مفاعلات التيار الكهربائي المتردد ثلاثية الطور لأنواع الهياكل

تحليل مفاعلات التيار الكهربائي المتردد ثلاثية الطور لأنواع الهياكل

إلى جانب التوسع في الطلب على نظام طاقة غير منقطعة (UPS) من فئة متعددة المئات كيلو فولت أمبير؛ فقد نما الطلب على أنظمة إلكترونيات القدرة في مجالات الطاقات المتجددة بشكل ملحوظ، بحيث يهدف المزيد والمزيد من البحث والتطوير إلى تحسين أداء نظام العاكس.

وفي عناصر تكوين نظام العاكس؛ فإنه يتم تحسين أداء أجهزة أشباه موصلات الطاقة بشكل ملحوظ، لذلك يجب تقليل الخسائر الناتجة عن العناصر السلبية، بما في ذلك المفاعلات والمكثفات في دوائر المرشح، وذلك بسبب الزيادة في نسبة خسائرها بالنسبة إلى إجمالي خسائر النظام، وعلى وجه الخصوص من المتوقع أن ترفع المفاعلات ذات النوى المكونة من مواد مغناطيسية ناعمة مثل السبائك غير المتبلورة القائمة على الحديد بدلاً من فولاذ السيليكون الموجه لجميع الأغراض من كفاءة الطاقة.

ولتصميم مفاعلات باستخدام نوى غير متبلورة منخفضة الفقد، تم الإبلاغ عن طرق مختلفة، مثل تحسينات الأشكال الأساسية بناءً على المحاكاة المغناطيسية، وافتراضات الدوائر المغناطيسية المكافئة غير الخطية للنوى القريبة من حالة مشبعة مغناطيسياً، ومع ذلك وحتى الآن؛ فإن معظم مراحل تصميم المفاعلات هي نفسها تلك الخاصة بنوى الصلب السليكوني التقليدية كما هو موضح في الشكل التالي (1) أو تعتمد على التقنيات القائمة على الاستدلال.

كما تأخذ هذه التجربة مفاعلات التيار المتناوب لـ (UPS- 400) كيلو فولت أمبير عبر الإنترنت كمواضيع للتحقيق (انظر القسمين الثاني والثالث) وتقترح هياكل للنوى غير المتبلورة وتقنيات البناء المناسبة للخصائص الفيزيائية للمواد غير المتبلورة، كما يتم إنشاء نموذج حساب الخسارة من خلال الجمع بين نتائج المحاكاة المغناطيسية وخسائر الحديد المقاسة كمياً والزيادات في الخسائر بفجوات الهواء، والتي لا غنى عنها للمفاعلات بين المكونات الأساسية.

الهياكل المقترحة لمفاعلات ثلاثية الطور غير متبلورة

يتم توفير المادة المغناطيسية الناعمة غير المتبلورة القائمة على الحديد على شكل شريط رفيع بعرض أقصى يبلغ حوالي (200) مم وسمك (20-30) مايكرومتر، كما يجب تكديس عدة مئات إلى آلاف الشرائط وتثبيتها لتشكيل نوى ضخمة مناسبة للمكونات المغناطيسية، بما في ذلك المحولات والمفاعلات، كما تعتبر النوى المغناطيسية غير المتبلورة أكثر صلابة من الناحية الفيزيائية من تلك المصنوعة من فولاذ السيليكون، بحيث يصعب قطعها بعد عمليات التراص والتثبيت.

لذلك عند صنع قلب مغناطيسي لتصميم تقليدي كما هو مبين في الشكل السابق (1)؛ فإنه من الصعب تحقيق الدقة العملية عند التقاطعات بين مكونات اللب الصلب المستطيل، لذلك قد تزيد هذه المشكلة من خسائر الحديد بسبب التوزيعات غير المتكافئة للتدفق المغناطيسي في النوى، وفي هذا البحث نقترح بنيتين من النوى المغناطيسية للمفاعلات غير المتبلورة ثلاثية الطور كما هو مبين في الشكل التالي (2).

لذلك تتكون من “قلب الجرح” المصنوع عن طريق لف شرائط غير متبلورة بشكل حلقي، كذلك كلا الهيكلين لهما قلبان نير حلقيان بينهما ثلاث أرجل مغناطيسية محاذاة بزاوية 120 درجة، كما يوضح الشكل تعاريف الإحداثيات الأسطوانية للمحاكاة المغناطيسية، بحيث تم وصفها بالتفصيل لاحقاً.

كما يتم لف لفائف ثلاثية الطور من صفائح النحاس حول الساقين، كما يتم تحفيز مفاعلات تطبيق المرشح في (UPS) مغناطيسياً بجهد تعديل عرض النبضة (PWM) الناتج عن المحولات، كما تحتوي الهياكل على ثلاثة أرجل مغناطيسية صلبة مستطيلة إضافية بين تلك الملفوفة كمسارات عودة للتدفق المغناطيسي من مكونات تيار المرحلة الصفرية لإثارة (PWM)، لذلك تم تصميم النوى المكتوبة “ثلاثية الأطوار سداسية الأرجل” مع مراعاة المسار المغناطيسي المتماثل.

