توزيع التيار الكهربائي وتصميم مصفوفة المكثفات لـ 16 مصباحًا للأشعة فوق البنفسجية

توزيع التيار الكهربائي وتصميم مصفوفة المكثفات لـ 16 مصباحًا للأشعة فوق البنفسجية

الملخص

تتشارك مشغلات مصابيح الأشعة فوق البنفسجية المتوازية ناقل تيار مستمر واحد، لذا يتضخم أي تباين بسبب المسار المشترك بين الوحدات. تتناول هذه المقالة معادلة حلقة المشاركة، وعدم التوازن بنسبة 4% الناتج عن عدم تطابق كابل 2 ملي أوم، وتوزع تيار التموج عبر مصفوفة مكثفات، ومسار 40 نانو هنري الذي يضاعف ذروة التيار على أبعد عاكس. فيما يلي ست خطوات تصميمية، لمجموعات تتراوح من 4 إلى 16 مصباحًا.

1. مقدمة

تُشغّل وحدة المعالجة بالأشعة فوق البنفسجية الصناعية المصابيح في مجموعات. تحمل طابعة نفث الحبر ذات التنسيق العريض من 8 إلى 16 وحدة LED-UV، بينما يقوم خط الطلاء الناقل بتشغيل من 4 إلى 8 مصابيح زئبقية جنبًا إلى جنب.

قد يحتوي إطار الطباعة الحجرية على عدة مصادر قوس كهربائي على رف تكييف واحد. بنية الطاقة في جميع هذه الأنظمة متوازية: ناقل تيار مستمر واحد يغذي عدة مشغلات، أو مولد جهد عالٍ واحد يغذي عدة مصابيح من خلال كوابح فردية.

يُضيف التشغيل المتوازي مزيدًا من التكرار، وتوسيع نطاق الطاقة بشكل معياري، والتحكم في المعالجة حسب المناطق. كما يُضيف أيضًا عدم توازن في الحمل، وتيارات دائرية، وتفاعلًا بين المحولات، وإجهادًا غير متساوٍ على مجموعة مكثفات وصلة التيار المستمر المشتركة.

تتناول هذه المقالة معادلة حلقة المشاركة، وتقسيم التموج عبر المصفوفة، وقاعدة التخطيط التي تعادل الحث الطفيلي، وست خطوات تصميم لمجموعة من 16 مصباحًا.

2. الآلية الأساسية

2.1 معادلة حلقة المشاركة

بالنسبة لمشغلي مصباحين على ناقل تيار مستمر واحد، فإن تقسيم التيار يتبع معادلة الحلقة:

(R_i − R_j)×I + (L_i − L_j)×dI/dt + (V_drop_i − V_drop_j) = 0

حيث R_i و R_j هما مقاومة الكابل والمقاومات الداخلية للوحدات i و j، و L_i و L_j هما محاثات المسار الخاصة بهما، و V_drop_i و V_drop_j هما إزاحات جهد خرج المشغل الخاص بهما، و I هو التيار الذي يشتركان فيه.

في حالة الاستقرار، يكون مشتق التيار صفراً، لذا فإن فرق المقاومة هو الذي يحدد الانقسام. وتضيف إزاحات كسب المحرك حداً ثانياً يزداد مع تيار الحمل.

2.2 عدم التوازن في الحالة المستقرة

يُعطي مصطلح المقاومة عدم التوازن بشكل مباشر:

ΔI / I ≈ ΔR / R_loop

حيث ΔI/I هو عدم توازن التيار النسبي، وΔR هو فرق المقاومة بين الوحدتين، وR_loop هي المقاومة الكلية حول الحلقة المشتركة.

يؤدي اختلاف مقاومة كابلين بمقدار 2 ملي أوم في حلقة مقاومة 50 ملي أوم إلى عدم توازن بنسبة 4%. ويتضاعف هذا الاختلاف نفسه (2 ملي أوم) في حلقة مقاومة 25 ملي أوم ليصل إلى 8%، لذا فإن زيادة صلابة ناقل البيانات تجعل تحمل الكابلات أكثر أهمية، لا أقل.

