مقاومة ترشيح متناسقة وحماية مشبك للمشعلات

مقاومة ترشيح متناسقة وحماية مشبك للمشعلات

الملخص

تحتوي مقدمة إشعال البلازما على ثلاث آليات حماية: مكثف للترشيح، ومقاومة للحد من التيار، وثنائي للتثبيت. عند تركيبها تباعًا، تتعارض هذه الآليات، لأن كل واحدة منها تُغير المعاوقة التي تعمل ضدها الآليات الأخرى. توضح هذه المقالة الترتيب الزمني الذي يجعل هذه الآليات الثلاث تعمل بتناغم، وتوزيع الطاقة بين التثبيت والترشيح، واختبار السيناريوهات الثلاثة الذي يُثبت ذلك.

1. مقدمة

تقع مقدمة نظام إشعال البلازما بين مرحلة الطاقة التي تتغذى من الشبكة الرئيسية ومحول الإشعال. وتحافظ ثلاث آليات تقليدية على استمرارية عمله.

يمتص مكثف موصول عبر ناقل البيانات الطاقة عالية التردد. ويحد مقاوم موصول على التوالي من تيار البدء وتيار العطل. ويحافظ مشبك ثنائي على جهد العقدة ضمن نطاق محدد.

كل آلية مفهومة جيدًا على حدة. عند ربطها معًا بالتسلسل، فإنها تغير ظروف تشغيل بعضها البعض. يوفر المرشح للمشبك مسارًا منخفض المقاومة ويؤثر على عمله.

تُعدّ منطقة الإشعال الأمامية أسوأ مكان لحدوث هذا التفاعل. فخلال مرحلة ما قبل الاشتعال، تحمل العقدة تذبذبًا يتراوح بين 20 و25 كيلوفولت، وعند الاشتعال ينهار الجهد إلى مستوى انخفاض القوس الكهربائي في غضون أجزاء من الثانية.

2. الآلية الأساسية

2.1 ثلاث آليات، وثلاثة نطاقات زمنية

تتكون الشبكة من بنية ثلاثية العناصر حول العقدة: مكثف الترشيح C_f إلى الأرض، ومقاومة التحديد التسلسلي R_lim باتجاه الحمل الحساس، وثنائي التثبيت مع مكثفه C_c الذي يمسك العقدة داخل نافذة.

تعمل كل آلية وفقًا لنطاقها الزمني الخاص. زاوية الفلتر هي:

f_filter = 1 / (2π × R_src × C_f)

حيث f_filter هي زاوية المرشح، وR_src هي معاوقة المصدر التي تغذي العقدة، وC_f هي سعة المرشح. دورتها، 2π × R_src × C_f، هي زمن استجابة المرشح.

مع مقاومة مصدر تبلغ 50 أوم و 100 نانو فاراد، يكون تردد القطع 31.8 كيلو هرتز وزمن الاستجابة 31.4 ميكرو ثانية.

2.2 المحدد والمشبك

المقياس الزمني للمحدد هو نفسه RC مع الحمل الذي يغذيه:

τ_lim = R_lim × C_load

حيث τ_lim هو ثابت زمن المحدد، وR_lim هي المقاومة التسلسلية، وC_load هي السعة على جانب الحمل. عند 10 أوم و47 نانو فاراد، يكون الزمن 470 نانو ثانية.

استجابة المشبك هي زمن عبور الصمام الثنائي بالإضافة إلى زمن LC لحلقة الدائرة الخاصة به:

τ_clamp = √(L_loop × C_c)

حيث τ_clamp هو زمن استجابة المشبك، وL_loop هو محاثة حلقة المشبك، وC_c هي سعة المشبك. حلقة 20 نانوهنري مع مكثف 150 نانوفاراد تعطي زمن استجابة 55 نانوثانية.

قاعدة التصميم المشترك هي ترتيب صارم:

τ_clamp ≪ τ_lim ≪ 2π × R_src × C_f

حيث تمثل المصطلحات الثلاثة استجابة التثبيت عند 55 نانوثانية، وثابت زمن المحدد عند 470 نانوثانية، وزمن استجابة المرشح عند 31.4 ميكروثانية. تعمل كل آلية ضمن نطاق لا تشغله الآليات الأخرى.

