المحولات الهجينة المتصلة بسلسلة القدرة الكهربائية LV

أهمية المحولات الهجينة المتصلة بسلسلة القدرة الكهربائية LV

يتزايد الطلب على الحلول الإلكترونية الأكثر ذكاءً وذات المستوى المنخفض بسرعة في جميع التطبيقات الصناعية تقريباً، ولمواجهة هذا التحدي تتقدم صناعة إلكترونيات القدرة نحو محولات طاقة ذكية ومنخفضة المستوى، وهي تتراوح من تطبيقات الشحن المحمولة الصغيرة إلى السيارات الكهربائية عالية الطاقة وتطبيقات الشبكة الكهربائية الذكية، وهي كثافة الطاقة لمحول الطاقة لها علاقة مباشرة بتردد التبديل، بحيث كانت زيادة تردد التبديل تتجه كطريقة للوصول إلى هدف محول الطاقة المضغوط.

كما تؤدي الزيادة في تردد التبديل إلى تقليل حجم المغناطيسات والمكثفات، ومع ذلك؛ فإن الزيادة في تردد التبديل يحط من العناصر المتبقية مثل فقدان التبديل والتأثيرات الطفيلية وخسائر القرب والضوضاء الكهرومغناطيسية (EMI)، بحيث يصبح هذا أسوأ مع الزيادة في الطاقة والجهد الخطي، وبالتالي؛ فإن الزيادة في تردد التبديل تجعله أقل ملاءمة لتطبيقات الطاقة المتوسطة والعالية.

وفي تطبيقات الطاقة المتوسطة والعالية، يحتل محول الطاقة حجماً كبيراً، وهذا هو العائق الرئيسي الذي يمنع من تحسين كثافة الطاقة للمحولات الكهربائية، ومع زيادة مستوى الطاقة؛ يزيد حجم المحول ووزنه من صعوبة الحصول على كثافة طاقة عالية وكفاءة أفضل، بحيث يعتمد الخسارة في محولات الطاقة بشكل أساسي على الجهد المطبق وتردد التبديل.

كذلك تزداد الخسارة مع الزيادة في الفولت الثاني المطبق، وذلك بالنسبة لمحولات الطاقة ذات التردد الكهربائي الثابت، بحيث يمكن خفض ذلك عن طريق تقليل الجهد الكهربائي المطبق على المحول، كما أنه لا يؤدي انخفاض الجهد المطبق إلى تحسين حجم وكفاءة المحول فحسب؛ بل يلغي أيضاً الحاجة إلى زيادة تردد التبديل لتحسين كثافة الطاقة.

أيضاً يمكن تقليل الحجم الكلي والوزن الكلي لمحول الطاقة عن طريق تقسيم محول ضخم واحد إلى عدد من المحولات الصغيرة، ومن الناحية العملية يعتمد تصميم المحول غالباً على التسخين المسموح به في المحول دون ارتفاع درجة الحرارة، بحيث يمكن توزيع فقد الطاقة المقبول في تصميم محول منفصل حيث تقل الخسارة لكل محول ويصبح المسار الحراري أقصر بكثير.

لذلك يشير هذا إلى أن تصميم محول الطاقة مع أكثر من محول متصل في سلسلة سيجعل التصميم أكثر إحكاما مما لو كان هناك محول واحد فقط، على سبيل المثال عند تقسيم محول رئيسي واحد إلى سلسلة اتصال من محولات (N)، بحيث يخضع كل محول للجهد المطبق (N) مرات أصغر من محول واحد، كما ينتشر فقدان الطاقة المسموح به بين المحولات منخفضة المستوى (N) ويبسط إدارة الحرارة ويحسن كثافة الطاقة، وذلك كما يظهر بالشكل التالي (1).

إجراءات تصميم المحولات الكهربائية المنقسمة

يعتمد تصميم محول الطاقة عادةً على مواصفات المحول والطوبولوجيا المختارة. هناك طرق تصميم متعددة وذلك كما هي متوفرة في الدراسات العلمية حول كيفية تقدير الحجم الأولي لأنوية المحولات، ومع ذلك هناك نقص في المناقشة حول كيفية تقسيم الحجم المقدر إلى عدد من المحولات، كما تعتمد قدرة معالجة الطاقة للمحول على نوع وخصائص المادة الأساسية بالإضافة إلى الهندسة الفيزيائية، أي مساحة وطول المسار المغناطيسي.

علاوة على ذلك؛ فإن اختيار الهندسة الأساسية المناسبة للمواصفات المقصودة يحتاج دائماً إلى عدد من التكرارات طوال مرحلة التصميم، بحيث يتكون إجراء تصميم المحول من بعض الاعتبارات العامة، ومن بين هؤلاء؛ هناك اختيار المواد الأساسية والحجم والشكل ومساحة اللف وقطر الأسلاك، بحيث يتطلب كل اعتبار العديد من التكرارات لتحقيق هدف الأداء المقبول، كما أن المقياس الأول هو اختيار الحجم المناسب للمحول للتطبيق المقصود.

