يُذكركم مورد وحدة التغذية الراجعة بأنه منذ ظهور محركات الحث الأوتوماتيكية، خضعت مولدات التيار المتردد بالفعل لعملية تردد متغير. غيّر سرعة المولد واضبط تردد خرجه. قبل ظهور الترانزستورات عالية السرعة، كانت هذه إحدى الطرق الرئيسية لتغيير سرعة المحرك، ولكن نظرًا لأن سرعة المولد تُقلل تردد الخرج بدلاً من الجهد، فقد كان تباين التردد محدودًا.
لذلك، دعونا نلقي نظرة على مكونات محول التردد ونرى كيف تعمل معًا لتغيير التردد وسرعة المحرك.
مكونات العاكس - المقوم
نظرًا لصعوبة تغيير تردد موجات جيبية التيار المتردد في وضع التيار المتردد، فإن أول مهمة لمحول التردد هي تحويل شكل الموجة إلى تيار مستمر. لجعله يبدو وكأنه تيار متردد، من السهل نسبيًا تشغيل التيار المستمر. المكون الأول لجميع محولات التردد هو جهاز يسمى المقوم أو المحول. تقوم دائرة المقوم في محول التردد بتحويل التيار المتردد إلى تيار مستمر، وطريقة عمله هي تقريبًا نفس طريقة عمل شاحن البطارية أو آلة اللحام القوسي. يستخدم جسرًا ثنائيًا لتقييد موجة جيبية التيار المتردد من التحرك في اتجاه واحد فقط. والنتيجة هي أن شكل موجة التيار المتردد المصحح بالكامل يتم تفسيره بواسطة دائرة التيار المستمر على أنه شكل موجة تيار مستمر محلي. يقبل محول التردد ثلاثي الأطوار ثلاث مراحل دخل تيار متردد مستقلة ويحولها إلى خرج تيار مستمر واحد.
معظم محولات التردد ثلاثية الطور تقبل أيضًا مصدر طاقة أحادي الطور (230 فولت أو 460 فولت)، ولكن نظرًا لوجود فرعي إدخال فقط، يجب تخفيض خرج محول التردد (HP) نظرًا لانخفاض تيار التيار المستمر المتولد بشكل متناسب. من ناحية أخرى، يستخدم عاكس أحادي الطور (عاكس أحادي الطور يتحكم في محرك أحادي الطور) مدخلًا أحادي الطور ويولد خرج تيار مستمر متناسبًا مع المدخل.
هناك سببان لشيوع استخدام المحركات ثلاثية الطور مقارنةً بالمحركات أحادية الطور عند تشغيلها بسرعات متغيرة. أولًا، نطاق قدرتها أوسع. من ناحية أخرى، عادةً ما تتطلب المحركات أحادية الطور تدخلًا خارجيًا لبدء الدوران.
مكونات العاكس - ناقل التيار المستمر
لا يُمكن رؤية المُكوّن الثاني من ناقل التيار المستمر في أي مُحوّل تردد، لأنه لا يُؤثر مُباشرةً على تشغيله. ومع ذلك، فهو موجودٌ دائمًا في مُحوّلات التردد عالية الجودة المُخصصة للأغراض العامة. يستخدم ناقل التيار المستمر المُكثّفات والمُحثّات لتصفية جهد "التموج" المُتكرّر في طاقة التيار المستمر المُحوّلة، ثم يدخل إلى قسم العاكس. كما يتضمن مُرشّحًا لمنع التشوه التوافقي، والذي يُمكن إرجاعه إلى مصدر طاقة العاكس. تتطلب مُحوّلات التردد القديمة مُرشّحات خطّ مُنفصلة لإتمام هذه العملية.
مكونات العاكس - العاكس
على يمين الرسم التوضيحي، تظهر "الأعضاء الداخلية" لمحوّل التردد. يستخدم العاكس ثلاث مجموعات من ترانزستورات التبديل عالية السرعة لتوليد "نبضات" تيار مستمر ثلاثية الطور تُحاكي موجات جيبية مترددة. لا تُحدد هذه النبضات جهد الموجة فحسب، بل ترددها أيضًا. مصطلح "عاكس" يعني "الانعكاس"، أي حركة الموجة المُولّدة صعودًا وهبوطًا. تستخدم محولات التردد الحديثة تقنية تُسمى "تعديل عرض النبضة" (PWM) لتنظيم الجهد والتردد.
