ما هو المحول الصلب؟ 2025Tech، شرح الهيكل والمبادئ

1. ما هو المحول الصلب (SST)؟

1.1 الأساسيات والقيود الخاصة بالمحولات التقليدية

يبدأ المقال بعرض تاريخ المحولات التقليدية (مثل براءة اختراع ستانلي عام 1886) ومبادئها الأساسية. تعتمد المحولات التقليدية على التحريض الكهرومغناطيسي وتتكون من قلوب السيليكون الفولاذي، ولفائف النحاس أو الألومنيوم، وأنظمة العزل والتبريد (زيت معدني أو نوع جاف). تعمل هذه المحولات عند ترددات ثابتة (50/60 هرتز أو 16⅔ هرتز)، مع نسب تحويل الجهد الثابتة، وقدرات نقل الطاقة، وخصائص التردد.

مزايا المحولات التقليدية:

• تكلفة منخفضة

• موثوقية عالية (كفاءة >99%)

• قدرة على تقييد تيار القصر

تشمل العيوب:

• حجم كبير وزن ثقيل

• حساسية للتوافقيات والتوازن المباشر

• لا يوجد حماية ضد زيادة الحمل

• مخاطر الحريق والبيئة

1.2 تعريف وأصل المحول الصلب (SST)

المحول الصلب (SST) هو بديل للمحولات التقليدية يعتمد على تقنية الإلكترونيات القوية، ويستند أصله إلى مفهوم "المحول الإلكتروني" لـ McMurray في عام 1968. يتم تحقيق تحويل الجهد والعزل الكهربائي في SST عبر مرحلة عزل ذات تردد متوسط (MF)، بينما توفر أيضًا العديد من الوظائف الذكية للتحكم.

الهيكل الأساسي لـ SST يتضمن:

• واجهة الجهد المتوسط (MV)

• مرحلة العزل ذات التردد المتوسط (MF)

• روابط الاتصال والتحكم

2. تحديات تصميم SSTs

2.1 التحدي: التعامل مع الجهد المتوسط (MV)

مستويات الجهد المتوسط (مثل 10 كيلو فولت) تتجاوز بكثير تصنيفات الجهد للأجهزة شبه الموصلة الموجودة (IGBTs Si حتى 6.5 كيلو فولت، MOSFETs SiC حوالي 10-15 كيلو فولت). لذا يجب اعتماد إما نهج متعدد الخلايا (موديولي) أو خلية واحدة (جهاز عالي الجهد).

مزايا حلول متعددة الخلايا:

• تصميم موديولي ومتكرر

• أشكال موجية متعددة المستويات، مما يقلل من متطلبات الفلترة

• دعم للتبديل الساخن وتحمل الأعطال

مزايا حلول الخلية الواحدة:

• هيكل أبسط

• مناسب لأنظمة ثلاثية الأطوار

2.2 التحدي: اختيار التكوين

يمكن تصنيف تكوينات SST كالتالي:

• واجهة الأمام المعزولة (IFE): العزل قبل التقويم

• واجهة الخلف المعزولة (IBE): التقويم قبل العزل

• نوع محول المصفوفة: التحويل المباشر AC-AC

• محول متعدد المستويات الموديولي (M2LC)

2.3 التحدي: الموثوقية

المحولات التقليدية موثوقة للغاية، بينما تحتوي SSTs على العديد من الأجهزة شبه الموصلة، ودوائر التحكم، وأنظمة التبريد، مما يجعل الموثوقية مسألة حيوية. يقدم المقال رسومات كتل الموثوقية (RBD) ونماذج معدل الفشل (λ في FIT)، مما يشير إلى أن التكرار يمكن أن يحسن بشكل كبير موثوقية النظام.

