باستخدام بنية متسلسلة، تُستخدم خلايا جسر H أحادية الطور متعددة على التوالي في عاكس جسر H متسلسل لتوفير خرج تيار متردد سلس، حيث يمكن لكل خلية توفير جهد موجب أو سالب أو صفري لتكوين شكل موجي متدرج يُحاكي موجة جيبية. يُعد العاكس متعدد المستويات بديلاً ممتازًا لمحركات الجهد المتوسط التي تزيد عن 3.3 كيلو فولت، لأنه يُلغي الحاجة إلى أشباه موصلات الجهد العالي الموصولة على التوالي، مما يوفر خرجًا أنقى مع تشويه توافقي أقل مقارنةً بالتصاميم التقليدية ثنائية المستوى.
واجه وانغ تاو، مهندس أنظمة الطاقة العامل في مصنع أسمنت في جيانغسو، قرارًا صعبًا في نوفمبر 2024. نشأت المشكلة عندما اضطر المصنع إلى تحسين محرك الفرن، الذي كان يعمل بجهد 6.6 كيلوفولت، ما زاد من أهميته. كان الفريق يدرس خيارين: إما عاكس IGBT ثنائي المستوى تقليدي، أو تصميم جسر H متتالي. كانوا يفضلون التصميم الذي اعتادوا عليه في الظروف العادية، أي ثنائي المستوى؛ لذا كان مفهوم جسر H المتتالي جديدًا بالنسبة لهم.
لم يكن هناك سوى ارتباك بشأن فرق التكلفة الأولية البالغ 15% المرتبط بتقنية CHB، أو حول ميزة مئات خلايا التبديل الصغيرة، في حين أن عددًا قليلًا من خلايا التبديل الكبيرة أو خلية واحدة أفضل من غيرها. وقد تأخر المشروع لمدة ثلاثة أسابيع بسبب هذه المخاوف.
كان هذا الدليل هو المرجع الوحيد الذي استعنت به لفهم الفرق بين بعض تصميمات العاكسات متعددة المستويات، وللوقوف على السبب الرئيسي وراء جدوى استخدام عاكس جسر H المتتالي في تطبيقات الجهد المتوسط. يبدأ الدليل بشرح آلية عمل خلايا جسر H، موضحًا كيف تُنتج بضع خلايا متصلة على التوالي مستويات جهد متعددة، وكيف تُشغّل هذه التصميمات البطارية في تطبيقات التعدين والطاقة المتجددة وأنظمة التحكم في المحركات الصناعية الثقيلة. في النهاية، سيُقيّم القارئ تصميمات جسر H مع مكثف NPC والمكثف الطائر، ويُقدّم دراسة جدوى تُبرر اختيار أحدهما على الآخر في فريق المشتريات.
هذا هو نطاق التغطية: وحدات بناء جسر H وحالات التبديل الثلاثة الخاصة بها، والخلايا المتتالية التي تولد خرجًا متعدد المستويات عالي الجهد، ومقارنة الطوبولوجيا، واستراتيجيات التعديل، والتطبيقات الصناعية ذات الصلة، وإلى أين تتجه تقنية CHB بعد ذلك.
الوجبات السريعة الرئيسية
- يقوم عاكس الجسر H المتتالي بتوصيل خلايا الجسر H أحادية الطور المتعددة على التوالي لتوليد شكل موجي متدرج متعدد المستويات مع تشويه توافقي كلي أقل من تصميمات المستويين.
- تنتج كل خلية جسر H جهدًا مستمرًا +Vdc أو 0 أو -Vdc؛ وتخلق n خلية متصلة على التوالي 2n+1 مستوى جهد خرج لكل طور.
- لا تحتاج محولات CHB إلى ثنائيات تثبيت أو مكثفات طائرة، مما يجعلها أكثر أنواع الطوبولوجيا متعددة المستويات مرونة وتحملاً للأعطال.
- يستخدم نظام CHB المتناظر مصادر تيار مستمر متطابقة؛ بينما يستخدم نظام CHB غير المتناظر نسبًا ثنائية أو ثلاثية لزيادة المستويات إلى أقصى حد باستخدام عدد أقل من الخلايا.
- تُعد محركات الجهد المتوسط، وأنظمة الطاقة الشمسية الكهروضوئية المتصلة بالشبكة، وأنظمة STATCOM هي التطبيقات الصناعية السائدة لمحولات CHB اليوم.