لنتحدث الآن عن ترانزستور IGBT. يشير مصطلح IGBT إلى "ترانزستور ثنائي القطب ذو بوابة معزولة"، وهو مُكوّن التبديل (أو النبضة) في العاكس. تلعب الترانزستورات (التي تحل محل الصمامات المفرغة) دورين في عالمنا الإلكتروني. إذ يمكنها أن تعمل كمُضخّم لزيادة الإشارة، أو كمفتاح بمجرد تشغيلها وإيقافها. يُعدّ ترانزستور IGBT إصدارًا حديثًا يوفر سرعات تبديل أعلى (3000-16000 هرتز) ويُقلّل من توليد الحرارة. تُحسّن سرعة التبديل العالية دقة محاكاة موجات التيار المتردد وتُقلّل من ضوضاء المحرك. ويعني انخفاض الحرارة المتولدة صغر حجم المشتت الحراري، وبالتالي يشغل مُحوّل التردد مساحةً أصغر.
شكل موجة PWM العاكس
شكل الموجة المُولّدة من عاكس PWM مُقارنةً بموجة جيبية تيار متردد حقيقية. يتكون خرج العاكس من سلسلة من النبضات المستطيلة ذات ارتفاع ثابت وعرض قابل للتعديل.
في هذه الحالة الخاصة، هناك ثلاث مجموعات من النبضات - مجموعة واسعة في المنتصف ومجموعة ضيقة في بداية ونهاية الأجزاء الإيجابية والسلبية لدورة التيار المتردد.
مجموع مساحات النبضات يساوي الجهد الفعال لموجة التيار المتردد الحقيقية. إذا أردتَ فصل أجزاء النبضة فوق (أو تحت) شكل موجة الاتصال الفعلية وملء المساحة الفارغة أسفل المنحنى بها، فستجد أنها تتطابق تمامًا تقريبًا. بهذه الطريقة تحديدًا، يتحكم محول التردد في جهد المحرك. يُحدد مجموع عرض النبضة وعرض المساحة الفارغة بينهما تردد شكل الموجة الذي يراه المحرك (ومن هنا جاء تعديل عرض النبضة). إذا كانت النبضة مستمرة (أي بدون مساحات فارغة)، فسيظل التردد صحيحًا، لكن الجهد سيكون أكبر بكثير من موجة جيبية تيار متردد حقيقية.
وفقًا للجهد والتردد المطلوبين، يُغيّر مُحوّل التردد ارتفاع وعرض النبضة، بالإضافة إلى عرض الفراغ بينهما. قد يتساءل البعض كيف يُشغّل هذا التيار المتردد "المُزيّف" (الذي هو في الواقع تيار مستمر) محرك تحريض تيار متردد.
في النهاية، هل يحتاج التيار المتردد إلى "تحريض" التيار والمجال المغناطيسي المقابل في دوار المحرك؟ لذا، يُسبب التيار المتردد تحريضًا طبيعيًا لأنه يتغير اتجاهه باستمرار، بينما لا يعمل التيار المستمر بشكل طبيعي بعد تنشيط الدائرة.
مع ذلك، عند تشغيل التيار المستمر وإيقافه، يمكنه استشعار التيار. بالنسبة لكبار السن، كان نظام إشعال السيارة (قبل نظام الإشعال بالحالة الصلبة) يحتوي على مجموعة من النقاط في الموزع. الغرض من هذه النقاط هو نقل الطاقة من "نبضات" البطارية إلى الملفات (المحولات). يؤدي هذا إلى تحريض شحنة في الملف، ثم رفع الجهد إلى مستوى يسمح لشمعة الاحتراق بالاشتعال. تتكون نبضة التيار المستمر العريضة الموضحة في الشكل أعلاه من مئات النبضات المنفردة، وتسمح حركة فتح وإغلاق خرج العاكس بحدوث تحريض تيار مستمر.
الجهد الفعال
أحد العوامل التي تجعل التيار المتردد معقدًا هو تغير جهده باستمرار، من الصفر إلى أقصى جهد موجب، ثم يعود إلى الصفر، ثم إلى أقصى جهد سالب، ثم يعود إلى الصفر. كيف نحدد الجهد الفعلي المطبق على الدائرة؟ الرسم التوضيحي أدناه هو موجة جيبية بتردد 60 هرتز وجهد 120 فولت. مع ذلك، تجدر الإشارة إلى أن جهدها الأقصى هو 170 فولت. إذا كان جهدها الفعلي 170 فولت، فكيف نسميها موجة 120 فولت؟
أحد العوامل التي تجعل التيار المتردد معقدًا هو التغير المستمر في جهده، من الصفر إلى أقصى جهد موجب، ثم العودة إلى الصفر، ثم إلى أقصى جهد سالب، ثم العودة إلى الصفر. كيف يمكن تحديد الجهد الفعلي المطبق على الدائرة؟
موجة جيبية بتردد 60 هرتز وجهد 120 فولت، تجدر الإشارة إلى أن جهدها الأقصى هو 170 فولت. إذا كان جهدها الفعلي 170 فولت، فكيف نسميها موجة 120 فولت؟
في دورة واحدة، يبدأ عند 0 فولت، ويرتفع إلى 170 فولت، ثم ينخفض مرة أخرى إلى 0. ويستمر في الانخفاض إلى -170، ثم يرتفع مرة أخرى إلى 0. مساحة المستطيل الأخضر ذو الحد العلوي 120 فولت تساوي مجموع مساحات الأجزاء الموجبة والسالبة من المنحنى.
