هل سمعت من قبل عن إلكترونيات القوى الكهربائية؟ اذا تمعنت في الكلمة لوهلة تستطيع ان تتنبأ بمعناها وهي عبارة عن دمج مجال الإلكترونيات (Electronics) ومجال القوى الكهربائية (Electrical Power) معاً لكن دعونا نتعرف عن هذا الموضوع أكثر بشكل علمي!
تعرّف إلكترونيات القوى الكهربائية بأنها علم يتركز على دراسة الدوائر الإلكترونية ذات مستويات عالية للتيارات والجهود الكهربائية.
ماهو المكون الرئيس لإلكترونيات القوى الكهربائية (Power Electronics Devices )؟
هي مفاتيح ذات التبديل السريع (Fast Switches) يمكنها التعامل مع الجهد العالي والتيارات العالية (high voltage and current)
لماذا نحتاج إلى هذه المفاتيح ذات التبديل السريع (Fast Switches)؟
لتحويل التيار المتردد إلى تيار مستمر (AC/DC) بكفاءة عالية والجهاز الذي يقوم بهذه العملية يسمى (Rectifier)، أو تيار مستمر إلى تيار مستمر (DC/DC) والجهاز الذي يقوم بهذه العملية يسمى (Chopper)، أو تيار مستمر إلى تيار متردد (DC/AC) والجهاز الذي يقوم بهذه العملية يسمى (Inverter)، أو تيار متردد إلى تيار متردد (AC/AC) والجهاز الذي يقوم بهذه العملية يسمى (AC/AC converter). أو التحكم بكفاءة على متوسط تدفق الطاقة الكهربائية . وتعني الكفاءة (Efficiency) عادة أكبر من 80% – 90%.
ما هي المكونات الأساسية لإلكترونيات القوى؟
تشمل المكونات الأساسية لإلكترونيات القوى ما يلي:
- الثنائيات (diodes): وهي أجهزة تسمح للتيار الكهربائي بالتدفق في اتجاه واحد فقط.
- المكثفات (capacitor): وهي أجهزة تخزن الطاقة الكهربائية.
- الملفات (inductor): وهي أجهزة تخزن الطاقة المغناطيسية.
- الترانزستورات (transistor): وهي أجهزة تتحكم في تدفق التيار الكهربائي.
وتشمل المبادئ الأساسية لتحليل دوائر إلكترونيات القوى ما يلي:
- قانون أوم (Ohm’s law): ينص على أن التيار الكهربائي المار في موصل يتناسب طرديا مع الجهد المطبق عليه وعكسيا مع المقاومة.
- قانون كيرشوف الأول (Kirchoff’s first law): ينص على أن مجموع التيارات الداخلة إلى عقدة يساوي مجموع التيارات الخارجة منها.
- قانون كيرشوف الثاني (Kirchoff’s second law): ينص على أن مجموع الجهود المحتملة حول مسار مغلق يساوي صفرًا.
- قانون كيرشوف الثالث (Kirchhoff’s third law): ينص على أن الفرق المحتمل بين نقطتين في دائرة كهربائية يساوي مجموع الجهود المحتملة بين هاتين النقطتين.
ويتكون نظام القوى الكهربائية (Power Electronic System) من مصدر طاقة كهربائية (Electrical Energy Source)، وحمل كهربائي (Electrical Load)، ودائرة إلكترونية للقدرة (Power Electronic Circuit)، ودائرة التحكم (Control Function).
تقوم جميع دوائر القوى الكهربائية (Power Electronic Circuit) بإدارة تدفق الطاقة الكهربائية من المصدر الكهربائي (Source) الى حمل (Load). يجب أن تقوم الأجزاء الموجودة في الدائرة بتوجيه التدفقات الكهربائية، وليس إعاقتهم.
تحتوي الدائرة الإلكترونية للطاقة على مفاتيح (switches)، وعناصر تخزين الطاقة بعديمة الفقد للطاقة (Lossless Energy Storage Elements)، والمحولات المغناطيسية (magnetic transformers). تأخذ عناصر التحكم المعلومات من المصدر والحمل، ومن ثم تحديد كيفية عمل المفاتيح لتحقيق التحويل المطلوب.
تتوسع تطبيقات إلكترونيات القوى الكهربائية بشكل كبير. ليس من الممكن أن بناء أجهزة كمبيوتر عملية، والهواتف المحمولة، وأجهزة البيانات الشخصية، والسيارات، والطائرات، والعمليات الصناعية، ومجموعة كبيرة من المنتجات اليومية الأخرى بدون كهرباء (إلكترونيات).
أنظمة الطاقة البديلة مثل مولدات الرياح والطاقة الشمسية والوقود ، وغيرها تتطلب إلكترونيات القوى الكهربائية (Power Electronics) لتعمل.
التقدم التقني مثل السيارات الكهربائية والهجينة، وأجهزة الكمبيوتر المحمولة ،أفران الميكروويف، وشاشات العرض المسطحة، وإضاءة LED، ومئات من التطبيقات الأخرى لم تكن الابتكارات ممكنة لها حتى أتاح التقدم في إلكترونيات القوى الكهربائية بتنفيذها.
المرجع:
EE-3 Power Electronics by Dr. Saad F. Al-Jabar and Dr. Zakaria Elbarbary514