مستشعر المجال المغناطيسي للتحكم بتيار محولات الطاقة الكهربائية

تستخدم التجارب مستشعر المجال المغناطيسي للموجة الصوتية السطحية لقياس تيار الحث والتحكم الحالي في الحلقة المغلقة في محول الطاقة القائم على (GaN-dc-dc)، كما يعتمد المستشعر على أغشية رقيقة من نيتريد سكانديوم الألومنيوم بتركيز عالٍ نسبياً بنسبة (32 ٪) ويتم تصنيعه على ركيزة سيليكون منخفضة التكلفة (8) بوصات مع نطاق (FeCoSiB) مقبض مغناطيسياً عبر خط تأخير (SAW).

تحليل مستشعر المجال المغناطيسي للتحكم بتيار محولات الطاقة

تعد مستشعرات التيار الكهربائي ضرورية في العديد من التطبيقات، على سبيل المثال التحكم في محولات الطاقة وقياس الطاقة والمحرك الكهربائي وكذلك حماية التيار الكهربائي الزائد، إلى جانب المتطلبات الكهربائية لأجهزة الاستشعار الحالية مثل النطاق الترددي والمدى الديناميكي وقدرة التيار المستمر؛ فإن الحجم والتكلفة وإمكانية إجراء قياس غير جراحي ومعزول كهربائياً أمر حاسم لملاءمته في تطبيقات معينة.

كما أن أحد مبادئ الاستشعار المعزول الممكنة هو قياس كثافة التدفق المغناطيسي بالقرب من أثر التيار بواسطة مستشعر الموجة الصوتية السطحية (SAW)، وهناك طريقتان شائعتان للتصميم إما باستخدام مرنان أو خط تأخير، وهنا تم اختيار تصميم خط التأخير مع زيادة مساحة التفاعل بين (SAW) والمنطقة الحساسة، بحيث يستخدم مبدأ الاستشعار التأثير المغنطيسي المرن لفيلم تقبض مغناطيسي.

على سبيل المثال (FeCoSiB)، بحيث يتم تغيير معامل يونغ بواسطة مجال مغناطيسي خارجي (ΔE-effect)، مما يتسبب في تغيير سرعة طور (SAW)، كذلك تتوفر إثارة محول بين الأصابع (IDT) على أحد منافذ خط التأخير بإشارة جيبية عالية التردد الكهربائي وقياس انحراف الطور (تأخير الإشارة) إلى المنفذ الآخر لخط التأخير يعطي إشارة حساسة للحقل المغناطيسي الناجم عن تيار كهربائي محايد.

ومن المواد الواعدة لتصنيع مجسات (SAW) في تقنية الأغشية الرقيقة نيتريد سكانديوم الألومنيوم (AlScN)، مما يوفر اقتراناً كهروميكانيكياً محسناً، وذلك مقارنةً بـ (AlN)، والذي غالباً ما يستخدم لأجهزة استشعار (SAW)، بحيث يمكن العثور على وصف أكثر تفصيلاً حول الخصائص الكهربائية الصوتية لـ (AlScN) التي تم تحديدها باستخدام الرنانات (SAW).

 وصف أجهزة الاستشعار بالتحكم بتيار محولات الطاقة الكهربائية

يتم ترسيب طبقة مقدارها (1) مايكرومتر (Al0.68Sc0.32N) على رقاقة (Si) عالية المقاومة (001)، (200) نانومتر (AlCu IDTs) (دورية 16 مايكرومتر) وطول خط التأخير (l = 3.8) مم و (25) زوجاً من الأصابع هي واجهة المستشعر، كذلك فوق طبقة توجيه بسمك (1) مايكرومتر (SiO2) مصقول بتلميع ميكانيكي كيميائي)، بحيث ترسب طبقة تقبض مغناطيسي (Fe90Co10-78Si12B10) بسعة (200) نانومتر عن طريق الرش الممغنط (RF).

كما يوضح الشكل التالي (1) قياسات المعلمة (S) لجهاز الاستشعار، كما تم تحويل تردد مركز استجابة (SAW) والتردد البالغ (fC = 296 MHz)، كما تكون خسارة الإدراج (−32 dB)، (22 dB) أعلى من خط الأساس (−54 dB)، بحيث تُظهر المرحلة المطلقة غير المغلفة تغييراً كلياً قدره (-6360) درجة لزيادة الترددات المقدرة، (± 8.55) ميجاهرتز حول التردد المركزي، كما تمثل هذه الزيادة الافتراضية البالغة (743.9) درجة / ميجاهرتز وقت تأخير قدره (t = 1.03 μs)، من طول خط التأخير (l)، بحيث تتبع سرعة الموجة الصوتية (v = 3689 m /s) يحد التأخير من زمن استجابة المستشعر.

دائرة القراءة الخاصة بجهاز استشعار تيار المحولات الكهربائية

يتم استخدام كاشف الطور (IC) (تناظري AD8302) على لوحة (AD8302-EVALZ) كدائرة قراءة، كما يتم توصيل إشارة الإثارة الجيبية (19) ديسيبل مباشرة بخط التأخير وبواسطة موصل (T) ومخفف (20) ديسيبل بمنفذ واحد من كاشف الطور (مستوى إدخال -1 ديسيبل)، كذلك يتم توصيل خرج خط التأخير (-13 ديسيبل) بالمنفذ الآخر لكاشف الطور.

