مقدمة:
أحد الطرق الشهيرة لتحويل التردد من قيمة إلى أخرى هي استخدام (VFD) والذي يقوم بتحويل التردد من قيمة إلى أخرى وذلك بتحوله أولاً إلى نظام التيار المستمر DC ثم إعادته مرة أخرى إلى نظام تيار متردد AC بتردد مختلف، أحد الأمور التي قد تكون غير مرغوبة أحياناً في (VFD) هي أن عملية تحويل التردد تمر بمرحلتين مما ينتج مفاقيد لا يفضل وجودها، فهل يوجد محول يعمل على تحويل التردد في خطوة واحدة؟
نعم وهو محول التيار المتردد المغير الحلقي (AC/AC Cycloconverter) المستخدم في رفع مستوى التردد في الطائرات إلى 400 هيرتز، وفي هذا المقال سنتعرف عليه وعلى آلية عمله.
نبذة:
المغير الحلقي (Cycloconverter): هي نوع من أنواع محولات نظام التيار المتردد (AC/AC CONVERTER) والتي تعمل على تحويل التردد من قيمة لأخرى في خطوة واحدة أي دون المرور ب DC، وتستطيع أيضاً تغيير قيمة جهد Vrms إلى قيمة أقل وذلك بالتحكم بزاوية التشغيل (Firing Angle) كما سنرى لاحقاً.
المكونات:
تتكون دائرة (Cycloconverter) من دائرتي (SCR Bridge Rectifier): أحدهم للنصف الموجب (Positive Bridge)، والآخر للنصف السالب (Negative Bridge)، كما هو مبين في الصورة (1)، ويمكن تقسيم (Cycloconverter) من ناحية أدائه إلى قسمين هما:
1- المغير الحلقي الخافض للتردد (Step down Cycloconverter).
2- المغير الحلقي الرافع للتردد (Step up Cycloconverter).
وسنتحدث عن كل قسم على حدة فيما يلي:
صورة (1): دائرة المغير الحلقي المكونة من دائرتي Bridge للنصف الموجب والنصف السالب. [1]
1- المغير الحلقي الخافض للتردد (Step down Cycloconverter):
وفيها يتم خفض قيمة التردد، ويمتاز بخاصية التبديل الطبيعي (Natural Commutation) أي أن الثايرستور SCR يتحول إلى حالة OFF تلقائيا عند وصول تيار AC إلى صفر، وطريقة عملها هو كالتالي كما في الصورة رقم (1):
1- توليد الموجات الموجبة :
-
توليد الموجة الأولى (الموجة الأولى الموجبة):
1- يتم تمرير التيار من المصدر الرئيسي للتيار المتردد (AC Supply) إلى المفتاح الإلكتروني U1 الموجودة في جانب الدائرة الموجبة (Positive Bridge)، حيث أن المفاتيح الإلكترونية الموجودة في جانب الدائرة السالبة (Negative Bridge) يجب أن تكون في حالة OFF.
2- بعد أن تم تمرير التيار إلى المفتاح الإلكتروني U1 سيتم تمرير تيار نصف الموجة الموجبة الأول إلى الحمل (LOAD).
3- بعد أن تم تمرير نصف الموجة الموجبة الأول إلى الحمل يجب أن يعود إلى المصدر عن طريق المفتاح الإلكتروني U4 ومن ثم يعود إلى المصدر الرئيسي، وبذلك تم توليد الموجة الأولى الموجبة كما بالصورة (2).
-
توليد الموجة الثانية (الموجة الثانية الموجبة):
1- يتم تمرير التيار من المصدر الرئيسي للتيار المتردد (AC Supply) إلى المفتاح الإلكتروني U3 الموجودة في جانب الدائرة الموجبة (Positive Bridge)، حيث أن المفاتيح الإلكترونية الموجودة في جانب الدائرة السالبة (Negative Bridge) يجب أن تكون في حالة OFF.
2- بعد أن تم تمرير التيار إلى المفتاح الإلكتروني U3 سيتم تمرير تيار نصف الموجة الموجبة الثانية إلى الحمل (LOAD).
3- بعد أن تم تمرير نصف الموجة الموجبة الثانية إلى الحمل يجب أن يعود إلى المصدر عن طريق المفتاح الإلكتروني U2 ومن ثم يعود إلى المصدر الرئيسي، وبذلك تم توليد الموجة الثانية الموجبة كما بالصورة (2).
-
توليد الموجة الثالثة (الموجة الأولى السالبة):
1- يتم تمرير التيار من المصدر الرئيسي للتيار المتردد (AC Supply) إلى المفتاح الإلكتروني U5 الموجودة في جانب الدائرة السالبة (Negative Bridge)، حيث أن المفاتيح الإلكترونية الموجودة في جانب الدائرة الموجبة (Positive Bridge) يجب أن تكون في حالة OFF.