2.3 التفاعل بين المرشح والمشبك

يوفر مكثف الترشيح مسارًا لتفريغ شحنة استعادة المشبك، وهذا المسار يدور:

f_ring = 1 / (2π × √(L_loop × C_f))

حيث f_ring هو تردد الرنين لحلقة المرشح، وL_loop هو محاثة الحلقة، وC_f هي سعة المرشح. عند 20 نانوهنري و100 نانوفاراد، يكون التردد 3.56 ميجاهرتز.

يجب أن يبتعد ذلك عن زاوية مرشح 31.8 كيلو هرتز، وهو يفعل ذلك بمعامل 112. معامل أقل من عشرة يضع رنينًا في النطاق المتوسط ​​بين الآليتين، ثم يتم إعادة حقن الحلقة على شكل نبضة واسعة النطاق.

2.4 تقسيم طاقة الضربة

عندما يؤدي الإضراب إلى انهيار جهد العقدة، يجب أن تذهب طاقة التسرب في المحول إلى مكان ما:

E_trans = 0.5 × L_leak × I_strike²  ,  E_absorb = 0.5 × C × ΔV²

حيث E_trans هي طاقة التسرب المخزنة، وL_leak هي محاثة التسرب للمحول، وI_strike هو تيار الاشتعال، وE_absorb هي الطاقة التي يمتصها أحد الفروع، وC هي سعتها، وΔV هو ارتفاع الجهد عبرها.

مع وجود تسريب مقداره 2 ملي هنري وتيار صدم 8 أمبير، تبلغ الطاقة المخزنة 64 ملي جول. تم ضبط نسبة التوزيع عمدًا: 60% للمشبك و40% للمرشح.

عند ارتفاع الجهد بمقدار 720 فولت، تحتاج هذه الأجزاء إلى مكثفات سعتها 150 نانوفاراد عند نقطة التثبيت و100 نانوفاراد عند نقطة الترشيح. وبالتالي، يُعدّ تقسيم المكثفات قرارًا تصميميًا، ويتم تحديد حجم المكثفين بناءً على الطاقة التي يجب أن يخزناها، وليس بناءً على الجهد فقط.

تحدد المادة العازلة ما إذا كان الانقسام سيبقى قائماً عند حدوث تغيير. فالجزء من الفئة الثانية الذي يفقد 15% من قيمته مع تغير درجة الحرارة والانحياز يغير حصته من الطاقة، وينعكس الترتيب الذي كان سارياً عند 25 درجة مئوية عند 70 درجة مئوية.

الشكل 1 - يستجيب المشبك في 55 نانوثانية، ويقوم المحدد بتشكيل الاندفاع في 470 نانوثانية ويقع ركن المرشح عند 31.4 ميكروثانية، لذلك تمتلك كل آلية نافذتها الخاصة.

3. نقاط الضعف الهندسية

نقطة الضعف الأولى: تأخر المشبك وهروب النبضة

مع وجود حلقة تثبيت كبيرة وثنائي بطيء، فإن استجابة التثبيت ليست الأسرع. تصل النبضة إلى الحمل قبل أن يبدأ الثنائي بالتوصيل.

لا توجد الحماية إلا على المخطط. يتعرض الحمل للارتفاع المفاجئ في التيار، ثم يظهر العطل عند الحمل.

نقطة الضعف الثانية: حلقات الفلتر مع استعادة المشبك

تُفرغ شحنة الاسترداد لثنائي التثبيت عبر مكثف المرشح وملف الحث الحلقي. ويصدر رنينًا بتردد حلقة المرشح نفسه.

تصل الرنينة في الوقت الذي يفترض أن تكون فيه العقدة هادئة، وتظهر على شكل نبضة واسعة النطاق في مخطط الانبعاث. تعمل مقاومة صغيرة متصلة على التوالي في الحلقة على تخميدها قبل أن تصبح مشكلة.

نقطة الضعف الثالثة: يُقاوم المُحدد الفلتر

يؤدي تركيب مقاومة متسلسلة بين المرشح والحمل إلى تغيير معاوقة مصدر المرشح، وبالتالي تغيير زاوية تردده. يصبح المرشح المضبوط بدون محدد التردد غير مضبوط عند تركيب المحدد.

ثم يصل المحتوى المتبقي عالي التردد إلى الحمل، ولم يعد رفض المرشح في ملف الإصدار يصف الجهاز.

