معماريات لف المحولات لتطبيقات شحن وتفريغ المكثفات عالية الجهد

التطرق الى معماريات لف المحولات لتطبيقات شحن وتفريغ المكثفات

يعتبر البوليمر النشط الكهربائي العازل (DEAP) بمثابة مادة ذكية ناشئة، حيث شهدت تطوراً كبيراً واكتسبت اهتماماً متزايداً على مدار العقد الماضي، وذلك عند استخدامه كمشغلات، كما أن لديه القدرة على أن يكون بديلاً فعالاً للعديد من المشغلات التقليدية، وذلك نظراً لخصائصه الفريدة مثل الإجهاد المرن الكبير (5-100٪) والوزن الخفيف (سبع مرات أخف من الفولاذ والنحاس).

كما أنه يكون عالي المرونة (100000 مرة أقل صلابة من الفولاذ) ويتميز بانخفاض مستوى الضجيج وانخفاض استهلاك الطاقة، ومع ذلك؛ فإنه يلزم وجود برنامج تشغيل مضغوط عالي الجهد لشحن وتفريغ (DEAP) من (0 إلى 2500) فولت تيار مستمر يتم توفيره من بطارية 24 فولت.

كما تتطلب تطبيقات مشغل (DEAP) محولات (HV) ثنائية الاتجاه، وذلك لشحن وتفريغ المشغلات ولزيادة عمر المصدر، وذلك عن طريق نقل جزء من الطاقة إليه، كما أن طوبولوجيا محول (flyback) تكون مناسبة لتطبيقات الشحن ذات الطاقة المنخفضة (<150 واط) والمكثفات العالية الجهد، حيث يمكن جعلها مضغوطة للغاية مع عدد قليل من المكونات.

لذلك؛ فإن محول (flyback) هو أهم مكون في أداء سائق (HV)، وكما في الشكل التالي؛ فإنه يتم توفير الرسم التخطيطي لمحول الارتداد العالي الجهد بما في ذلك النموذج المكافئ لمحول الجهد العالي، بحيث تتطلب متطلبات جهد الخرج العالي نسبة دوران عالية للمحول، والذي يتطلب عدداً كبيراً من المنعطفات الثانوية.

كما قد يؤدي هذا إلى ارتفاع (Cs) ذات السعة الذاتية، وذلك بالنظر الى للملف (HV) الثانوي، مما يؤدي إلى فقدان التبديل بالسعة الشديدة والارتفاعات الحالية غير المرغوبة في الحافة الأمامية لشكل الموجة الحالية، مما قد يؤدي إلى إطلاق خاطئ للحد الحالي أثناء عملية التشغيل.

حيث دفعت مشكلة السعة الذاتية العالية في (flyback) المصممين الأوائل في هذا المجال البحثي إلى اختيار العملية الأولية لتحويل التيار الصفري تلقائياً، مما يعطي تبديل جهد صفري في المرحلة الثانوية، كما يلعب محاثة التسرب دوراً مهماً في تصميم مصدر الطاقة بتبديل الجهد العالي، لذلك قد تتسبب الطاقة المخزنة بسبب محاثة التسرب (Llkp) أو (Llks) لمحول الجهد العالي.

كذلك في حدوث ارتفاعات غير مرغوب فيها في الجهد الكهربائي في الدوائر الأولية والثانوية (MOSFET) أثناء عمليات الشحن والتفريغ على التوالي، مما يؤدي إلى استخدام نشط أو دوائر (snubber) السلبية في المحول، وبالتالي؛ فإن محاثة التسرب تخلق مشاكل تداخل كهرومغناطيسي (EMI)، كما وتزيد من خسائر التبديل وتقلل من كفاءة الطاقة.

لذلك يكون مطلوب تقدير دقيق لحيثيات المحولات والخسائر المرتبطة بها، لتقييم معماريات لف المحولات الكهربائية المختلفة (TWAs)، والتي يمكن من خلالها اختيار أفضل (TWA)، وذلك لتحقيق كفاءة طاقة عالية، كما تم إجراء بحث موسع لحساب محاثة التسرب في المحولات التقليدية.

معماريات لف المحولات الكهربائية

كما هو موضح في الشكل التالي؛ فإن مخطط اللف (A) هو أبسط مخطط يتم تنفيذه منذ أن بدأت الطبقة التالية حيث انتهت الطبقة السابقة، وفي مخطط اللف (B)، تبدأ الطبقة التالية فوق نقطة البداية للطبقة السابقة، لذلك؛ فإن مخطط اللف (C) قسم اللف إلى عدد من الأقسام، وكل قسم يكون بشكل فردي مثل مخطط اللف (B) في الجزء العلوي من المنعطفات السابقة.

