اقرأ في هذا المقال
أهمية التحكم الكهربائي لتقليل تأثير حمل التيار المستمر
في الوقت الحاضر، تُستخدم الأنظمة الإلكترونية متعددة المحولات في التطبيقات الصناعية نظراً لبساطتها في الهيكل وكفاءة الطاقة العالية والتكلفة المنخفضة والموثوقية العالية، بحيث طبقت بعض الصناعات الحديثة التي تتطلب عملياتها أداءً ديناميكياً عالياً؛ أنواعاً مختلفة من المحولات للتطبيقات مثل محركات محركات التيار المستمر ذات السرعة المتغيرة وأنظمة الطاقة المتجددة وأنظمة النقل ونظام تخزين الطاقة الهجين وأنظمة الاتصالات.
في العديد من هذه التطبيقات؛ فإنه يتم التحكم في المحولات عن طريق التبديل من خلال تعديل عرض النبضة (PWM) لنقل الطاقة من مصدر طاقة إلى أحمال ذات خاصية قدرة ثابتة، وذلك بسبب التبديل؛ فإن المحولات لديها بعض السلوكيات غير الخطية المتأصلة، على سبيل المثال التردد الكهربائي العالي للتبديل وزيادة التوافقيات في النظام والتشوه الحالي والجهد وعدم الاستقرار يحدث بسبب هذه التأثيرات، لذلك؛ فهي مهمة صعبة لضمان الاستقرار والأداء العابر والكفاءة العالية لمثل هذه المحولات الكهربائية.
كما يحتوي نظام المحولات المتعددة المكون من محولات متتالية على تكوين أساسي يتكون من محولين في اتصال متسلسل، حيث يكون الأول محول مصدر بينما يكون الثاني محول تحميل، بحيث يحافظ محول المصدر على جهد تيار مستمر منظم على الناقل الوسيط ويقوم محول الحمل بتحويل جهد الناقل الوسيط إلى مخرجات منظمة بإحكام لمرحلة النظام التالية أو تحميله.
وفي نظام محول باك المتتالي؛ فإنه من الممكن وجود مجموعة كبيرة ومتنوعة من التفاعلات الديناميكية والثابتة ويمكن أن تؤدي إلى سلوك غير منتظم لمحول أو مجموعة من المحولات أو النظام بأكمله، وعندما ينظم المحول ناتجه بإحكام؛ فإنه يتصرف مثل حمل طاقة ثابت (CPL) وبالتالي في الأنظمة المتتالية يعمل محول الحمل كقانون (CPL) عندما يتم تنظيمه بإحكام وتكون استجابته الديناميكية أسرع من الاستجابة الديناميكية لمحول المصدر وتردد عملية التحويل أسرع من محول المصدر.
لذلك إذا كان محول المصدر أسرع من محول الحمل؛ فإنه سيعوض الاضطرابات وسينظم ناتجه قبل أن تتفاعل حلقة التغذية المرتدة لمحول الحمل مع الاضطرابات، لذلك لن يكون محول الحمل بمثابة (CPL) مثالي لمحول التغذية، بحيث يختلف عن الحمل المقاوم (CPL) عبارة عن حمولة غير خطية ذات خصائص مقاومة سالبة متغيرة، أي أن تيار الإدخال يزيد أو ينقص مع نقص زيادة في جهده الطرفي.
وبسبب خصائص الممانعة السلبية لـ (CPL)، لذلك قد يصبح النظام غير مستقر، مما قد يؤدي بالنظام إلى التذبذب أو الفشل ويضغط أو يتلف معدات النظام عند تغذية (CPL)، بالنسبة لهذه المشكلة، بحيث تحظى (CPL) بمزيد من الاهتمام من الباحثين لتقديم حلول تهدف إلى إلغاء أو تعويض الآثار السلبية لـ (CPL).
وصف النظام الكهربائي وصياغة المشكلة
تعتبر أنظمة المحولات المتعددة المكونة من محولات متتالية لها تكوين أساسي يتكون من محولين أو أكثر في اتصال متسلسل، حيث يكون الأول هو محول مصدر يحافظ على جهد تيار مستمر منظم على الناقل الوسيط بينما تبقى محولات الحمل التي تحول الناقل الوسيط الجهد لمخرجات منظمة بإحكام لمرحلة النظام التالية أو تحميله.