تؤدي المشاركة النشطة مع التحكم في الانخفاض أو التحكم الرئيسي والتابع إلى إغلاق الحلقة على التيار المقاس، وبالتالي فإن عدم التوازن يعتمد على دقة مسار الاستشعار نفسه.

2.3 انقسام تيار التموج عبر المصفوفة

تحمل نقطة الربط مجموع تموج كل وحدة، ويتبع الانقسام بين المكثفات المعاوقة:

I_k = I_total × Z_eq / Z_k

حيث I_k هو تيار التموج في المكثف k، و I_total هو إجمالي تيار التموج عند نقطة الربط، و Z_eq هي المعاوقة المكافئة المتوازية للمصفوفة، و Z_k هي معاوقة المكثف k:

Z_k = ESR_k + jω × ESL_k

حيث ESR_k هي المقاومة التسلسلية المكافئة للمكثف k، و ESL_k هي محاثته التسلسلية المكافئة، و ω هي التردد الزاوي للتموج.

تتوزع التموجات بالتساوي بين الأجزاء المتطابقة. الجزء ذو المقاومة المكافئة التسلسلية الأعلى بنسبة 20% يحمل تيارًا أقل نسبيًا، وهو توزيع يبدو غير ضار حتى تصل الأجزاء السليمة إلى قيمها المقدرة أولًا.

يؤدي التداخل إلى تغيير المجموع الكلي. تعمل الموجات الحاملة التي تم إزاحتها بمقدار 360 درجة/N على إلغاء الموجة الأساسية عند نقطة الربط، لذلك فإن مجموعة من N وحدة تعرض تموجًا قريبًا من تموج وحدة واحدة بدلاً من مجموع تموجات جميع الوحدات.

2.4 محاثة المسار والارتفاع المفاجئ الذي تراه كل وحدة

تحدد محاثة المسار الجهد العابر الذي يراه كل عاكس عبر المجموعة المشتركة:

ΔV = L_path × di/dt

حيث ΔV هو الجهد العابر عند العاكس، و L_path هو محاثة الحلقة من بنك المكثفات إلى ذلك العاكس، و di/dt هو معدل تغير تيار الإشعال.

في أحد التصاميم المقاسة، سجلت الوحدة الأقرب 5 نانو هنري، بينما سجلت الوحدة الأبعد 40 نانو هنري. عند نفس معدل تغير التيار (di/dt)، يتحمل العاكس البعيد ارتفاعًا في الجهد يعادل 8 أضعاف ارتفاع الجهد الذي يتحمله العاكس القريب.

يُعدّ التناغم الذاتي لكل فرع أمراً مهماً لنفس السبب:

f_r = 1 / (2π √(L × C))

حيث f_r هو تردد الرنين الذاتي، وL هي المحاثة، وC هي سعة فرع المصفوفة. فرع سعته 10 نانو فاراد ومحاثة سعته 10 نانو هنري يرن عند تردد 16 ميجاهرتز، وهو أعلى بكثير من تموج 400 كيلوهرتز ولكنه ضمن نطاق التوافقيات اللازمة للاشتعال.

الشكل 1 - عدم تطابق الكابل 2 ملي أوم يكلف 4٪ من التيار المشترك في حلقة 50 ملي أوم و 8٪ في حلقة 25 ملي أوم، لذلك يجب أن يتطابق الهدف ±2٪ في حدود 1 ملي أوم.

3. نقاط الضعف الهندسية

نقطة الضعف الأولى: استهلاك التيار الكهربائي المفرط وفشل سلسلة العمليات

في مجموعة مصابيح مكونة من 16 مصباحًا، تستهلك وحدة ذات مقاومة كابل أقل قليلاً 12% من طاقة ناقل البيانات بدلاً من حصتها البالغة 6.25%. وتُستنتج نسبة 6.25% من 1/16.

ترتفع درجة حرارة هذه الوحدة، وتتلف مكثفاتها بسرعة أكبر، ويؤدي تعطلها إلى نقل الحمل إلى الوحدات الخمس عشرة المتبقية. وقد يؤدي هذا الانهيار المتتالي إلى توقف ربع الخط قبل أن يلاحظ أحد أول عطل.