للحصول على تحليل تقني أكثر تفصيلاً لمعايير محولات التردد ذات الجهد العالي، (اطلع على دليلنا الكامل لمحركات الجهد المتوسط والعالي.)
ما هو عاكس الجسر H المتتالي؟
التعريف والمفهوم الأساسي
محول CHB، أو محول الجسر H المتتالي، هو نوع من محولات التيار المتردد متعددة المستويات، حيث يُولّد جهدًا متناوبًا بناءً على مخارج خلايا الجسر H أحادية الطور المتصلة على التوالي. تعمل كل خلية كوحدة تحويل مستقلة بمصدر تيار مستمر خاص بها.
يُنتج عاكس CHB مستويات جهد صغيرة متعددة، مما يؤدي بدوره إلى ظهور شكل موجي متدرج نموذجي يُنتج تشوهًا في الموجة الجيبية مقارنةً بالموجة الجيبية الأصلية. يقلل هذا التصميم من التشوه التوافقي الكلي والضغط على عزل المحرك.
كيف يتناسب مع عائلات محولات الطاقة متعددة المستويات
تُصنّف إلكترونيات القدرة ثلاثة أنواع كلاسيكية من محولات التيار متعددة المستويات. يستخدم محول التيار ذو نقطة التثبيت المحايدة الثنائيات لتوليد مستويات جهد وسيطة. ويستخدم محول التيار ذو المكثفات الطائرة مكثفات مكدسة لنفس الغرض. أما محول التيار ذو جسر H المتتالي فيُحقق خرجًا متعدد المستويات من خلال خلايا موصولة على التوالي، لكل منها مصدر تيار مستمر معزول.
يمنح هذا الاختلاف الهيكلي تقنية CHB ميزة فريدة. فهي لا تتطلب ثنائيات تثبيت ولا مكثفات طائرة. ويمكن توسيع نطاقها ببساطة عن طريق إضافة المزيد من الخلايا على التوالي. لفهم أعمق لكيفية اندماج تصميمات العاكس متعدد المستويات في سلسلة تحويل الطاقة الكاملة من التيار المتردد إلى التيار المستمر ثم إلى التيار المتردد، (قراءة لدينا دليل مبدأ عمل محول التردد عالي الجهد.)
التطبيقات الرئيسية
تُستخدم محولات جسر H المتتالية في أي مكان يتطلب خرج تيار متردد متوسط الجهد، حيث تُعدّ المرونة المعيارية أمرًا بالغ الأهمية. تشمل التطبيقات الرئيسية محركات التردد المتغير متوسطة الجهد للمضخات والمراوح والضواغط؛ ومحولات الطاقة الشمسية المتصلة بالشبكة لمحطات الطاقة الشمسية واسعة النطاق؛ ومعوضات التزامن الثابتة للتحكم في القدرة التفاعلية؛ ومحولات إلكترونيات الطاقة للبنية التحتية لشبكات الجيل القادم.
محولات التردد ذات الجهد المنخفض مقابل محولات التردد ذات الجهد المتوسط: أيهما يجب أن تختار؟
وحدة بناء جسر H، تشغيل خلية واحدة
تكوين أربعة مفاتيح وحالات التبديل
الوحدة الأساسية لكل عاكس جسر H متتالي هي خلية جسر H نفسها. تتكون من أربعة مفاتيح أشباه موصلات، عادةً ما تكون من نوع IGBT أو MOSFET، مرتبة في تكوين جسر على شكل حرف H. يتم توصيل مصدر جهد مستمر عبر الطرف الأفقي، ويتم توصيل خرج التيار المتردد عبر المركز الرأسي.
يتحكم كل زوج من المفاتيح في تدفق التيار. عندما يكون المفتاحان العلوي الأيسر والسفلي الأيمن موصلين، يتدفق التيار في اتجاه واحد عبر الحمل. وعندما يكون المفتاحان العلوي الأيمن والسفلي الأيسر موصلين، يتدفق التيار في الاتجاه المعاكس.
مستويات الجهد الناتج
تُنتج خلية جسر H ثلاث حالات خرج متميزة. عندما يكون زوج المفاتيح الأول في وضع التشغيل، يكون الخرج +Vdc. عندما يكون زوج المفاتيح الثاني في وضع التشغيل، يكون الخرج -Vdc. عندما يكون كلا المفتاحين العلويين أو كلا المفتاحين السفليين في وضع التشغيل، يكون الخرج صفرًا.
