عاكس الجسر الكامل أحادي الطور – أخبار إلكترونيات الطاقة

في هذه الدفعة من الدورة ، سوف ندرس تشغيل العاكس ذو الجسر الكامل أحادي الطور ، وهو جهاز إلكتروني يستخدم لتحويل التيار المباشر (DC) إلى التيار المتردد (AC). لإجراء هذا التحويل ، فإنه يستخدم دائرة جسر الصمام الثنائي التي تسمح بكفاءة أكبر من الأنواع الأخرى من العاكسات. المحولات أحادية الطور أقل تعقيدًا من المحولات ثلاثية الطور. بشكل عام ، تعد محولات الجسر أحادية الطور حلاً موثوقًا وفعالًا من حيث التكلفة لتحويل الطاقة الشمسية إلى كهرباء قابلة للاستخدام. مع تزايد الطلب على مصادر الطاقة النظيفة ، من المتوقع أن تستمر شعبيتها في الزيادة في المستقبل.

مبدأ التشغيل

تستخدم محولات الجسر الكامل أحادية الطور ، كما ذكرنا سابقًا ، لتحويل التيار المباشر إلى تيار متناوب. في هذه الدائرة ، تعمل المفاتيح الإلكترونية في أزواج ، وفي نصف موجة ، يتم إغلاق S1 و S2 فقط ، بينما في نصف الموجة الأخرى ، يتم إغلاق S3 و S4. خرج العاكس هو جهد متناوب بتردد متغير ويعتمد على تردد أشكال الموجة التي تقود الأجهزة. يوضح الشكل 1 مخطط التشغيل العام لهذا العاكس. من الناحية العملية ، يتم التحكم في المفاتيح الإلكترونية الموجودة في الجزء “أ” من الدائرة بشكل مكمل للمفاتيح الإلكترونية الموجودة في الجزء “ب”. المفاتيح ، في هذه الحالة ، هي أجهزة مثالية. يتم تعديل الإشارتين بجهد مرجعي متساوي ومعاكس. عادةً ما يتم استخدام نفس الناقل الكهربائي لإشارات القيادة.

يتكون عاكس مولد جهد الجسر الكامل أحادي الطور من أربع دوائر مفرمة ، كما هو موضح في الشكل 2. يوجد فيها أربعة ترانزستورات ، أو MOSFETs ، (Q1 ، Q2 ، Q3 و Q4). يمكن تشغيلها بشكل فردي ومستقل ، لذلك تختلف العملية النهائية اعتمادًا على التسلسل وكيفية تشغيل المفاتيح الإلكترونية وإيقاف تشغيلها. يُطلق على هذا الجهاز أيضًا اسم “جسر H” نظرًا للشكل الرسومي الغريب الذي تشكله مكوناته الإلكترونية. والنتيجة النهائية هي مزيج من محولين أحادي الطور ، ثنائي المستوى باستخدام نفس جهد الإمداد. سوف نفحص ، أدناه ، تسلسلات التنشيط المختلفة:

• إذا تم إغلاق عنصري التبديل Q1 و Q2 ، فإن الحمل (الموجود بين العقدتين “أ” و “ب”) يتعرض لجهد يساوي V ، وعلى وجه التحديد عند العقدة “أ” توجد قيمة جهد تبلغ حوالي V وفي العقدة “ب” هناك قيمة الجهد حوالي GND
• إذا تم إغلاق عنصري التبديل Q3 و Q4 ، فإن الحمل (الموجود بين العقدتين “أ” و “ب”) يتعرض لجهد يساوي V ، ولكن هذه المرة معكوسة في القطبية ، وعلى وجه التحديد عند العقدة “أ” هناك قيمة الجهد تبلغ حوالي GND بينما في العقدة “b” توجد قيمة جهد تبلغ حوالي Vs.

التيار المتدفق عبر الحمل ليس مثاليًا ولكنه يتأثر بالقيم المقاومة للمفاتيح الإلكترونية ، والتي ، كما نعلم ، ليست حقيقية أيضًا. على العكس من ذلك ، يجب أن يتقاطع التيار الذي يمر عبر ترانزستورين متصلين بالتسلسل ، لجميع المقاصد والأغراض ، بين خطين مقاومين بقيمة منخفضة جدًا ولكن لا تزال مهمة. يوضح الشكل 3 مسار التيار وفقًا للحالات المنطقية المختلفة للمفاتيح الإلكترونية.

يمكن تحديد القيمة النظرية الفعالة لجهد الخرج باستخدام المعادلة التالية:

يسمح التحكم في الموجة المربعة بدفع مفاتيح الجسر بطريقة يتم فيها توصيل كل محطة تحميل ، لمدة نصف فترة ، بالطرف الموجب لإمداد التيار المستمر ، ولمدة نصف فترة ، بالطرف السالب. بهذه الطريقة ، يتم دفع فرعي الجسر في أزواج متقاطعة. سنقوم الآن بفحص حالات تشغيل التبديل الأربعة للمفاتيح الإلكترونية الأربعة (الترانزستورات أو MOSFETs). يوضح الجدول التالي الفولتية المختلفة الموجودة في العقد “أ” و “ب” في أوضاع التشغيل المختلفة. يتضح تشغيل عاكس الجسر أحادي الطور من خلال الجدول التالي ، الذي يسرد الشروط المنطقية للمفاتيح المختلفة ، إلى جانب المعلومات الأخرى المتعلقة بالجهود والمكونات في التوصيل.