إذن، ١٢٠ فولت هو المستوى المتوسط؟ حسنًا، إذا حسبنا متوسط جميع قيم الجهد عند كل نقطة خلال الدورة بأكملها، فستكون النتيجة حوالي ١٠٨ فولت، لذا لا يُمكن أن تكون هذه هي الإجابة. فلماذا تُقاس هذه القيمة بواسطة VOM عند ١٢٠ فولت؟ إنها مرتبطة بما نُسميه "الجهد الفعال".
إذا أردت قياس الحرارة الناتجة عن مرور التيار المستمر عبر مقاومة، فستجد أنها أكبر من الحرارة الناتجة عن التيار المتردد المكافئ. وذلك لأن التيار المتردد لا يحافظ على قيمة ثابتة طوال الدورة. عند إجراء القياس في ظروف مُتحكم بها في المختبر، وُجد أن تيارًا مستمرًا محددًا يُنتج زيادة في الحرارة بمقدار 100 درجة، مما يؤدي إلى زيادة في مكافئ التيار المتردد بمقدار 70.7 درجة، أو 70.7% من قيمة التيار المستمر.
لذا، فإن القيمة الفعالة للتيار المتردد تساوي 70.7% من قيمة التيار المستمر. كما يتضح أن القيمة الفعالة لجهد التيار المتردد تساوي الجذر التربيعي لمجموع مربعات الجهد في النصف الأول من المنحنى. إذا كان جهد الذروة 1، وكان من الضروري قياس جهدات مختلفة من 0 درجة إلى 180 درجة، فسيكون الجهد الفعال هو جهد الذروة بين 0 و707 درجة. 0.707 مضروبًا في جهد الذروة البالغ 170 درجة في الشكل يساوي 120 فولت. يُعرف هذا الجهد الفعال أيضًا باسم جهد جذر متوسط التربيع أو جهد RMS.
لذلك، فإن جهد الذروة يكون دائمًا 1.414 من الجهد الفعال. يبلغ جهد الذروة للتيار المتردد 230 فولت 325 فولت، بينما يبلغ جهد الذروة للتيار 460 فولت 650 فولت. بالإضافة إلى تغير التردد، حتى لو كان الجهد مستقلاً عن سرعة تشغيل محرك التيار المتردد، يجب على محول التردد أيضًا تغيير الجهد. موجتان جيبيتان للتيار المتردد 460 فولت. المنحنى الأحمر هو 60 هرتز، والمنحنى الأزرق هو 50 هرتز. كلاهما له جهد ذروة 650 فولت، ولكن 50 هرتز أوسع بكثير. يمكنك بسهولة أن ترى أن المساحة داخل النصف الأول من منحنى 50 هرتز (0-10 مللي ثانية) أكبر من النصف الأول من منحنى 60 هرتز (0-8.3 مللي ثانية). علاوة على ذلك، نظرًا لأن المساحة الموجودة أسفل المنحنى تتناسب طرديًا مع الجهد الفعال، فإن جهدها الفعال يكون أعلى. ومع انخفاض التردد، تصبح الزيادة في الجهد الفعال أكثر حدة.
إذا سُمح لمحركات 460 فولت بالعمل بهذه الفولتات العالية، فقد ينخفض عمرها الافتراضي بشكل كبير. لذلك، يجب على مُحوّل التردد تغيير جهد الذروة باستمرار بالنسبة للتردد للحفاظ على جهد فعال ثابت. كلما انخفض تردد التشغيل، انخفض جهد الذروة، والعكس صحيح. يجب أن يكون لديك الآن فهم جيد لمبدأ عمل مُحوّل التردد وكيفية التحكم في سرعة المحرك. تتيح معظم مُحوّلات التردد للمستخدمين ضبط سرعة المحرك يدويًا من خلال مفاتيح متعددة الأوضاع أو لوحات مفاتيح، أو استخدام مستشعرات (الضغط، التدفق، درجة الحرارة، مستوى السائل، إلخ) لأتمتة العملية.