تُشكّل هذه الحالات الثلاث اللبنات الأساسية لكل شكل موجي متعدد المستويات يُنتجه عاكس CHB. لا تُنتج أي خلية منفردة موجة جيبية، بل تظهر الموجة الجيبية فقط عندما تُدمج خلايا متعددة مخرجاتها في تسلسل زمني دقيق.
متطلبات مصدر التيار المستمر المستقل
تتطلب كل خلية جسر H في عاكس CHB مصدر تيار مستمر معزول خاص بها. هذه سمة مميزة. يمكن أن تكون مصادر التيار المستمر بطاريات، أو ألواحًا كهروضوئية، أو خلايا وقود، أو مخارج مقومات فردية. في تطبيقات محركات القيادة، تحتوي كل خلية عادةً على مقوم ثنائي ثلاثي الأطوار خاص بها يغذي مكثف تيار مستمر.
هذا الاستقلال هو ما يجعل محولات CHB تتكامل بسلاسة مع أنظمة الطاقة المتجددة. إذ يمكن لكل سلسلة من الألواح الشمسية تغذية خليتها الخاصة، مما يتيح تتبع نقطة الطاقة القصوى لكل خلية على حدة.
التكوين المتتالي، توليف مستوى الجهد
توصيل خلايا جسر H على التوالي
تكمن روعة عاكس الجسر H المتتالي في توصيل عدة خلايا جسر H على التوالي من جهة خرج التيار المتردد. يساوي جهد الطور الكلي المجموع الجبري لمساهمة كل خلية على حدة.
إذا أخرجت خلية واحدة جهدًا مستمرًا موجبًا (+Vdc)، وأخرجت الخلية التالية جهدًا موجبًا (0)، وأخرجت الخلية الثالثة جهدًا مستمرًا موجبًا (+Vdc)، فإن الناتج الكلي يكون +2Vdc. ومن خلال تنسيق عملية التبديل بين جميع الخلايا، يستطيع المتحكم تغيير قيمة الناتج تدريجيًا عبر مستويات جهد منفصلة متعددة.
التكوينات المتناظرة مقابل التكوينات غير المتناظرة
تأتي محولات CHB بتصميمين أساسيين. في تصميم جسر H المتتالي المتناظر، تستخدم كل خلية نفس جهد التيار المستمر. إذا كان لكل خلية مصدر تيار مستمر 480 فولت، فإن كل خلية تساهم بجهد ±480 فولت. هذا هو أبسط تصميم وأكثرها شيوعًا في محركات القيادة الصناعية.
في جسر H المتتالي غير المتماثل، تستخدم الخلايا جهودًا مستمرة مختلفة. يستخدم النظام الثنائي جهودًا مقدارها Vdc، و2Vdc، و4Vdc، وهكذا. بينما يستخدم النظام الثلاثي جهودًا مقدارها Vdc، و3Vdc، و9Vdc. تُولّد التصاميم غير المتماثلة مستويات جهد أكثر بكثير باستخدام عدد أقل من الخلايا، ولكنها تتطلب خوارزميات تحكم أكثر تعقيدًا.
صيغة مستوى الجهد
تتبع العلاقة بين عدد الخلايا ومستويات الخرج صيغة بسيطة. بالنسبة لمولد تيار متردد متناظر ذي n خلية لكل طور، يكون عدد مستويات الجهد 2n + 1.
تُشكّل خليتان خمسة مستويات. وتُشكّل ثلاث خلايا سبعة مستويات. وتُشكّل أربع خلايا تسعة مستويات.
بالنسبة لدائرة ثنائية غير متناظرة من نوع CHB، تتوسع الصيغة إلى 2^(n+1) – 1 مستوى. تنتج ثلاث خلايا ثنائية خمسة عشر مستوى. هذه الزيادة الكبيرة تفسر سبب تفضيل الباحثين للتصاميم غير المتناظرة في التطبيقات التي تتطلب مخرجات فائقة النقاء.
أمثلة للتصاميم
قد يستخدم محرك عملي بقدرة 3.3 كيلوفولت ثلاث خلايا متناظرة لكل طور، لكل منها ناقل تيار مستمر بجهد 690 فولت. ينتج عن ذلك خرج ذو 7 مستويات. أما محرك بقدرة 6.6 كيلوفولت فقد يستخدم ست خلايا لكل طور للحصول على شكل موجي ذي 13 مستوى.