أيضاً تتكون الأرجل المغناطيسية الملفوفة الملفوفة في الهيكل (A) الموضحة على الجانب الأيسر من الشكل السابق (2)، وذلك من عدة نوى حلقية مثبتة بورنيش عازل بعد لف شرائط غير متبلورة، كما يتم تشكيل الأرجل عن طريق تكديس النوى بفجوات هوائية بأطوال مناسبة لتجنب التشبع المغناطيسي في النوى.

وفي الممارسة العملية، يكون العزل بين الشرائط غير كامل، لذلك قد يؤدي هذا النوع من اللب إلى تيارات إيدي في المستوى المتعامد على المحور (z)، وذلك بسبب التدفق المغناطيسي على طول محور الساقين، ولمنع مسارات التيار الدوامي بشكل مؤكد؛ فإنه يتم قطع الشقوق في النوى ويتم وضع ألواح العزل في الأقسام.

مخطط تصميم المفاعلات غير المتبلورة

يسرد الجدول الأول الخواص الكهربائية للمفاعلات غير المتبلورة ثلاثية الطور لمزود (UPS -400) كيلو فولت أمبير، كما يتم تحفيز المفاعلات مغناطيسياً بواسطة تيار طور جيبي مكافئ يبلغ 611 أمبير عند 60 هرتز كمكون أساسي وتيار عالي التردد بحد أقصى (63.5) ذراع عند (6.67) كيلو هرتز، وعلاوة على ذلك؛ فإن جهد (PWM) يثير المفاعلات التي تحتوي على العديد من مكونات التيار التوافقي التي تقل عن (20) أمبير عند ترددات تصل إلى (26.9) كيلو هرتز.

لذلك تم حساب هذه المكونات باستخدام تحويل فورييه لشكل موجة (PWM)، بحيث يعتبر حساب الخسارة للمفاعلات تلك التيارات الأساسية والناقلة والتوافقية من خلال تلخيص جميع قيم الخسارة من المكونات الجيبية المكافئة الفردية.

وبشكل عام يجب أن يأخذ تقدير الخسارة للمفاعلات المُثارة (PWM) في الاعتبار حلقات (B-H) الثانوية لمكونات التدفق عالي التردد المتراكبة على التردد الأساسي، كما تعتبر هذه الورقة الطريقة الموضحة أعلاه بمثابة تقدير تقريبي جيد لتقدير الخسارة بشكل رئيسي للأسباب الموضحة أدناه وتتحقق من دقة الخسارة المقدرة.

• تم تصميم أقصى كثافة تدفق مغناطيسي للمكون الأساسي لـ (0.8 T) مع الأخذ في الاعتبار سعة التحميل الزائد، بحيث يمثل هذا حوالي نصف كثافة تدفق التشبع للمادة غير المتبلورة (1.56 تسلا)، لذلك يعتبر التأثير غير الخطي للتدفق عالي التردد محدوداً.

• تم الإبلاغ عن أن محث ذو قلب جرح غير متبلور له فقد ثابت تقريباً للحديد عند تدفق عالي التردد بغض النظر عن أي مجال مغناطيسي متحيز، كما أنه من المفترض أن هذه الطريقة يمكن أن تقدر فقدان الحديد المثير لـ (PWM) للنواة غير المتبلورة بشكل أكثر دقة من المواد الأخرى.

كما تم سرد عوامل تصميم نوعي المفاعلات غير المتبلورة في الجدول الثاني، بحيث يتضمن الجدول عوامل تصميم مفاعل قلب صلب من السيليكون التقليدي للمقارنة، كما تحتوي الأرجل المغناطيسية لجميع المفاعلات على مناطق مقطعية فعالة (Ac)، بحيث تبلغ حوالي (100) سم 2.

كما يوضح الشكل التالي (3)، وهي صورة خارجية للمفاعلات غير المتبلورة، ولتقليل تأثير الجلد عند (60) هرتز، تتكون الملفات المقولبة من ثلاث صفائح من النحاس بسمك (0.5) مم مكدسة بألواح عازلة مدرجة، كما يتم وضع قلب الساق المغناطيسية في الملفات الأنبوبية وتثبيتها عن طريق ملء الفراغات بين النوى والملفات بألواح عازلة، كما يتم وضع النوى المقربة في مكونات تثبيت غير قابلة للصدأ على شكل عموم، لذلك يتم تثبيت المكونات العلوية والسفلية وتثبيتها مع بعضها البعض بواسطة مركز وثلاثة براغي مسمار خارجية.