أيضاً يتم ضبط الكسب الاسمي (°/ 10 mV) وعرض النطاق الترددي (30 MHz) لكاشف الطور بواسطة المقاوم الخارجي لتحديد الكسب، أيضاً (R8) ومكثف المرشح (C8)، كما يتم قياس إشارة الخرج (إشارة المستشعر)، خاصةً إذا لم يتم الإشارة إليها بخلاف ذلك بواسطة مرسمة الذبذبات، والتي تُستخدم لاحقاً أيضًا لقياس الجهد الكهربائي وأشكال الموجة الحالية لمحول تيار مستمر متحكم فيه.

كما يوضح الشكل التالي (2) الإعداد، والذي يتكون من محول (dc – dc)، المستشعر، المغناطيس وكاشف الطور الموصوف بمزيد من التفصيل في هذه الرسالة.

التوصيف المغناطيسي والتيار النبضي لمستشعرات المحولات الكهربائية

أولاً يظهر المستشعر في مجال مغناطيسي، كما تم إنشاؤه بواسطة ملفين لولبيين، وباستخدام مضخم مغلق لقياس تغير الطور وبعد التشبع المغناطيسي بمقدار (± 4.9) طن متري لمدة (1) ثانية؛ فإنه تكتسح كثافة التدفق بين (2.5) و (+ 2.5) ميللي في كلا الاتجاهين، كما يوضح الشكل التتالي (3) تغير الطور المقاس بأسهم تشير إلى الاتجاه. لوحظ تباطؤ كبير، خاصة حول (0) طن متري.

التباطؤ المغناطيسي في عملية التيار ثنائي القطب

يتم استخدام المستشعر لاحقاً في محول ذي تيارات ثنائية الاتجاه، كذلك العملية النموذجية هي مع العديد من نبضات التيار الموجب المتشابهة متبوعة بالعديد من نبضات التيار السالب المماثلة، والتي تعود دائماً إلى صفر تيار (أو تيار صغير في الاتجاه الآخر)، وفي هذه العملية يعمل المستشعر في حلقات مغناطيسية صغيرة (تباطؤ منخفض) بمرور الوقت وليس في حلقات مغناطيسية رئيسية (عالية التباطؤ).

على سبيل المثال، يعمل المحول أولاً بشكل أساسي مع شكل موجة تيار موجب (بين 0 A … + 5 A) في وضع الشحن أو تحديد المصدر، كما ويعمل لاحقاً مع شكل موجة تيار سلبي بشكل أساسي (بين 0 A … -5 A) في وضع التفريغ أو الغرق، وللتحقيق في شدة التباطؤ لهذه العملية ؛فإنه يتم إجراء المزيد من قياسات التيار النبضي في تيارات ذروة مخفضة أخرى تبلغ (± 2.5) أمبير.

أيضاً يُظهر الشكل التالي (4 – يساراً) إشارة التيار النبضي (مقاسة بمسبار تيار تقليدي)، حيث يكون التيار قبل النبضة وبعدها صفراً، كما يُظهر الشكل (4 – الأوسط) استجابة المستشعر بعد العديد من النبضات الإيجابية أو السلبية المتتالية، في حين أن تحول خط الأساس ضمن قياس واحد (الحلقات الصغيرة)؛ إما العديد من النبضات الإيجابية أو السلبية)، وهو صغير ويختفي بعد العديد من النبضات، لذلك؛ فإن الفرق بين النبضات الموجبة والسالبة يكون أكثر أهمية، الشكل(4 – يمين).

ومع ذلك، لا يزال المستشعر قابلاً للاستخدام في تطبيقات التحكم، ونظراً لأن الانتقال بين العملية الحالية الموجبة والسالبة في المحول يتم التحكم فيه بواسطة البرامج؛ فقد يتم تعويض التباطؤ الرئيسي في البرنامج، وعلى غرار الطرق المطبقة على مستشعرات التيار المغناطيسي الأخرى مع التباطؤ؛ فإن القياسات في الشكل التالي (4) استخدمت مكثف مرشح إضافي يمته (C8 = 22 pF ) لتقليل ضوضاء الإشارة، مما يقلل عرض النطاق الترددي الفعال للمستشعر هنا إلى 100 كيلو هرتز.

وأخيراً لتعويض التأخير؛ فقد تم عرض النطاق الترددي والتأخير خلال (1) ميكرو ثانية، وللمستشعر الحالي يحد من وقت استجابة حلقة التحكم، وعلاوة على ذلك يؤدي إعداد الكسب المتزايد لكاشف الطور والإعداد الإضافي لمرشح التمرير المنخفض إلى تقليل عرض النطاق الترددي، مما يتسبب في تأخير إجمالي أكبر من (1) ميكرو ثانية من خط التأخير فقط.

أما في التحكم الحالي التناظري المستخدم لاحقاً؛ فإنه تتم مقارنة إشارة المستشعر بإشارة مرجعية لبدء إجراءات التحويل، ونظراً لأن التيار في محول الطاقة يتغير بسرعة؛ فإن التأخير يتسبب في عدم حدوث إجراءات التبديل على الفور في نقاط الضبط المقصودة، كما يمكن أن يتسبب هذا في تيارات عالية جداً وفقدان القدرة على التحكم، وكإجراء مضاد يمكن استخدام مرشح تعويض الرصاص.