في عام 2023، قام مصنع لدرفلة الصلب في خبي بتشغيل محرك CHB بجهد 10 كيلوفولت، مزود بثماني خلايا لكل طور. تعمل كل خلية بجهد 1,250 فولت تيار مستمر. حقق خرج المحرك ذو المستويات الـ 17 نسبة تشويه توافقي كلي أقل من 3% دون الحاجة إلى أي مرشح خرج.
أشار مهندس المصنع لي مينغ إلى أن أبرز اختلاف عن محركهم القديم ثنائي المستوى هو غياب سخونة المحرك. فقد قضى شكل الموجة النظيف على خسائر التردد العالي التي كانت تتسبب في تدهور محرك المطحنة بقدرة 3,500 كيلوواط ببطء على مدى سنوات.
مقارنة بين طوبولوجيات CHB وغيرها من الطوبولوجيات متعددة المستويات
تثبيت النقطة المحايدة (NPC)
كان العاكس ذو نقطة التثبيت المحايدة أول تصميم متعدد المستويات يُعتمد على نطاق واسع. يستخدم هذا التصميم ناقل تيار مستمر واحد مُقسّم إلى نصفين، مع ثنائيات تثبيت تُنشئ مستوى جهد ثالثًا عند نقطة المنتصف. تتميز عواكس NPC بصغر حجمها وكفاءتها العالية في نطاق جهد يتراوح بين 2.3 كيلوفولت و4.16 كيلوفولت.
عند تجاوز الجهد 6.6 كيلوفولت، تواجه تصميمات NPC تحديات جسيمة. يزداد عدد ثنائيات التثبيت بشكل كبير، ويصبح موازنة جهد المكثف أمرًا صعبًا، وقد يؤدي تعطل ثنائي واحد إلى تعطيل خط الطور بأكمله.
المكثف الطائر (FC)
تستبدل محولات المكثفات الطائرة الثنائيات المثبتة بمكثفات مكدسة. ويتطلب كل مستوى إضافي مكثفًا إضافيًا. وهذا يخلق بنية أكثر نمطية من محولات NPC، لكن عدد المكثفات وتعقيد موازنة الجهد لا يزالان يحدان من قابلية التوسع.
تُستخدم محولات التيار المتردد في تطبيقات متخصصة حيث يكون التبديل السريع والديناميكية العالية أمراً بالغ الأهمية. ونادراً ما تُستخدم هذه المحولات في محركات القيادة التجارية عند جهد أعلى من 6.6 كيلو فولت.
مقارنة جنبًا إلى جنب
| الميزات | N | المكثف الطائر | CHB |
|---|---|---|---|
| مكونات التثبيت | الثنائيات | المكثفات | بدون سلوفان |
| مصادر العاصمة | غير متزوجة | غير متزوجة | مستقلات متعددة |
| التوسعة | محدود | متوسط | مرتفع |
| التسامح مع الخطأ | منخفض | متوسط | مرتفع |
| THD عند نفس المستويات | معتدل | معتدل | منخفض |
| أفضل نطاق للجهد | 2.3-4.16 كيلو فولت | 2.3-6.6 كيلو فولت | 3.3 كيلو فولت+ |
متى تختار CHB على NPC أو FC
اختر عاكس جسر H المتتالي عندما يتطلب تطبيقك جهدًا عاليًا، أو تصميمًا معياريًا، أو قدرة على تحمل الأعطال. يُعدّ هذا النوع من العواكس البنية الوحيدة التي تتوسع بسلاسة إلى 10 كيلو فولت وما فوق. كما أنه البنية الوحيدة التي تسمح بتجاوز خلية معطلة دون إيقاف المحرك. وهو أيضًا البنية الوحيدة التي تدمج مصادر تيار مستمر مستقلة متعددة بشكل مباشر.
استراتيجيات التعديل والتحكم
تبديل التردد الأساسي
تعتمد أبسط طرق التحكم على تبديل كل خلية من خلايا جسر H عند تردد الخرج الأساسي، والذي يكون عادةً 50 هرتز أو 60 هرتز. ويقوم جهاز التحكم بحساب زوايا التبديل الدقيقة اللازمة لإنتاج شكل الموجة المتدرجة المطلوب بأقل قدر من التوافقيات.