2- بعد أن تم تمرير التيار إلى المفتاح الإلكتروني U5 سيتم تمرير تيار نصف الموجة السالبة الأولى إلى الحمل (LOAD).
3- بعد أن تم تمرير نصف الموجة السالبة الأولى إلى الحمل يجب أن يعود إلى المصدر عن طريق المفتاح الإلكتروني U8 ومن ثم يعود إلى المصدر الرئيسي، وبذلك تم توليد الموجة الأولى السالبة كما بالصورة (2).
-
توليد الموجة الرابعة (الموجة الثانية السالبة):
1- يتم تمرير التيار من المصدر الرئيسي للتيار المتردد (AC Supply) إلى المفتاح الإلكتروني U7 الموجودة في جانب الدائرة السالبة (Negative Bridge)، حيث أن المفاتيح الإلكترونية الموجودة في جانب الدائرة الموجبة (Positive Bridge) يجب أن تكون في حالة OFF.
2- بعد أن تم تمرير التيار إلى المفتاح الإلكتروني U7 سيتم تمرير تيار نصف الموجة السالبة الثانية إلى الحمل (LOAD).
3- بعد أن تم تمرير نصف الموجة السالبة الثانية إلى الحمل يجب أن يعود إلى المصدر عن طريق المفتاح الإلكتروني U6 ومن ثم يعود إلى المصدر الرئيسي، وبذلك تم توليد الموجة الثانية السالبة كما بالصورة (2).
صورة (2): آلية عمل المغير الحلقي الخافض للتردد. [1]
مصطلح هام: تعرف خاصية التبديل الطبيعي (Natural Commutation) على أنها خاصية تقوم بتبديل حالة المفتاح الإلكتروني للثايرستور من ON إلى OFF تلقائياً أي دون تدخل خارجي، سواءً كان تدخلاً بشرياً (يدوياً) أو كهربائياً (دائرة كهربائية مساعدة).
هل تتغير قيمة جهد Vrms باختلاف قيمة التردد؟
عند إثبات وحساب قيمة جهد Vrms للمغير الحلقي Cycloconverter رياضياً كما بالصورة (3) سنجد أنها نفس قيمة Vrms قبل أن يتم خفض ترددها، ومن هنا نستنتج أن خفض التردد باستخدام cycloconverter لا يؤثر في قيمة Vrms أي أن تغيير التردد لا يؤثر في قيمة جهد Vrms.
صورة (3): الإثبات الرياضي لقيمة جهد Vrms للمغير الحلقي Cycloconverter.
وبالرغم من ذلك يوجد طريقة لخفض التردد وفي نفس الوقت خفض قيمة الجهد Vrms، وذلك بالتحكم بزاوية التشغيل (firing angle) للثايرستور SCR فكلما زادت زاوية التشغيل كلما قلت قيمة جهد Vrms كما هو مبين بالصورة (4).
صورة (4): خفض قيمة الجهد Vrms بالتحكم بزاوية التشغيل (firing angle) للثايرستور . [2]
2- المغير الحلقي الرافع للتردد (Step up Cycloconverter):
وفيها يتم رفع قيمة التردد، وبخلاف النوع الأول فهي لا تملك خاصية التبديل الطبيعي (Natural Commutation) لتحويل الثايرستور SCR إلى OFF، بل تحتاج إلى إضافة خاصية forced commutation لتحويل الثايرستور SCR إلىOFF فتصبح الدائرة أكثر تعقيداً، وطريقة عملها وشكل الموجة الصادر منها كما هو مبين بالصورة (5).
صورة (5): آلية عمل المغير الحلقي الخافض للتردد. [3]
مصطلح هام: تعرف خاصية التبديل القسري (Forced Commutation) على أنها خاصية لا تقوم بتبديل حالة المفتاح الإلكتروني للثايرستور من ON إلى OFF تلقائياً بل تحتاج إلى دائرة كهربائية خارجية للقيام بذلك والتي تسمى بدائرة التبديل ، وهي خاصية معاكسة لخاصية التبديل الطبيعي.
تطبيقات:
يستعمل المغير الحلقي Cycloconverter في المحركات الضخمة؛ وذلك للقدرة والكفاءة العالية التي تمتاز بها، ومن بعض تطبيقاتها: [4]
1- محرك مطحنة الأسمنت.
2- محرك نظام دفع السفن.
3- الطائرات لتوليد قدرة بتردد 400 هيرتز.
المصادر:
[1] Cycloconverters – Types, Working and Applications, URL
[2] Cycloconverter [PDF]
[3] Cycloconverter [PDF]
[4] Cycloconverter, URL