نقطة الألم الثانية: تركيز التموج عند نقطة الربط

تُنتج ست عشرة وحدة، كل منها بقدرة 2.5 أمبير RMS، تموجًا طوريًا مقداره 40 أمبير RMS على مصفوفة سعتها 10 نانو فاراد بتردد 400 كيلو هرتز. وتحتاج المكونات المصنفة بقدرة 5 أمبير لكل منها إلى ثمانية مكونات موصولة على التوازي للوصول إلى هذا الرقم.

لا يفي مصفوفة بحجم N من بنوك الوحدات الفردية المستقلة بالغرض. ترتفع درجة حرارة المكثفات، ويتعطل الجهاز بسبب عطل في وصلة التيار المستمر ناتج عن ارتفاع درجة الحرارة، والذي يشير إلى المكون الخاطئ.

نقطة الضعف الثالثة: التذبذب بين المحولات

يتفاعل محركان متطابقان بنطاقي تردد مختلفين قليلاً عبر مقاومة ناقل مشتركة. يتذبذب التيار الناتج بتردد الفرق ويعدل قدرة المصباح بتردد يتراوح بين 100 و500 هرتز.

يُظهر المنتج المُعالَج بعد ذلك نمط لمعان دوري. لا يُمكن لأي اختبار معياري أحادي الوحدة أن يُعيد إنتاج هذا النمط، لأن التذبذب يتطلب المحول الثاني والناقل بينهما.

المشكلة الرابعة: محاثة التصميم غير المتماثل

تتعرض الوحدة الأقرب إلى مجموعة المكثفات لحث حلقي مقداره 5 نانو هنري، بينما تتعرض الوحدة الأبعد لحث حلقي مقداره 40 نانو هنري. عند بدء التشغيل، يتعرض العاكس البعيد لارتفاع جهد مقداره 8 أضعاف ارتفاع جهد الوحدة القريبة.

يفشل أولاً، ثم يفشل مرة أخرى بعد التبديل، لأن استبدال الوحدة لا يغير المسار الذي تسبب في تلفها.

4. خطوات التصميم

الاستراتيجية 1: مشاركة التيار النشط مع الاستشعار لكل وحدة

استخدم التحكم بالانخفاض أو التحكم الرئيسي-التابع مع محول معايرة أو مقاومة أخذ العينات في كل وحدة. تحقق من أن عدم التوازن يبقى ضمن نطاق ±2% عبر نطاق التشغيل.

تُحوّل هذه الخطوة عدم التطابق السلبي إلى كمية مُقاسة ومُصحّحة. ولا تنجح إلا إذا كان مسار الاستشعار دقيقًا، لأن حلقة التحكم ترث خطأ المستشعر الذي تُغلق عليه.

الاستراتيجية الثانية: دمج مراحل التبديل

قم بتحريك حاملات الوحدات المتوازية بمقدار 360 درجة/N. عند نقطة الربط، ينخفض ​​تيار التموج بما يصل إلى عامل N، وينخفض ​​معه متطلبات المصفوفة.

تمثل ست عشرة وحدة متداخلة تقريبًا تموج وحدة واحدة. وبذلك، تتعامل المصفوفة مع تيار فعال قدره 2.5 أمبير بدلًا من مجموع التيار الفعال المتوافق في الطور البالغ 40 أمبير في نقطة الألم 2.

الاستراتيجية 3: بناء مصفوفة وصلة التيار المستمر من أجزاء متطابقة من الفئة الأولى

استعمل N4700 مكثفات ذات سعة دقيقة وأنماط تغليف منخفضة المقاومة الكهربائية. تعمل المكونات المتطابقة على تقسيم تيار التموج بالتساوي، ويتحمل هذا التقسيم درجات الحرارة المختلفة نظرًا لاستقرار العازل.

يمكن الحصول على الطاقة بكميات كبيرة من التحليلات الكهربائية، ويمكن الحصول على مراحل ذات تموج عالٍ عند جهد منخفض من مكثف الفيلم بنك. عند تردد 400 كيلوهرتز وجهد 10 كيلو فولت، مقابض الابواب مكثف المصفوفة هي الطريقة العملية لتحديد نقطة الربط.

