محولات نظام التيار المتردد (1) التحكم بالجهد AC/AC Converter (1) Voltage Controller

مقدمة:

في حال إن أردنا تحويل جهد AC من قيمة إلى أخرى نستعمل محول القدرة (AC Transformer) والمشهور بتحويله للجهد من مستوى لآخر سواءً بخفضهِ أو رفعه، لكن ماذا في حال إذا أردنا فقط تغيير التردد أو تغيير قيمتي Vrms والتردد مع المحافظة على قيمة Vmax أو تغييرها؟ هنا نستعمل محول القدرة (AC/AC CONVERTER)، وفي هذا المقال سنتعرف عليه بشكل بسيط.

AC/AC CONVERTER هي: دائرة من دوائر إلكترونيات القوى تعمل على تحويل موجة AC إلى موجة AC أخرى في مرحلة واحدة أي دون المرور بنظام التيار المستمر DC، ويمكن تصنيفها إلى:

1-محول نظام التيار المتردد للتحكم بالجهد (AC/AC Converter Voltage Controller).

2-محول نظام التيار المتردد للتحكم بالتردد، والذي يسمى بالمغير الحلقي (AC/AC Converter Cycloconverter).

وسنتعمق في هذا المقال في النوع الأول، وسنتحدث عن النوع الآخر في مقال آخر بإذن الله.

نبذة:

محول نظام التيار المتردد للتحكم بالجهد (Voltage Controller): عبارة عن دائرة من دوائر AC/AC CONVERTER تعمل على تغيير قيمة Vrms دون تغيير التردد وذلك عن طريق التحكم بأشباه الموصلات ولها أكثر من نوع كما هو موجود بالصورة (1)، والنوع الأشهر بينهم والذي سنفصل فيه في هذا المقال هو الموجود بالصورة والذي يقوم بتغيير قيمة جهد Vrms عن طريق التحكم باثنين من مقومات التحكم السليكوني (SCRs) موصلين على توازي ومعكوسين بالاتجاه، وفي بعض الأحيان يستعمل Triac بدلاً من اثنين من SCRs كما هو موجود بالصورة (1) (b).

صورة (1): دوائر محول نظام التيار المتردد للتحكم بالجهد AC Voltage Controller. [1]

صورة (2): الدائرة الكهربائية لمحول نظام التيار المتردد للتحكم بالجهد ذو مقومات التحكم السليكوني SCRs . [2]

آلية العمل:

كما نعلم موجة AC تتكون من نصفين أحدهم موجب والآخر سالب، وكل SCRs مسؤول عن التحكم بأحد الموجتين ف (T1) مسؤول عن النصف الموجب عن طريق التحكم بزاوية التشغيل(firing angle)، بينما (T2) مسؤول عن النصف السالب أيضاً عن طريق التحكم بزاوية التشغيل، كما هو موجود بالصورة (3).

صورة (3): موجة جهد الخرج لمحول التيار المتردد Voltage Controller. [1]

إثبات العلاقة بين قيمة الجهد و زاوية التشغيل رياضياً:

الآن وبعد أن علمنا آلية العمل وجدنا أنه تم قص بعض من موجة AC الجيبة لمصدر الجهد أي أن قيمة جهد Vrms بالتأكيد أصبحت أقل، لكن كيف يتم إيجاد قيمة جهد Vrms بعد أن تم قص الموجة؟

أولاً لاستعياب ما حصل للموجة دعونا أولاً نوجد قيمة جهد Vrms لموجة AC الكاملة أي قبل أن يتم قص جزء منها، و لإيجاد قيمة Vrms في موجة AC الكاملة نكامل الفترة كاملة تربيع أي من (0 إلى 2pi) ونقسمها على الفترة كاملة الكل تحت الجذر، كما في الصورة (4).

صورة (4): الإثبات الرياضي لجهد Vrms لموجة تيار متردد كاملة .

الآن وبعد أن يمر بدائرة محول التيار المتردد للتحكم بالجهد عن طريق SCRs سيتم قص جزء من موجة AC الجيبية اعتماداً على قيمة زاوية التشغيل(Firing Angle)، وبذلك سيصبح الوضع مختلف عن ما سبق فلن يتم تكامل الفترة كاملة بل سيتم التكامل فقط للفترات التي مر بها التيار الكهربائي تربيع ونقسمها على الفترة كاملة الكل تحت الجذر، كما في الصورة (6).

صورة (5): الإثبات الرياضي لجهد Vrms لموجة تيار متردد بعد مروره بدائرة Voltage Controller.

وكما رأينا فإن قيمة Vrms في موجة AC الجيبة الناتجة من المصدر لا تساوي قيمة Vrms في موجة AC Voltage Controller، وبذلك استطعنا تقليل قيمة Vrms دون تغيير قيمة التردد.

تطبيقات:

1- Dimmer Circuit:

أحد أشهر تطبيقات AC Voltage Controller هو (dimmer circuit) والموجود بالصورة (6)، حيث يتم التحكم بشدة الإضاءة عن طريق التحكم بقيمة المقاومة فكلما زادت قيمة المقاومة قلت قيمة جهد Vrms وازدادت قيمة زاوية التشغيل (Firing Angle) وبالتالي تزداد شدة الإضاءة، وكلما قلت قيمة المقاومة زادت قيمة جهد Vrms وقلت قيمة زاوية التشغيل (Firing Angle) وبالتالي تقل شدة الإضاءة .

صورة (6): الدائرة الكهربائية ل Dimmer باستخدام Voltage Controller . [3]

2- Soft Starter:

ويعد أحد أشهر التطبيقات العملية المستعملة في محركات التيار المتردد الحثية (AC Induction Motor)، وفيها يتم تغيير قيمة جهد Vrms باستعمال أجهزة SCRs وذلك عن طريق التحكم بقيمة زاوية التشغيل كما هو موجود بالصورة (7)، وبالتحكم بزاوية التشغيل يتم التحكم بالجهد وبالتالي يتم التحكم بعزم بداية التشغيل (Starting Torque)، وكلما زادت قيمة زاوية التشغيل كلما قل الجهد وقل معه عزم بداية التشغيل مع ثبات السرعة المقننة، كما بالصورة (8).