وفي المحول العاكس المتتالي، من الممكن وجود مجموعة كبيرة ومتنوعة من التفاعلات الديناميكية والثابتة ويمكن أن تؤدي إلى سلوك غير منتظم لمحول أو مجموعة من المحولات أو النظام بأكمله، بحيث يظهر نظام متتالي نموذجي مع محولات باك (N DC-DC) في الشكل التالي (1)، حيث يمثل (N) الكمية لمحولات العاكس.
وعندما ينظم محول الطاقة إنتاجه بإحكام؛ فإنه يتصرف مثل (CPL)، كما تمتلك (CPL) مقاومة تدريجية سلبية، والتي تميل إلى زعزعة استقرار النظام الكهربائي، كما يصف نموذج تقريب (CPL) السلوك عند أطراف الإدخال لمحول الحمل الذي يسمح بالتقاط أدائه في نطاق تردد حيث يكون كسب الحلقة المفتوحة مرتفعاً وامتداد جهد الدخل حيث يكون جهاز التحكم الخاص به ضمن النطاق الديناميكي.
محول باك (العاكس) مع تحميل طاقة ثابت: يظهر نظام محول باك المتتالي وتمثيله مع (CPL) في الشكل (2 -A) و (2-B) على التوالي، كما أنه من المفترض أن خرج محول الحمل منظم بإحكام كما هو موضح في الشكل (2-C).
كما تقدم (CPLs) سلوكاً غير خطي مثيراً للاهتمام لديناميكيات محول “باك” التقليدي، ولكن هذا السلوك يظهر فقط فوق جهد معين، بحيث يوضح الشكل التالي (3) خصائص الإدخال “V-I” لمحول الحمل الكهربائي.
عندما يكون جهد الدخل لمحول الحمل، يكون (vc1) أقل من (vc2 / dmax2)، بحيث سيكون سلوك محول الحمل بمثابة الحمل المقاوم، لذلك في هذا النطاق من العمليات سيعمل محول الحمل في منطقة مقاومة ثابتة (CRZ)، ومن ناحية أخرى عندما يكون (vc1) أعلى من (vc2 / dmax2)، لذلك سيكون سلوك محول الحمل بمثابة (CPL)، وبالتالي سيعمل محول الحمل في منطقة طاقة ثابتة (CPZ).
حيث أن:
(voc1): هو جهد الدخل (DC) لمحول الحمل.
(voc2): هو جهد الخرج المنظم بإحكام لمحول الحمل.
(ioinL): هو تيار تشغيل الإدخال لمحول الحمل.
(imaxinL): هو أقصى تيار إدخال لمحول الحمل.
(dmax2): هي أقصى دورة تشغيل لمحول الحمل.
(Po): هي القوة التشغيلية لـ (CPL).
تحليل استقرار النظام المدروس: يستخدم النظام الموضح في الشكل التالي (2-B)، وذلك لإظهار عدم استقرار محول (DC-DC) الذي يغذي (CPL)، وذلك للحصول على سلوك الإشارة الكبيرة لمحول الحمل، بحيث يتم تمثيل (CPL) بمصدر تيار تابع [iCPL = Po / vc1]، ولذلك يتم إعطاء التيار اللحظي المستخرج من محول المصدرة (B).
اعتماداً على تبديل محول المصدر الكهربائي، يمكن الحصول على نموذج الإشارة الكبيرة للمحول في وضع التوصيل المستمر بناءً على المعادلات التالية:
حيث أن:
(d1 ، Ts1): هما دورة العمل وفترة التبديل لمحول المصدر على التوالي.
(L1 ، rL1 ، C1، RL1): هي معطيات النبات لمحول المصدر، وهو الجزء السادس هو جهد الدخل (DC) لمحول المصدر.
(Po): هي الطاقة الناتجة لمحول الحمل الثابت، كذلك (iouts = iL1).
يقترح هذا الطرح استخدام تقنية “تحكم بارامترية” قوية لتصميم وحدة تحكم قوية للترتيب الثابت، وذلك من أجل تقليل تأثيرات التذبذبات الناتجة عن حمل الطاقة الثابت في نظام باك باك متعدد المحولات (DC)، مما يضمن استقراراً قوياً وأداءاً قوياً لمنطقة عدم اليقين المحددة مسبقاً.
كما تم تقييم التقنية المقترحة بشكل شامل في كل من عمليات المحاكاة الحسابية وكذلك عن طريق التجارب التي أجريت في (20 W DC) متعدد المحولات، بحيث تتم مقارنة أداء وحدة التحكم القوية المقترحة (طريقة CKR) بوحدة التحكم الكلاسيكية بناءً على وضع القطب (طريقة CPP).