النقطة الرابعة المؤلمة: الانحراف الحراري يعيد ترتيب المقاييس الزمنية

في المكثفات من الفئة الثانية، يتقلص كل من C_f و C_c بنسبة 15% مع تغير درجة الحرارة والجهد. ويمكن أن ينعكس الترتيب الذي كان قائماً عند 25 درجة مئوية عند 70 درجة مئوية.

يصبح المشبك أبطأ من المحدد، وبالتالي لا توفر الشبكة أي حماية. لم يتعطل أي مكون، ولم يُظهر أي اختبار في درجة حرارة الغرفة هذا التغيير.

4. خطوات التصميم

الاستراتيجية الأولى: فرض ترتيب النطاق الزمني من خلال التصميم

اكتب الأرقام الثلاثة في المتطلبات: 55 نانوثانية للتثبيت، و470 نانوثانية للمحدد، و31.4 ميكروثانية للمرشح. قم بقياس كل منها بعد التجميع، واعتبر أي انعكاس عيبًا.

الترتيب ليس زر ضبط. فالشبكة التي تحتاج إلى ضبطها ستفقد ترتيبها مع أول دورة حرارية.

الاستراتيجية الثانية: تصميم المرشح وحلقة التثبيت بشكل مشترك

ضع المكثف C_f وثنائي التثبيت بحيث يكون مسار تيار الاستعادة قصيرًا، وحافظ على حث الحلقة أقل من 20 نانو هنري. هذه القيمة هي التي تجعل الاستجابة البالغة 55 نانو ثانية ممكنة.

افصل حلقة التردد 3.56 ميجاهرتز عن زاوية التردد 31.8 كيلوهرتز بفارق لا يقل عن عشر درجات، وركّب مقاومة صغيرة متصلة على التوالي لتخميد الحلقة. تخميد الحلقة أسهل من تحريكها.

الاستراتيجية الثالثة: تحديد حجم المحدد بناءً على تيار العطل

اختر قيمة R_lim من تيار العطل في أسوأ الحالات، وليس من تيار التشغيل. عند جهد 600 فولت، يحدد مُحدد التيار ذو مقاومة 10 أوم تيار العطل عند 60 أمبير، ويجب أن يتحمل 360 جول خلال فترة خلوص 10 مللي ثانية.

استخدم جهازًا مقاومًا للتيار الزائد مقاوم ذو طبقة سميكة لهذا الغرض، تحقق من تأثيره على زاوية المرشح بعد ذلك. يجب تحديد حجم كل من المحدد والمرشح معًا.

الاستراتيجية الرابعة: استخدام السيراميك من الفئة الأولى لكلا المكثفين

بفضل عازل من الفئة الأولى عند ±30 جزءًا في المليون/درجة مئوية وقيمة tanδ أقل من 0.1%، يظل الترتيب ثابتًا بغض النظر عن درجة الحرارة أو الانحياز المستمر. الشبكة المصممة عند 25 درجة مئوية هي نفسها الشبكة المصممة عند 70 درجة مئوية.

اختر N4700 أجزاء لموضع المشبك، حيث يكون معدل تغير الجهد (dv/dt) هو الأعلى، وتحقق من مستوى التفريغ الجزئي (PD) أقل من 5 بيكو كولوم عند جهد العقدة حتى لا تصدر الحماية الضوضاء التي من المفترض أن تقمعها.

الاستراتيجية الخامسة: التحقق من صحة الثلاثي من خلال ثلاثة سيناريوهات

قم بتشغيل سيناريوهات الاشتعال العادية، والنبضات العابرة، وارتفاع التيار المفاجئ الناتج عن الأعطال، باستخدام مجسات على كل من العقدة والحمل. تأكد من نطاق التثبيت عند الحمل، وحد تيار الحمل، ورفض المرشح في كل سيناريو.

كرر السيناريوهات عند حدود درجات الحرارة. عندما يتطلب سيناريو العطل ارتفاعًا حقيقيًا في التيار، المعدل الصمام الثنائي سلسلة مزودة بتغذية محددة التيار تعيد إنتاج شكل الموجة دون إتلاف التركيب.

الاستراتيجية السادسة: توثيق ميزانية الحماية

سجّل مساهمة كل آلية: رفض المرشح بالديسيبل، وسعة تيار المحدد، ونافذة جهد التثبيت. ضع الأرقام بجوار مخطط المقياس الزمني في ملف الإصدار.