من المثير للاهتمام ملاحظة أنه عند إجراء الثنائيات D1 و D2 ، يعود التيار المتداول إلى مولد الجهد كتغذية مرتدة إيجابية. قيمة القدرة اللحظية ، في حالة الحمل المقاوم البحت ، تساوي ناتج الجهد اللحظي مضروبًا في التيار اللحظي. من ناحية أخرى ، إذا كان الحمل حثيًا ، فإن تياره وجهده الجيبيين. تعود أي توافقيات إلى مولد الجهد ويجب إلغاؤها أو تقليلها عن طريق توصيل سعة كبيرة بالتوازي مع مولد الجهد ، مما يساهم للأسف في وزن هذا النوع من العاكس وحجمه وتكلفته. لتجنب التوصيل المتزامن للمفاتيح المعاكسة ، يتم تنفيذ فترة زمنية صغيرة بين أمري الطاقة. في هذا النوع من مخطط الأسلاك ، تتمثل الميزة في استخدام جهد إمداد واحد. تعمل المفاتيح في أزواج وفي نصف موجة سيتم إغلاق Q1 و Q2 فقط ، وسيتم إغلاق نصف الموجة الأخرى Q3 و Q4. مع SCRs المتقادمة ، كانت ترددات العمل النموذجية 50 هرتز أو 300 هرتز ، وهي قيم تقع ضمن طيف الصوت المسموع ، لذلك أنتجت الأجهزة القديمة صفارات ونغمات صوتية غير سارة. مع المكونات الإلكترونية الجديدة ، من الممكن زيادة هذا التردد. إذا افترضنا حملًا استقرائيًا قويًا ، فإن التيار يتخذ نمطًا مثلثًا متماثلًا (انظر الرسم البياني المقابل في الشكل 4). يوضح الرسم البياني الجهد والتيار على الحمل ، وفي كل فترة ، هناك أربع فترات توصيل متميزة ، تتوافق معها دائرة محددة. بعد التبديل ، لا يمكن للتيار الموجود على الحمل الاستقرائي أن يتغير فجأة ، ويعكس اتجاهه على الفور ، لذلك يستمر في الدوران بنفس الاتجاه (من خلال الثنائيات المعاد تدويرها الموضوعة بالتوازي مع المفاتيح الإلكترونية) حتى يتم إلغاؤها تمامًا. ثم ينعكس اتجاه الدوران. في كل فترة ، يعمل العاكس على 4 أرباع في مستوى VI ، يعمل كعاكس ومُقَوِّم. من الواضح أن الموجة المربعة تقدم التوافقيات الأولى ذات الاتساع الأعلى والتوافقيات الفردية الأخرى بمعدل تشوه توافقي يبلغ حوالي 48٪. يمكن تقليل هذه التوافقيات بشكل كبير باستخدام مرشحات خاصة.

الاستنتاجات

في الختام ، عاكس الجسر الكامل أحادي الطور هو جهاز إلكتروني لتحويل التيار المباشر إلى تيار متناوب أحادي الطور. لديها العديد من المزايا على محولات المحولات التقليدية ، بما في ذلك الكفاءة العالية والحجم الأصغر والوزن الأخف. بالإضافة إلى ذلك ، هذا النوع من العاكس مناسب للاستخدام في مجموعة واسعة من التطبيقات ، من مصادر الطاقة المتجددة الصغيرة إلى محطات الطاقة الكبيرة. ومع ذلك ، من المهم اختيار محول الجودة للتأكد من أنه يعمل بشكل صحيح ويدوم لفترة طويلة. اليوم ، تسمح التكنولوجيا باستخدام مكونات تحويل سريعة للغاية مع القدرة على تحمل التيارات والفولتية العالية. من الممكن أن تصنع معهم أجهزة موثوقة وصغيرة وخفيفة الوزن. علاوة على ذلك ، يمكن أن تساعد مكونات كربيد السيليكون (SiC) وزرنيخيد الغاليوم (GaN) في جعل الأجهزة الإلكترونية أكثر كفاءة. إنها مواد شبه موصلة لها خصائص كهربائية فائقة مقارنة بالسيليكون التقليدي ، مثل تحمل درجات حرارة أعلى ومقاومة داخلية أقل. هذا يعني أن الأجهزة الإلكترونية القائمة على SiC و GaN يمكن أن تعمل بشكل أسرع وبأقل فقد للطاقة ، مما يحسن الكفاءة الإجمالية. يمكن تصميمها للاستخدام المكثف في أنظمة الطاقة الشمسية لأنها تستطيع التعامل مع الفولتية المتغيرة للتيار المستمر وتوليد جهد إخراج تيار متردد مستقر للغاية. علاوة على ذلك ، يمكنهم التعامل مع الأحمال غير الخطية ، مثل الأحمال الاستقرائية والسعة والمختلطة ، مما يجعلها مثالية للاستخدام في التطبيقات السكنية والصناعية.

اقرأ أيضًا:

سلسلة دورات إلكترونيات الطاقة

دورة إلكترونيات القوى: الجزء الأول – مقدمة

دورة إلكترونيات القوى: الجزء الثاني – الكابلات والأسلاك وثنائي الفينيل متعدد الكلور

دورة إلكترونيات القوى: الجزء 3 – SCR و Triac و BJT

دورة إلكترونيات القوى: الجزء الرابع – مكونات الطاقة

دورة إلكترونيات القوى: الجزء الخامس – الصمام الثنائي والمقوم

دورة إلكترونيات الطاقة: الجزء 6 – Step-Down DC / DC Converter

دورة إلكترونيات الطاقة: الجزء 7 – محولات DC-DC Step Up Up

دورة إلكترونيات الطاقة: الجزء 8 – منظم التعزيز باك

دورة إلكترونيات القوى: الجزء 9 – العاكس PWM