الاستراتيجية الرابعة: تخطيط نقطة النجمة بأطوال مسارات متساوية

قم بتوصيل كل مكثف بنقطة التوصيل باستخدام مسارات متساوية الطول بعرض 5 مم على الأقل، أو استخدم قضيب توصيل مغلف. حافظ على كل مسار أقل من 5 نانو هنري.

قم بقياس كل مسار على النموذج الأولي. تعمل سلسلة التوصيل على تركيز التيار في الجزء الأول من السلك، لذا فإن الأجزاء الأقرب إلى نقطة التوصيل تحمل أكبر قدر من التموج وتتلف أولاً.

الاستراتيجية الخامسة: إضافة بيانات القياس عن بُعد الحالية لكل وحدة

سجّل استهلاك التيار لكل وحدة ودرجة حرارة وصلة التيار المستمر في وحدة التحكم. ضع علامة على أي وحدة تنحرف بأكثر من 5% عن متوسط ​​أداء الأسطول لفحصها في موعد الصيانة التالي.

يشير اتجاه التيار المتموج على مدى أشهر إلى تقادم المكثف قبل أن يتعطل أحد أجزائه، وهو التحذير الوحيد الذي تقدمه سلسلة التتالي.

الاستراتيجية السادسة: اختبار مدى ثبات المصفوفة في أسوأ حالات الطور

قم بتشغيل مجموعة المكثفات بالكامل باستخدام حاملات متزامنة الطور وبأقصى طاقة لمدة 100 ساعة قبل بدء الإنتاج. قم بتصوير مصفوفة المكثفات حرارياً وتأكد من أن كل جزء يبقى ضمن حدود درجة الحرارة القصوى المسموح بها.

يعيد هذا الاختبار إنتاج تركيز التموج لنقطة الألم 2 في المصنع، حيث يكلف الإصلاح مراجعة التصميم بدلاً من مكالمة خدمة على خط العميل.

معلمة المكون	القيمة النموذجية	شرط الاختبار
الجهد المقنن (سلسلة HVCT8G)	10 كيلو فولت العاصمة	جهد عالي 1.5× لمدة 60 ثانية
مواسعة	4700 بيكوفاراد ±20% (472 ميجا)	1 ميجاهرتز، 1 فولت RMS
المقاومة المكافئة التسلسلية عند 1 ميجاهرتز	أقل من 50 ملي أوم	مرجع 25 درجة مئوية
محاثة الحلقة (وتر E40)	أقل من 8 نانوهيدروجين	تباعد طرفي 40 مم
مقاومة العزل	أعلى من 10 جيجا أوم عند 500 فولت تيار مستمر	25 درجة مئوية، 60% رطوبة نسبية
نطاق درجة حرارة	40 درجة مئوية إلى +125 درجة مئوية	سلسلة IEC 60068-2
قدرة نبض dv/dt	أعلى من 50 كيلو فولت/ميكروثانية	عند الجهد المقدر

5. مكثفات HVC N4700 لمصفوفات المصابيح المتوازية

ثلاثة متطلبات أساسية تحدد الاختيار عند هذه النقطة: تطابق السعة بدقة كافية لتوزيع التموج بالتساوي، وفقدان منخفض بما يكفي للحفاظ على برودة الخزانة المغلقة، وثبات المعاوقة مع تغير درجة الحرارة لضمان عدم انحراف التوزيع. تقوم شركة HVC بتصنيع مكونات الفئة الأولى لهذه المجموعة، من مصنعها الخاص في دونغقوان، بمساحة 6,000 متر مربع، عبر نطاق جهد من 1 كيلوفولت إلى 100 كيلوفولت.