يقلل هذا الأسلوب من خسائر التبديل لأن كل شبه موصل لا يقوم بالتبديل إلا مرات قليلة في الدورة الواحدة. في محرك 6.6 كيلو فولت بست خلايا، قد يقوم كل ترانزستور IGBT بالتبديل مرتين فقط في الدورة الواحدة. وغالبًا ما تتجاوز الكفاءة الناتجة 98%.
نبض العرض التحوير (PWM)
تستخدم محولات CHB عالية الأداء تقنيات تعديل عرض النبضة (PWM). تُخصص تقنية PWM ذات الموجة الحاملة المزاحة طوريًا شكل موجة حاملة مختلفًا لكل خلية، مما يُنشئ نمط تبديل متداخلًا يُلغي التوافقيات بين الخلايا. ويكون تردد التبديل الفعال للخرج أعلى بكثير من تردد تبديل أي خلية على حدة.
ينتج عن ذلك خرج أنقى ولكنه يزيد من خسائر التبديل. تعمل تصميمات PWM CHB عادةً بترددات تبديل الخلايا من 500 هرتز إلى 2 كيلو هرتز.
إزالة التوافقيات الانتقائية (SHEPWM)
تُعدّ تقنية إزالة التوافقيات الانتقائية أسلوبًا لتحسين الأداء، حيث تُحسب زوايا التبديل مسبقًا لإزالة توافقيات محددة منخفضة الرتبة. في دائرة CHB ذات 7 مستويات، تستطيع تقنية SHEPWM إزالة التوافقيات الخامسة والسابعة تمامًا. أما في تصميم ذي 13 مستوى، فيمكنها إزالة التوافقيات حتى الرتبة الحادية عشرة.
يكمن المقابل في التعقيد الحسابي. تقوم وحدات التحكم الرقمية الحديثة بحل هذه المعادلات في الوقت الفعلي باستخدام جداول البحث والاستيفاء.
التحكم في موازنة الجهد
في تصميمات CHB المتناظرة، ينبغي أن تتوزع الأحمال بالتساوي بين جميع الخلايا. عمليًا، تؤدي تفاوتات المكونات، واختلافات درجات الحرارة، وفواقد التبديل غير المتساوية إلى اختلالات في الجهد. تعمل خوارزميات الموازنة النشطة على ضبط أنماط التبديل للحفاظ على جميع جهود ناقل التيار المستمر ضمن نطاق ضيق، عادةً ±3% من القيمة الاسمية.
مزايا وعيوب محولات التيار المتردد CHB
النمطية وقابلية التوسع
تُعدّ الطبيعة المعيارية لمحولات CHB أبرز مزاياها. هل تحتاج إلى جهد أعلى؟ أضف المزيد من الخلايا. هل تحتاج إلى طاقة أكبر؟ أضف سلاسل متوازية من الخلايا. كل خلية متطابقة، مما يُبسّط عملية التصنيع، ويُقلّل من مخزون قطع الغيار، ويُمكّن من التشغيل التدريجي.
يمكن تشغيل محرك كهربائي بجهد 10 كيلوفولت بست خلايا لكل طور، ويمكن ترقيته لاحقًا إلى ثماني خلايا ببساطة عن طريق إضافة وحدات قياسية. لا يتطلب الأمر إعادة تصميم مرحلة الطاقة.
التسامح مع الخطأ والتكرار
في حال تعطل خلية جسر H واحدة في عاكس NPC، يتوقف المحرك بالكامل. أما في عاكس CHB، فيمكن تجاوز الخلية المعطلة. وبذلك، يتحول محرك ذو 7 مستويات إلى محرك ذي 5 مستويات.
يتحول محرك الأقراص ذو 13 مستوى إلى محرك أقراص ذي 11 مستوى. ويستمر الإنتاج بطاقة إنتاجية مخفضة بينما يقوم قسم الصيانة بجدولة الإصلاح.
هذه القدرة هي السبب في أن عمليات التعدين والأسمنت، حيث يكلف التوقف عن العمل عشرات الآلاف من الدولارات في الساعة، تحدد بشكل متزايد تصميمات CHB للمحركات الحيوية.