لا يمكن لشبكة منسقة أن تستمر بعد تغييرات في الموظفين إلا إذا تم تدوين هدف تصميمها. يحتاج المهندس التالي إلى الأرقام الثلاثة، وليس المخطط فقط.

معلمة المكون	القيمة النموذجية	شرط الاختبار
القدرة المقدرة (سلسلة HVR)	50 واط عند 70 درجة مئوية	هيكل من الألومنيوم، هواء حر
قيمة المقاومة	10 كيلو أوم ±5%	مرجع 25 درجة مئوية
العمل الجهد	10 كيلو فولت تيار متردد/مستمر	متواصل
تحمل النبض	30 كيلو فولت عند 10 ميكروثانية	10 نبضات، فئة IEC 60110
معامل درجة الحرارة (مقاوم)	±50 جزء في المليون/درجة مئوية	55 درجة مئوية إلى +155 درجة مئوية
مقاومة العزل	أعلى من 1 جيجا أوم عند 1000 فولت تيار مستمر	الحد الأدنى للزحف 25 مم
قدرة تحمل التيار المفاجئ	100 أمبير عند 1 مللي ثانية	ملفوف بسلك غير حثي

5. مكثفات HVC لحماية الثلاثي

ثلاثة متطلبات أساسية تحدد هذا الاختيار: سعة تحافظ على الترتيب عند درجات الحرارة المختلفة، وفقد منخفض عند أعلى معدلات تغير الجهد (dv/dt)، ومستوى تفريغ جزئي موثق. وتصنع شركة HVC مكونات N4700 لهذه المجموعة.

ستة معايير مهمة في هذه العقدة

• مادة عازلة من الفئة الأولى N4700 (T3M) بمعامل ±30 جزء في المليون/درجة مئوية. زاوية المرشح وتخزين طاقة المشبك ثابتان، لذا فإن ترتيب المقياس الزمني خاصية ثابتة للجهاز.
• tanδ أقل من 0.1%. يقع كلا المكثفين عند أعلى عقد dv/dt، ويحافظ الفقد المنخفض على برودتهما ولا يضيف أي خطأ ESR إلى مستوى التثبيت.
• نطاق الجهد من 1 كيلو فولت إلى 100 كيلو فولت. تغطي عائلة واحدة أجزاء مرشح ومثبت الواجهة الأمامية بجهد 25 كيلو فولت ومرشحات جانب المنطق ذات الجهد المنخفض.
• انخفاض التفريغ الجزئي إلى أقل من 5 بيكوكولوم على كل جزء محمي. شبكة الحماية لا تُصدر الضوضاء التي وُجدت لكبحها.
• دقة عالية بالإضافة إلى معاوقة موثقة. يصبح فحص الطلب وفصل تردد الرنين عملية حسابية بدلاً من العمل على طاولة العمل.
• أثبتت فعاليتها ميدانياً في أنظمة الحماية متعددة الآليات. حلت أجزاء HVC 40 kV / 441 pF ذات أطراف لولبية محل مكثفات العلامات التجارية الرائدة في برامج الخدمة الميدانية للجهد العالي، ويتم اعتمادها من قبل عدد متزايد من مصنعي المعدات الأصلية المحليين.

التوصيل والدعم

تُشحن المقاسات القياسية خلال 4-8 أسابيع، والمجموعات المتطابقة خلال 6-10 أسابيع. وتشمل نفس المجموعة أقراص الرصاص الشعاعي و المكثفات مقابض الابواب بالنسبة لمواقع المرشحات الرئيسية.

تتوافق أجزاء نظام التبريد والتكييف عالي الكثافة مع المعايير الكهربائية وأبعاد العبوة الخاصة بـ موراتا، أجزاء TDK و KEMET، لذلك يمكن إعادة تزويد الثلاثي بمصدر واحد من خلال تبادل البيانات.

أرسل جهد العقدة، وتيار العطل، وملف تعريف الارتفاع المفاجئ. يُعيد نظام HVC قيم العناصر الثلاثة، ومخطط النطاق الزمني المتوقع، وخطة الاختبار المكونة من ثلاثة سيناريوهات.