ستة معايير مهمة هنا

• إن مطابقة السعة من الدرجة المصفوفة في العازل من الفئة الأولى N4700 تجعل كل جزء في مصفوفة وصلة التيار المستمر يأخذ نفس تيار التموج، مما يزيل وضع التحميل الزائد للجزء الواحد.
• tanδ أقل من 0.1% عند 1 كيلو هرتز يحافظ على برودة المصفوفة عند تيار التموج الكامل ويحافظ على الهامش الحراري لخزانة متعددة المصابيح محكمة الإغلاق.
• ±30 جزء في المليون/درجة مئوية والسعة المستقلة عن الانحياز تحافظ على مقاومة المصفوفة ثابتة، لذا فإن مشاركة التيار عند بدء التشغيل البارد تتطابق مع مشاركة التيار في الحالة المستقرة.
• تدعم حزم Low-ESL 441 من النوع اللولبي والقرصي تخطيطات النقطة النجمية مع حث الحلقة أقل من 5 نانو هنري، مما يؤدي إلى معادلة الجهد العابر عبر جميع الوحدات.
• يغطي نطاق الجهد من 1 إلى 100 كيلو فولت مصفوفة وصلة التيار المستمر ذات الجهد المنخفض ومراحل تهيئة المصابيح ذات الجهد العالي من عائلة واحدة مؤهلة.
• حلت مكثفات HVC من نوع البرغي بجهد 40 كيلو فولت / 441 محل علامة تجارية عالمية رائدة في برامج الخدمة الميدانية. تتوافق قطع غيار HVC مع معايير VISHAY، ومجموعات الجهد العالي من KEMET وTDK.

التوصيل والدعم

يتم شحن القطع القياسية خلال 4-8 أسابيع، والمصفوفات المتطابقة خلال 6-10 أسابيع. يقوم فريق هندسة تطبيقات HVC بمراجعة بنية المشاركة، وتصميم النجمة، وتوزيع الإشارة وفقًا لعدد الوحدات وجدول الكابلات لديك.

أرسل عدد الوحدات، وملف تعريف التموج، وتصميم الكابلات، وبنية المشاركة. تُعيد HVC تصميم مصفوفة وصلة التيار المستمر مع حسابات المشاركة، وإرشادات تصميم النجمة، وعينات مطابقة من الفئة الأولى في غضون أسبوعين.

6. أسئلة مكررة

س1: ما مقدار عدم توازن التيار الطبيعي في مجموعة مصابيح متوازية؟

يُعتبر عدم التوافق بنسبة أقل من 4% أمرًا طبيعيًا عندما تكون الوحدات متطابقة جيدًا، ويمكن تحقيق نسبة أقل من ±2% مع المشاركة النشطة. من العلاقة ΔI/I ≈ ΔR/R_loop، ينتج عن عدم التوافق بمقدار 2 ملي أوم في حلقة مقاومة 50 ملي أوم نسبة 4%، بينما ينتج عن نفس عدم التوافق في حلقة مقاومة 25 ملي أوم نسبة 8%.

س2: لماذا يقلل التداخل من متطلبات مصفوفة وصلة التيار المستمر؟

لأن المصفوفة تحمل المجموع الاتجاهي لتموجات الوحدات، فإن إزاحة الموجات الحاملة بمقدار 360°/N تلغي الموجة الأساسية عند نقطة الربط. ست عشرة وحدة متوافقة الطور تُنتج تيارًا فعالًا قدره 40 أمبير على مصفوفة سعتها 10 نانوفاراد؛ وعند توصيلها بشكل متداخل، تُنتج نفس المجموعة تيارًا فعالًا يُعادل تقريبًا 2.5 أمبير لوحدة واحدة.

س3: كيف يمكنني تحديد حجم مصفوفة مكثفات وصلة التيار المستمر لـ 16 وحدة؟

حدد القيمة بناءً على أسوأ حالة لتموج الطور، ثم تحقق من قيمة التيار المتداخل. عند 2.5 أمبير RMS لكل وحدة، يكون مجموع التيار المتداخل 40 أمبير RMS، مما يتطلب ثماني وحدات بقدرة 5 أمبير لكل منها. توفر الوحدات ذات القدرة الأعلى من قيمة التيار المتداخل هامش أمان في حالة حدوث عطل في الموجة الحاملة، مما يزيل فرق الطور.