مصادر مستقلة في واشنطن العاصمة
يُعدّ اشتراط وجود مصادر تيار مستمر مستقلة متعددة ميزةً وعيبًا في آنٍ واحد. ففي تطبيقات الطاقة المتجددة، يُتيح ذلك تتبع نقطة الطاقة القصوى الموزعة ودمج البطاريات بسلاسة. أما في محركات القيادة التقليدية، فيعني ذلك أن كل خلية تحتاج إلى مقوم ومحول خاص بها، مما يزيد من تعقيد وتكلفة المرحلة الأولى.
عدد المكونات والتكلفة
يستخدم محرك CHB بجهد 6.6 كيلوفولت بست خلايا لكل طور 72 ترانزستور IGBT لمرحلة العاكس فقط. وبإضافة المقومات والمكثفات ومحركات البوابات ودوائر الحماية، يصبح عدد المكونات كبيرًا. لهذا السبب، عادةً ما تكون تكلفة محركات CHB أعلى بنسبة 10-20% من نظيراتها من نوع NPC عند نفس القدرة.
تعتمد جدوى المشروع على قيمة دورة حياة المنتج. انخفاض التشوه التوافقي يعني استخدام مرشحات إخراج أصغر. التصميم المعياري يعني إصلاحات أسرع. تحمل الأعطال يعني توقفات أقل.
تحديات موازنة الجهد
يتطلب الحفاظ على توازن جميع جهود الخلايا في ظل ظروف الأحمال الديناميكية تحكمًا متطورًا. إذ يمكن أن تؤدي التغيرات المفاجئة في الأحمال، والكبح التجديدي، وانخفاض جهد الشبكة إلى الإخلال بهذا التوازن. وتستخدم المحركات المتقدمة التحكم التنبؤي القائم على النماذج لتوقع حالات عدم التوازن ومنعها قبل أن تصبح حرجة.
التطبيقات الصناعية لمحولات CHB
محركات كهربائية متوسطة الجهد
يمكن استخدام محولات التردد CHB في العديد من تطبيقات التحكم في المحركات ذات الجهد العالي، مثل محركات الجهد المتوسط. فعلى سبيل المثال، تستخدم المحركات الكهربائية للمضخات والمراوح والضواغط والناقلات والمطاحن التي تعمل بجهد 3.3 كيلو فولت و4.16 كيلو فولت و6.6 كيلو فولت محولات التردد CHB بشكل طبيعي.
في عام 2024، قام منجم نحاس في منغوليا الداخلية بتركيب أربعة محركات CHB بجهد 3.3 كيلوفولت على مراوح التهوية الرئيسية. يحتوي كل محرك على ست خلايا لكل طور. عند تعطل إحدى الخلايا نتيجة عطل في مشغل البوابة خلال ذروة التشغيل في فصل الصيف، يقوم المحرك بتجاوزها تلقائيًا.
عملت المروحة بنسبة 92% من طاقتها التصميمية. استبدلت الصيانة الخلية في المرة التالية التي تم فيها إيقاف تشغيل الوحدة، وأعاد مدير الإنتاج وي تشاو حساب أن التجاوز التلقائي وفر ما يقرب من 38,000 دولار من إيرادات الإنتاج المفقودة.
أنظمة الطاقة الشمسية الكهروضوئية المتصلة بالشبكة
تستخدم محولات الطاقة الشمسية واسعة النطاق التي تزيد قدرتها عن 3.3 كيلوفولت بشكل متزايد تقنية جسر H. حيث تتصل كل سلسلة من الخلايا الكهروضوئية بخلية جسر H خاصة بها. وهذا يقلل من فقدان الطاقة الناتج عن عدم تطابق السلاسل، ويتيح تتبع نقطة الطاقة القصوى بشكل مستقل لكل خلية.
تستخدم محطة طاقة شمسية بقدرة 50 ميغاواط في تشينغهاي محولات CHB ذات 12 خلية لكل طور. يتصل خرجها متعدد المستويات مباشرةً بشبكة تجميع الجهد 35 كيلوفولت دون الحاجة إلى محول رفع الجهد. وقد ساهم عدم وجود محول 50/60 هرتز في خفض فاقد الطاقة في المحطة بنسبة 1.2% وتقليل وزن التركيب بمقدار 40 طنًا.
