عن اختبار الدائرة المفتوحة والدائرة القصيرة الشائع الاستخدام لاستخراج المعلمات، بحيث يمثل قياس مقاومة (CM) و (DM) الاتصال الحقيقي أو المادي لنظام محرك المحرك الكهربائي.