س4: ما هو معامل الحث الحلقي الذي يجب أن يكون لكل مسار مكثف؟

يجب ألا تتجاوز قيمة الحث 5 نانو هنري من المكثف إلى نقطة التوصيل. يتطلب ذلك مسارات عريضة وقصيرة بعرض 5 مم أو أكثر، أو قضيب توصيل مغلف. تُظهر القياسات على الأجهزة قيمة 5 نانو هنري على أقرب مسار و40 نانو هنري على أبعد مسار عند ترك تصميم الدائرة للتوجيه، وعند بدء معدل تغير التيار (di/dt)، يتحمل العاكس البعيد 8 أضعاف ذروة التيار.

س5: كيف يمكنني اكتشاف استهلاك التيار الكهربائي بشكل مفرط قبل أن يتسبب في حدوث عطل؟

سجّل التيار لكل وحدة وقارنه بمتوسط ​​التيار في الأسطول. الوحدة التي يزيد تيارها عن المتوسط ​​بنسبة 5% تقترب من نسبة 12% التي تبدأ سلسلة من الأعطال. أضف اتجاه تموج التيار عند نقطة الربط، وستظهر علامات تقادم المكثف قبل تعطل أي جزء.

س6: ما هو تصميم المصفوفة الذي يجب استخدامه؟

نقطة توصيل نجمية. يتصل كل مكثف بنقطة التوصيل عبر مسار متساوي الطول، لذا فإن كل جزء يتعرض لنفس المعاوقة ونفس الجهد العابر. تعمل سلسلة التوصيل على تركيز تيار التموج في الجزء الأول من السلسلة، لذا فإن الأجزاء الأقرب إلى نقطة التوصيل تتلف بشكل أسرع.

7. المراجع

1. إي. كوفيل، دبليو إس زينجل، جيه. كوفيل، أساسيات هندسة الجهد العالي، الطبعة الثانية، نيونس، 2000.
2. موهان، ن.، أنديلاند، ت.م.، وروبنز، و.ب. إلكترونيات الطاقة: المحولات والتطبيقات والتصميم، الطبعة الثالثة. هوبوكين، نيوجيرسي: جون وايلي وأولاده، 2003.
3. إشعار رقم 2 من MIL-HDBK-217F، التنبؤ بموثوقية المعدات الإلكترونية، 1995.
4. IEC 60384-1: 2021 ، المكثفات الثابتة للاستخدام في المعدات الإلكترونية - الجزء 1: المواصفات العامة، الطبعة الرابعة. جنيف: اللجنة الكهروتقنية الدولية، 2021.
5. IEC 61071:2017، مكثفات لإلكترونيات الطاقة، الطبعة 2.0. جنيف: اللجنة الكهروتقنية الدولية، 2017.
6. غيغابايت / تي 17702-2021، 电力电子电容器 (المكثفات لإلكترونيات الطاقة). بكين: 国家市场监督管理总局، 2021.
7. هـ. وانغ وف. بلايبيرغ، موثوقية المكثفات لتطبيقات وصلة التيار المستمر في محولات إلكترونيات الطاقة - نظرة عامة، مجلة IEEE للمعاملات في التطبيقات الصناعية، المجلد 50، العدد 5، الصفحات 3569-3578، 2014. https://doi.org/10.1109/tia.2014.2308357.
8. م. ماركيسوني وآخرون، تقليل تموج جهد المكثف في محول مصدر الجهد لتطبيقات التيار المستمر عالي الجهد، في المؤتمر الدولي لتقنية نقل التيار المستمر عالي الجهد (AEIT HVDC) لعام 2019، الصفحات 1-6، 2019. https://doi.org/10.1109/aeit-hvdc.2019.8740647
9. AND9800/D — اختيار مكثف التخميد لتطبيقات محركات القيادة (جدول 15 بيانات الاختبار)، onsemi، AND9800-D، https://m.onsemi.jp/pub/Collateral/AND9800-D.PDF .
10. طلب توصية بشأن دائرة التخميد لحماية شريحة Infineon FF300R17KE4P، مجتمع مطوري Infineon، https://community.infineon.com/t5/IGBT/Request-for-Snubber-Circuit-Recommendation-for-Protecting-Infineon-FF300R17KE4P/td-p/1241451 .
11. فريق هندسة تطبيقات HVC، الجهد العالي السيراميك المكثفات الموارد الفنيةhttps://www.hv-caps.com