المعوضات المتزامنة الثابتة (STATCOM)
تستخدم أجهزة STATCOM محولات CHB لحقن أو امتصاص الطاقة التفاعلية لدعم جهد الشبكة. يتيح التصميم المعياري تحكمًا دقيقًا في خرج الطاقة التفاعلية بزيادات صغيرة. وقد نشر مشغلو الشبكة الصينيون مئات من أجهزة STATCOM القائمة على تقنية CHB لتحقيق استقرار الجهد في المناطق الغنية بالرياح.
محولات الطاقة الإلكترونية
تستخدم تصاميم محولات الطاقة الإلكترونية الحديثة خلايا CHB كوحدة بناء أساسية. ومن خلال توصيل الخلايا على التوالي عند كل من المدخل والمخرج، تحل هذه الأجهزة محل محولات 50/60 هرتز التقليدية ذات مراحل العزل عالية التردد. والنتيجة هي معدات أصغر حجمًا وأخف وزنًا بشكل ملحوظ لتطبيقات الجر والطاقة المتجددة.
الابتكارات الحديثة في تصميم الطوب الخرساني
دمج ترانزستورات MOSFET المصنوعة من كربيد السيليكون
بدأت ترانزستورات MOSFET المصنوعة من كربيد السيليكون تحل محل ترانزستورات IGBT المصنوعة من السيليكون في خلايا جسر H. يمكن لخلية جسر H المصنوعة من كربيد السيليكون التبديل بتردد 10 كيلوهرتز أو أعلى، مقارنةً بتردد 1-2 كيلوهرتز لترانزستورات IGBT المصنوعة من السيليكون. وهذا يتيح استخدام مرشحات خرج أصغر، واستجابة ديناميكية أسرع، وكفاءة أعلى.
يُعدّ تحسين الكفاءة ذا أهمية بالغة عند التوسع في الإنتاج. فاستبدال ترانزستورات IGBT المصنوعة من السيليكون بترانزستورات MOSFET المصنوعة من كربيد السيليكون في محرك CHB بقدرة 10 ميجاواط يُمكن أن يُحسّن الكفاءة بنسبة 1-2%. وعلى مدار 8,000 ساعة تشغيل سنويًا، يُوفّر ذلك ما بين 800,000 و1,600,000 كيلوواط ساعة من الطاقة.
طوبولوجيات ذات عدد أقل من المحولات
يعمل الباحثون على تطوير تصميمات مُعدّلة لجسر H-B تُقلّل عدد أشباه الموصلات. تستخدم تصميمات الخلايا ذات التبديل المتقاطع وتصميمات جسر H من النوع T عددًا أقل من المفاتيح لكل خلية مع الحفاظ على نفس مستويات الإخراج. بالنسبة لتصميم ذي 7 مستويات، يمكن لهذه التصميمات أن تُقلّل عدد المفاتيح بنسبة 25-30%، مما يُقلّل التكلفة وفقدان الطاقة بشكل مباشر.
تكوينات CHB-NPC الهجينة
يجمع بعض المصنّعين بين مبادئ CHB وNPC في تصميمات هجينة. تقوم وحدة NPC الأمامية بإنشاء مستويات تيار مستمر متعددة، بينما تعالج خلايا CHB كل مستوى على حدة. يحقق هذا النهج عددًا كبيرًا جدًا من المستويات مع عدد معتدل من المكونات، وإن كان ذلك على حساب تقليل قابلية التعديل.
التحكم الرقمي والخوارزميات التنبؤية
تستخدم محركات CHB الحديثة مصفوفات البوابات المنطقية القابلة للبرمجة الميدانية (FPGAs) ومعالجات الإشارات الرقمية عالية السرعة لتنفيذ التحكم التنبؤي القائم على النموذج. فبدلاً من الاستجابة لاختلالات الجهد بعد حدوثها، تتنبأ الخوارزميات التنبؤية بتغيرات الحمل وتضبط أنماط التبديل مسبقًا. وهذا يقلل من تموج الجهد بنسبة 40-60% مقارنةً بوحدات التحكم التناسبية التكاملية التقليدية.
خاتمة
لا يُعدّ عاكس الجسر H المتتالي مجرد شكل مُعدّل من تصميم العاكس متعدد المستويات، بل هو نهج جديد كليًا لتحويل الطاقة عالية الجهد. توفر بنية الجسر H المتتالي مرونةً وتحملاً للأعطال وجودة خرج لا يُمكن تحقيقها بالتصميم المتكامل.