2.4 التحدي: محولات الطاقة المعزولة ذات التردد المتوسط

تشمل التكوينات الشائعة:

• جسر ثنائي النشاط (DAB): التحكم في تدفق الطاقة عبر الإزاحة الطورية، مما يتيح التحويل الناعم

• محول الرنين المتسلسل ذو وضعية النصف دورة غير المستمرة (HC-DCM SRC): يحقق ZCS/ZVS، ويظهر خصائص "محول DC"

2.5 التحدي: تصميم محول التردد المتوسط

تعمل محولات التردد المتوسط عند ترددات مستوى الكيلوهرتز، وتحاول التغلب على التحديات مثل:

• حجم أقل للقلب المغناطيسي

• صراع بين العزل وإدارة الحرارة

• توزيع غير متساوي للتيار في سلك Litz

2.6 التحدي: تنسيق العزل

تحتاج الوحدات ذات الجهد المتوسط إلى عزل عالي للأرض، مما يتطلب الأخذ في الاعتبار:

• التوتر الكهربائي المشترك لتردد الطاقة 50 هرتز والتوتر الكهربائي المتوسط

• خسائر диэлектрические и риск локального перегрева

2.7 التحدي: التداخل الكهرومغناطيسي (EMI)

التيارات المشتركة التي تنشأ أثناء التبديل في الجهد المتوسط يمكن أن تتدفق إلى الأرض عبر السعة الطفيلية ويجب كبتها باستخدام مكابس مشتركة.

2.8 التحدي: الحماية

يجب أن تتعامل SSTs مع زيادة الجهد، زيادة التيار، ضربات البرق، وقص الدائرة. لا تزال المصانع التقليدية والساحات المقاومة للصدمة صالحة ولكن يجب الجمع بينها واستراتيجيات التحكم الإلكتروني في التيار وامتصاص الطاقة.

2.9 التحدي: السيطرة

أنظمة السيطرة على SSTs معقدة وتحتاج إلى هيكل هرمي:

• السيطرة الخارجية: التفاعل مع الشبكة، توزيع الطاقة

• السيطرة الداخلية: تنظيم الجهد والتيار، إدارة التكرار

• السيطرة على المستوى الوحدة: التعديل والحماية

2.10 التحدي: بناء المحولات الموديولية

بناء أنظمة MV موديولية عملية تتضمن:

• تصميم العزل

• أنظمة التبريد

• الاتصال والطاقة المساعدة

• الهيكل الميكانيكي ودعم التبديل الساخن

2.11 التحدي: اختبار المحولات MV

مرافق الاختبار MV معقدة وتحتاج إلى:

• مصادر/أحمال ذات جهد عالي وقوة عالية

• أجهزة قياس عالية الدقة (مثل أجهزة استشعار الفرق الجهد العالي)

• استراتيجيات اختبار احتياطية (مثل الاختبار الظهري)

3. التطبيق والاستخدامات العملية لـ SSTs

3.1 التطبيقات الشبكية

يمكن استخدام SSTs في شبكات الطاقة ل:

• تنظيم الجهد وتعويض الطاقة التفاعلية

• تصفية التوافقيات وتحسين جودة الطاقة

• تكامل واجهة DC (مثل تخزين الطاقة، الطاقة الشمسية)

ومع ذلك، مقارنة مع المحولات التقليدية ذات التردد الخطي (LFTs)، تواجه SSTs "تحدي الكفاءة":

• كفاءة LFT يمكن أن تصل إلى 98.7%

• عادة ما تحقق SSTs فقط حوالي 96.3% بسبب التحويل متعدد المراحل

• تخفيض محدود في الحجم والوزن (~2.6 م³ مقابل 3.4 م³)

• تكلفة أعلى بكثير (>52.7k دولار مقابل 11.3k دولار)

3.2 التطبيقات الجرارية

تتطلب أنظمة الجر (مثل القطارات الكهربائية) متطلبات صارمة للحجم والوزن والكفاءة، حيث توفر SSTs مزايا واضحة:

• تقليل كبير في حجم المحول من خلال ترددات تشغيل أعلى (مثل 20 كيلو هرتز)

• تحسين مزدوج لكفاءة وتقليل الحجم

3.3 التطبيقات DC-DC

في الأنظمة DC (مثل جمع طاقة الرياح البحرية، مراكز البيانات)، تعتبر SSTs الحل الوحيد العملي للعزل، حيث يمكن اختيار تردد التشغيل بحرية دون أن يكون مقيدًا بتردد الشبكة.

4. المفاهيم المستقبلية وخاتمة

4.1 سيناريوهات التطبيق المستقبلية

• أنظمة معالجة النفط والغاز تحت الماء

• توربينات الرياح الجوية

• الطائرات الكهربائية بالكامل

• أنظمة الجهد المتوسط DC البحرية (MVDC)