كما تتطلب الطرق المتاحة في الدراسات تحديداً مسبقاً للمادة الأساسية ومنطقة تعبئة اللف واللب وخسارة النحاس المسموح بها، كذلك الأساليب الأكثر استخداماً هي تقييم منتجات منطقة النافذة وقياس الثابت الهندسي (Kg)، بحيث تتطلب كلتا الطريقتين تحديد كثافة التدفق القصوى وقيمة كثافة السلك الحالية مسبقاً، ومع ذلك؛ فإن القيمة المثلى لهذه العوامل تعتمد على هندسة اللب.

كما أن هذا يجعلها أقل تحسيناً، وذلك لأنه في معظم التطبيقات تكون كثافة تدفق التشغيل القصوى محدودة بفقدان النواة المسموح بها بدلاً من التشبع، كما أن القيد الآخر لهذه الطرق هو أن فقدان النحاس المستمر يعتبر موزعاً بالتساوي بين مقطعي اللفات، أي الملف الأولي والملف الثانوي، وعلاوة على ذلك لا يتم حساب خسارة النحاس واللب معًا في هذه الطرق.

كما تمت مناقشة نهج مشابه لطريقة (Kg)، بحيث يطلق عليه الثابت الهندسي الأساسي الفعال (Kgfe) والذي يمثل خسارة النحاس وخسارة القلب، مما يوفر مزيداً من المرونة في تحسين كثافة تدفق التشغيل، لذلك يستمر هذا العمل في هذا النهج لتطوير إجراء لتقسيم محول واحد إلى عدة محولات.

كما أنه لم يتم احتساب المناقشة حول التأثيرات عالية التردد في أي من الطرق المذكورة أعلاه، بحيث تؤدي التأثيرات عالية التردد إلى تدهور أداء المحول بشدة. من الموثق جيداً أن مقاومة اللف تزداد مع زيادة عدد اللفات وطبقات اللف، بحيث يأخذ هذا العمل أيضاً في الاعتبار التأثيرات عالية التردد الكهربائي من أجل جعل التقدير الأولي أكثر دقة.

اختيار الحجم الأساسي: بشكل عام، يتم اختيار حجم اللب بطريقة يمكن أن تبدد كلاً من النحاس وخسارة اللب، كما يمكن التعبير عن الخسارة الكلية للمحول كمجموع خسارة النحاس وخسارة اللب.

حيث أن:

(PT): هي الخسارة الكلية للمحول.

(Pc ، Pcu): هي الخسارة الأساسية وخسارة النحاس على التوالي.

كما تعتمد خسارة اللب على حجم اللب وتردد التشغيل وكثافة ذروة التدفق. بالنسبة لتطبيقات التردد الثابت، بحيث يمكن تقدير الخسارة الأساسية (Pc) باستخدام معادلة (Steinmetz) المعروفة على النحو الوارد.

اعتبارات فقدان النحاس: يعد فقدان النحاس أمراً مهماً في الاعتبار في المحول عالي الأداء، وذلك خاصة بالنسبة لنطاقات الجهد الواسعة حيث يتطلب ذلك تشغيل المحول في دورات تشغيل منخفضة، وفي دورة التشغيل المنخفضة يزيد تيار جذر متوسط ​​التربيع أكثر من التيار المتوسط ​​وسيؤدي دائماً إلى تدهور الكفاءة.

وبعد حساب عدد المنعطفات لكل من اللفات الأولية والثانوية؛ فإن الخطوة التالية هي اختيار أبعاد الأسلاك ذات التتبع الصحيحة، كما يجب مراعاة عمق الجلد النحاسي عند تكرار العملية قبل اتخاذ القرار النهائي، كذلك هناك عامل مهم آخر في اختيار قطر السلك هو تخصيص مساحة النافذة لجميع اللفات، كما يمكن تقليل خسارة اللف الإجمالية إلى أدنى حد ممكن من خلال التخصيص المناسب لمنطقة النافذة لكل ملف.

أيضاً تكون الخسائر في حدها الأدنى عندما يكون التخصيص مناسباً للقدرة الظاهرة للملفات، وذلك من أجل تحديد هندسة اللف، كذلك من المهم تقييم إجمالي خسارة النحاس بما في ذلك التأثيرات عالية التردد الكهربائي، وذلك إذا تجاوزت الخسارة الحد المسموح به؛ فقد تكون هناك حاجة إلى مزيد من التحسين من خلال إعادة تكرار اعتبارات التصميم.