مبدأ التشغيل بسيط وسهل الفهم. تُساهم كل خلية من خلايا جسر H إما بجهد +Vdc أو -Vdc أو بصفر. ثم تُجمع هذه المساهمات معًا في التوصيل التسلسلي. يؤدي التبديل الدقيق بين الحالات إلى تكوين شكل موجي متدرج؛ ومع زيادة عدد الخلايا، يمكن أن يقترب هذا الشكل الموجي من موجة جيبية نقية.
بالنظر إلى أداء محركات الجهد المتوسط، تعتمد المقارنات بين نظام الجسر المتتالي H (CHB) وبقية الأنظمة على متطلبات التطبيق النهائي. إذا كانت الموثوقية العالية، ونقاء المخرجات، والتكامل مع مصادر التيار المستمر المتعددة من أهم متطلبات تركيبك، فإن نظام الجسر المتتالي H هو الخيار الأمثل. أما إذا كان عامل التكلفة هو العامل الحاسم، إلى جانب تطبيق منخفض المخاطر، فقد تكون خيارات NPC أو الخيارات ثنائية المستوى مناسبة.
إذا كنت تواجه صعوبة في اختيار عاكس الجسر H المتتالي، أو تحسين عدد الخلايا، أو تصميم تكوين مخصص لتطبيق الجهد المتوسط، فلا تتردد بالتواصل مع فريقنا الهندسي. نحن نصمم ونُصنّع أنظمة تحويل طاقة متعددة المستويات ذات بنية معيارية: من 3.3 كيلوفولت إلى 11 كيلوفولت. وبالتالي، فإنّ تصميمات CHB وNPC والهجينة مُصممة خصيصًا لتلبية احتياجات قطاعات التعدين والطاقة النظيفة والصناعات الثقيلة، مع الحفاظ على مكانتها العالمية المتميزة.
الأسئلة الشائعة
كيف يعمل عاكس الجسر H المتتالي؟
يعمل عاكس جسر H المتتالي عن طريق توصيل عدة خلايا جسر H أحادية الطور على التوالي في جانب خرج التيار المتردد. تقوم كل خلية بتبديل مصدر التيار المستمر المستقل الخاص بها لإنتاج +Vdc أو -Vdc أو صفر. يجمع التوصيل التسلسلي هذه المخارج الفردية في شكل موجة متدرجة متعددة المستويات.
ما الفرق بين محولات الجسر H المتتالية المتناظرة وغير المتناظرة؟
تستخدم لوحة الدوائر المتكاملة المتناظرة مصادر جهد مستمر متطابقة لجميع الخلايا. أما لوحة الدوائر المتكاملة غير المتناظرة فتستخدم جهودًا مستمرة مختلفة، عادةً بنسب ثنائية أو ثلاثية. تُنتج التصاميم غير المتناظرة مستويات جهد أكثر بعدد أقل من الخلايا، ولكنها تتطلب تحكمًا أكثر تعقيدًا.
كم عدد مستويات الجهد التي ينتجها عاكس جسر H المتتالي؟
ينتج عن دائرة CHB متناظرة تحتوي على n خلية لكل طور 2n+1 مستوى جهد. تنتج خليتان 5 مستويات. تنتج ثلاث خلايا 7 مستويات. تنتج ست خلايا 13 مستوى.
ينتج عن CHB ثنائي غير متماثل مع n خلية مستويات 2^(n+1)-1.
لماذا تُفضل محولات الجسر H المتتالية لمحركات الجهد المتوسط؟
تتميز محولات CHB بقدرتها على الوصول إلى الجهد العالي عن طريق إضافة خلايا متطابقة بدلاً من الاعتماد على أشباه موصلات الجهد العالي الموصولة على التوالي. وتوفر هذه المحولات مقاومة للأعطال، وقابلية للتخصيص، وموجات خرج نقية. كما يمكن تجاوز الخلايا المعطلة دون إيقاف تشغيل المحرك.
ما هي التطبيقات الرئيسية لمحولات الجسر H المتتالية؟
تتمثل التطبيقات السائدة في محركات الجهد المتوسط للمضخات والمراوح والضواغط؛ ومحولات الطاقة الكهروضوئية المتصلة بالشبكة؛ ومعوضات التزامن الثابتة لدعم جهد الشبكة؛ وتصميمات محولات إلكترونيات الطاقة الناشئة.
