محول دعم ذو وصلة تيار مستمر من طور واحد إلى ثلاثي الطور مع تقليل عدد المفاتيح المتحكم بها

الطاقة من سلك واحد إلى ثلاثة

تمتلك العديد من المنازل وورش العمل الصغيرة مخرج حائط بسيط ذو سلكين فقط، بينما تحتاج الآلات التي تحرك المياه وتشغل المصانع وتقود المركبات الكهربائية عادةً إلى مصدر أقوى ذو ثلاثة أسلاك. تستعرض هذه الدراسة دارة إلكترونية جديدة قادرة على تحويل مصدر طاقة طور واحد عادي إلى مصدر ثلاثي أقوى باستخدام أجزاء أقل، ما يسهل ويخفض تكلفة تشغيل المحركات الثقيلة من المقابس الشائعة.

لماذا يهم تحويل طور واحد إلى ثلاثي

تعمل المحركات ثلاثية الطور بسلاسة وكفاءة أكبر من تلك المغذاة بسطر واحد، ولهذا تُستخدم على نطاق واسع في الصناعة والنقل. مع ذلك، فإن توزيع طاقة ثلاثية الطور كاملة إلى مزارع نائية أو ورش صغيرة أو محطات معزولة مكلف. بدلاً من إعادة توصيل الشبكة، يضع المهندسون غالبًا محولًا بين مقبس الحائط والمحرك. يمكن للمحولات الحالية أداء المهمة، لكنها عادةً ما تتطلب العديد من المفاتيح ومكثفات كبيرة وطرق تحكم معقدة، ما يرفع التكلفة والحجم والخسائر في الطاقة.

مسار أبسط من مقبس الحائط إلى المحرك

يقترح المؤلفون محولًا جديدًا من طور واحد إلى ثلاثي الطور يرفع أيضًا جهد الخرج أعلى من مستوى المدخل. في جوهره توجد ستة مفاتيح متحكم بها فقط، وصمّامان (ديودان)، ومكثفتان تشكلان مخزن طاقة مركزيًا يسمى وصلة التيار المستمر. يستخدم الجزء الأمامي من الدارة اثنين من الديودات ومكثفات مقسومة لتحويل الطاقة المتناوبة الواردة إلى جهد ثابت متوسط المستوى. أما الجزء الخلفي فيستخدم ستة مفاتيح مرتبة في ثلاث أرجل لإعادة بناء هذا الجهد الثابت إلى ثلاثة مخارج متوازنة على شكل موجات يمكن تعديل قوتها وترددها لتغذية المحرك.

كيف تشكّل الدارة الجديدة طاقة نظيفة

للتحكم في المفاتيح، يستخدم التصميم طريقة شائعة تسمى تعديل عرض النبضة الجيبي. ببساطة، يقارن الموجات المرجعية الملساء مع إشارة مثلثية سريعة لتحديد توقيت تشغيل كل مفتاح وإطفائه. يخلق هذا نمط توقيت ثلاثة جهديات خرج شبه جيبية مع الحفاظ على عدد المفاتيح منخفضًا. تتضمن الدارة أيضًا مرشحات صغيرة من ملف ومكثف لتنعيم التموجات المتبقية، بحيث يكون كل من تيار الدخل من الحائط وتيارات الخرج إلى المحرك منخفضي التشويه وملتزمين بحدود جودة الطاقة التي تضعها المعايير الكهربائية.

اختبار الفكرة في البرمجيات والمختبر

بنى الفريق أولًا نموذجًا رياضيًا مفصلاً للمقوم، والمبدل، والمرشح، ثم قام بمحاكاة النظام باستخدام MATLAB/Simulink. مع دخل بقيمة 80 فولت، أنتج المحول حوالي 160 فولت لكل طور، مظهرًا مكسب جهد بمقدار اثنين مع بقاء تشويه تيار الدخل نحو 6.85 بالمئة وتشويه تيار الخرج نحو 0.37 بالمئة. عند تغيير الدخل إلى 60 فولت وزيادة مقاومة الحمل لا تزال النتيجة تقارب 160 فولت لكل طور، ما رفع مكسب الجهد إلى حوالي 2.7. ثم بنوا نموذجًا تجريبيًا فعليًا باستخدام ترانزستورات بوابة معزولة ولوحة تحكم رقمية، وقاسوا أشكال الموجات وطيف التيار وجهود المفاتيح. طابقت نتائج المختبر المحاكاة عن كثب وأظهرت كفاءة للمحول تتراوح بين 85 و90 بالمئة، مع تعرض كل مفتاح لإجهاد جهد معتدل فقط.

ما يعنيه هذا للاستخدام في العالم الحقيقي

الرسالة الأساسية للقراء هي أن المحول الجديد قادر على تحويل مصدر طور واحد متواضع إلى مصدر ثلاثي أقوى وأنظف باستخدام أجزاء إلكترونية أقل. يساعد ذلك في خفض التكلفة والحجم وخسائر الحرارة مع الاستمرار في توفير طاقة ناعمة تفضلها المحركات. عمليًا، قد يسهل مثل هذا التصميم تشغيل معدات ثلاثية الطور في أماكن تقتصر على مقابس قياسية، دون التضحية بالكفاءة أو جودة الطاقة.

الاستشهاد: Nagi, H.A., El-Sabbe, A.E. & Osheba, D.S.M. Single-phase to three-phase DC-link boost converter with reduced controlled switch count. Sci Rep 16, 16146 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-53542-z

الكلمات المفتاحية: محول من طور واحد إلى ثلاثي الطور, إلكترونيات القدرة, زيادة الجهد, محركات الدفع, تشويه التوافقيات