كما يبدو أن مخطط اللف (D) يحقق العديد من المقاطع الزاويّة مثل عدد المنعطفات في الطبقة، وذلك دون عقوبة تقليل عامل التعبئة، ونظراً لسمك جدران مقطع البكرة المقطوعة؛ فإنه يعمل مخطط لف البنك على تقليل فرق الجهد بين المنعطفات المتجاورة (تخزين طاقة سعوية أقل بين المنعطفات).

حيث أن هناك ميزة أخرى هي أنه يمكن تشذير مخطط اللف (D) بسهولة، كما أن هذا ليس هو الحال بالنسبة لمخطط اللف (C)، حيث يصعب إضافة جدران القسم بين اللفات، كما أن الاختلاف في السعة الذاتية بسبب مخططات اللف شديد، وذلك لأن الجهد بين المنعطفات المتجاورة في الملف والجهود المتعرجة من طرف إلى طرف قد تغيرت.

السعة الذاتية الخاصة بالمحولات الكهربائية

تميل محولات الجهد العالي إلى أن يكون لها عدد كبير من المنعطفات في الجانب العالي الجهد، والتي تقدم سعة ذاتية طفيلية غير قابلة للإهمال، لذلك من المهم التنبؤ بالسعة الذاتية في مرحلة التصميم من أجل تجنب فقدان التبديل الشديد والمشاكل الأخرى.

حيث أن السعة الذاتية المتعرجة هي معلمة تمثل طاقة المجال الكهربائي المخزنة في الملف وتعتبر عنصراً مجمعاً في معظم الحالات، ونظراً لوجود عدد كبير من الدورات لكل طبقة؛ فإنه يمكن إهمال تأثير السعة من دورة إلى أخرى، كما وتأتي المساهمة الرئيسية في السعة الذاتية من السعة من طبقة إلى طبقة، والتي يمكن حسابها بناءً على بسيط نموذج المكثف المتوازي أو الأسطواني.

لذلك؛ فإنه يمكن حساب السعة الذاتية في ملفات المحولات باستخدام الطاقة الكهر,ستاتيكية المخزنة في الحجم بين الموصلات، وتعطى بواسطة العلاقة التالية:

حيث:

(ϵ): تمثل ثابت العزل المكافئ للملف.

(E): تمثل شدة المجال الكهربائي.

(CS): هي السعة الذاتية.

(UW): هو الجهد الكلي عبر الملف.

لاحقاً وكما يظهر في الشكل في كل من الجزء (A) و (B)؛ فإن المكثفات ذات اللوح المتوازي مع توزيع جهد خطي ونموذج مكثف أسطواني، تكون فيها الطاقة المخزنة في طبقتين موصلتين متجاورتين، وذلك مع توزيع جهد خطي، تحديداً كما هو مبين في الشكل الجزء (A)، بحيث تعطى بواسطة العلاقة:

حيث:

(US و UT): هما الفرق المحتمل بين السطحين في الأسفل والأعلى على التوالي.

(Cl): هي السعة بين السطحين، كما وتعتبر بمثابة سعة لوحة متوازية وتعطى بواسطة:

حيث (ϵ0) هي “سماحية الفراغ” وتبلغ (8.854 × 10−12) (F / m)، وهي “السماحية النسبية” للمادة العازلة، كما تمثل المعلمات (h) و (w) أبعاد اللوحة و (deff) هي المسافة الفعالة بين طبقتين (والتي يجب حسابها لكل TWA) وتعطى بواسطة:

حساب محاثة التسرب

يتم حساب محاثة التسرب في المحول باستخدام الطاقة المخزنة في المجال المغناطيسي، كما يتم إعطاء طاقة التسرب الكلية المخزنة في المجال المغناطيسي بواسطة:

حيث:

(H): هي شدة المجال المغناطيسي التي تتناسب مع عدد دورات الأمبير المرتبطة بمسار التدفق.

(Llk): هي محاثة التسرب.

(Ip): هي ذروة التيار الكهربائي في الملف.

كما تم فحص المبادئ الأساسية المستخدمة لحساب محاثة التسرب بدقة، وذلك بناءً على هذه الطرق، بحيث تم اشتقاق معادلات حساب “محاثات التسرب” عند التردد المنخفض، كما أن توزيعات “القوة الدافعة المغناطيسية” (MMF) لجميع (TWAs) موضحة في الشكل التالي، حيث أن (MMFs) في كل طبقة أولية وثانوية من بنية غير متشابكة، وذلك حسب الشكل التالي (A)، وهي (TlpIp)، (TlsIs) على التوالي.