6. أسئلة مكررة

س1: لماذا لا يمكن تحديد حجم وسائل الحماية الثلاث بشكل منفصل؟

لأن كل عنصر يُغير المعاوقة التي تعمل العناصر الأخرى ضدها. يُوفر المرشح مسارًا منخفض المعاوقة للمُثبِّت، ويُغير المُحدد معاوقة مصدر المرشح، وتُعيد حلقة استعادة المُثبِّت الإشارة عبر حلقة المرشح. ترتيب النطاق الزمني هو ما يمنع العناصر الثلاثة من التداخل.

س2: كيف يتم حساب زاوية المرشح؟

f_filter = 1 / (2π × R_src × C_f). مع مقاومة مصدر تبلغ 50 أوم وسعة مكثف 100 نانوفاراد، يكون تردد القطع 31.8 كيلوهرتز، وتحدد دورته البالغة 31.4 ميكروثانية مدى سرعة استجابة المرشح للاضطراب.

س3: من أين تأتي استجابة التثبيت البالغة 55 نانوثانية؟

من حلقة التثبيت. τ_clamp = √(L_loop × C_c)، ومع 20 نانوهنري و150 نانوفاراد، يكون ذلك 55 نانوثانية. يهيمن حث الحلقة على القيمة، ولهذا السبب يحدد التصميم أداء التثبيت.

س4: كيف ينبغي تقسيم طاقة الضربة؟

بحسب التصميم. E_trans = 0.5 × L_leak × I_strike² يساوي 64 مللي جول عند 2 مللي هنري و8 أمبير. إرسال 60% إلى المشبك و40% إلى المرشح يتطلب 150 نانو فاراد و100 نانو فاراد عند ارتفاع الجهد 720 فولت، وبالتالي فإن هذا التقسيم هو قرار تصميمي وليس حادثًا.

س5: ما هي تكلفة المحدد من حيث الطاقة المخزنة؟

يجب أن يتحمل هذا الجهاز العطل، لا تيار التشغيل. عند جهد 600 فولت، يحدد مُحدد التيار ذو مقاومة 10 أوم تيار العطل عند 60 أمبير، ويمتص 360 جول خلال فترة فاصلة قدرها 10 مللي ثانية، مما يضعه ضمن فئة الأجزاء المُصنفة لتحمل زيادة التيار المفاجئة. أما إشارة التشغيل التي تمر عبره فهي أقل بكثير.

س6: ما الذي يثبت أن الثلاثي منسق؟

تم قياس ثلاثة سيناريوهات عند العقدة وعند الحمل: الاشتعال الطبيعي، والنبضة العابرة الناتجة عن الصاعقة، وارتفاع التيار المفاجئ بسبب العطل. يجب أن تبقى قيمة النبضة ضمن نطاق القياس عند الحمل، ويجب أن يبقى تيار الحمل أقل من قيمة الحد الأقصى للمحدد، ويجب أن يكون رنين العقدة أقل من قيمة رفض المرشح عند كل زاوية من زوايا درجة الحرارة.

7. المراجع

1. إي. كوفيل، دبليو إس زينجل، جيه. كوفيل، أساسيات هندسة الجهد العالي، الطبعة الثانية، نيونس، 2000.
2. ن. موهان، تي إم أونديلاند، دبليو بي روبنز، إلكترونيات الطاقة: المحولات والتطبيقات والتصميم، الطبعة الثالثة، وايلي، 3.
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. 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
6. ملاحظة تطبيقية لوحدة IGBT (القسم 6.7 دائرة التخميد)، ميتسوبيشي إلكتريك، https://www.mitsubishielectric.com/cn/semiconductors/powerdevices/application_notes/igbt_t_t1_note_e_index_e.pdf .
7. غيغابايت / تي 7354-2018، أفضل الأسعار في العالم. المصدر: 中国标准出版社، 2018.
8. كيف يمكنني تحديد جهد انهيار المكثف؟، منتدى كل شيء عن الدوائر، https://forum.allaboutcircuits.com/threads/how-do-i-determine-breakdown-voltage-of-a-capacitor.25915/ .
9. IEC 61071:2017، مكثفات لإلكترونيات الطاقة، الطبعة 2.0. جنيف: اللجنة الكهروتقنية الدولية، 2017.
10. فريق هندسة تطبيقات HVC، الجهد العالي السيراميك المكثفات الموارد الفنيةhttps://www.hv-caps.com