سنتناول هذا الأسبوع تحليل استخدام المكثفات الفيلمية بدلاً من المكثفات الإلكتروليتية في مكثفات وصلات التيار المستمر. وسيُقسّم هذا المقال إلى جزأين.

مع تطور صناعة الطاقة الجديدة، شاع استخدام تقنية التيار المتغير، وتكتسب مكثفات وصلة التيار المستمر أهمية خاصة باعتبارها أحد المكونات الرئيسية للاختيار. تتطلب مكثفات وصلة التيار المستمر في مرشحات التيار المستمر عادةً سعة كبيرة، ومعالجة تيارات عالية، وجهدًا عاليًا، وما إلى ذلك. من خلال مقارنة خصائص المكثفات الفيلمية والمكثفات الإلكتروليتية وتحليل التطبيقات ذات الصلة، خلصت هذه الورقة إلى أنه في تصميمات الدوائر التي تتطلب جهد تشغيل عالٍ، وتيار تموج عالٍ (Irms)، ومتطلبات جهد زائد، وانعكاس الجهد، وتيار بدء تشغيل عالٍ (dV/dt)، وعمرًا طويلًا، ومع تطور تقنية الترسيب البخاري المعدني وتقنية المكثفات الفيلمية، ستصبح المكثفات الفيلمية خيارًا شائعًا للمصممين لاستبدال المكثفات الإلكتروليتية من حيث الأداء والسعر في المستقبل.

مع تطبيق سياسات الطاقة الجديدة وتطور صناعة الطاقة المتجددة في مختلف البلدان، أتاح نمو الصناعات ذات الصلة في هذا المجال فرصًا جديدة. وقد حظيت المكثفات، باعتبارها منتجًا أساسيًا في المراحل الأولية لهذه الصناعة، بفرص نمو جديدة أيضًا. في مجال الطاقة المتجددة ومركباتها، تُعد المكثفات مكونات رئيسية في أنظمة التحكم في الطاقة وإدارتها، ومحولات الطاقة، وأنظمة تحويل التيار المستمر إلى تيار متردد، والتي تحدد عمر المحول. مع ذلك، في محولات الطاقة، يُستخدم التيار المستمر كمصدر طاقة دخل، ويتصل بالمحول عبر ناقل تيار مستمر، يُسمى وصلة التيار المستمر أو دعامة التيار المستمر. نظرًا لأن محول الطاقة يستقبل تيارات نبضية عالية القيمة الفعالة والذروة من وصلة التيار المستمر، فإنه يُولد جهدًا نبضيًا عاليًا عليها، مما يُصعّب على محول الطاقة تحمله. لذلك، يُعد مكثف وصلة التيار المستمر ضروريًا لامتصاص التيار النبضي العالي من وصلة التيار المستمر ومنع تذبذب الجهد النبضي العالي لمحولات الطاقة من البقاء ضمن النطاق المقبول. من ناحية أخرى، فإنه يمنع أيضًا تأثر العاكسات بتجاوز الجهد والجهد الزائد العابر على وصلة التيار المستمر.

يوضح الشكلان 1 و2 المخطط التوضيحي لاستخدام مكثفات DC-Link في الطاقة الجديدة (بما في ذلك توليد طاقة الرياح وتوليد الطاقة الكهروضوئية) وأنظمة قيادة محركات المركبات التي تعمل بالطاقة الجديدة.

يوضح الشكل 1 مخطط دائرة محول طاقة الرياح، حيث يمثل C1 وصلة التيار المستمر (مدمجة عادةً في الوحدة)، وC2 مكثف امتصاص IGBT، وC3 مرشح LC (جانب الشبكة)، وC4 مرشح DV/DT (جانب الدوار). يوضح الشكل 2 تقنية دائرة محول الطاقة الكهروضوئية، حيث يمثل C1 مرشح التيار المستمر، وC2 مرشح التداخل الكهرومغناطيسي، وC4 وصلة التيار المستمر، وC6 مرشح LC (جانب الشبكة)، وC3 مرشح التيار المستمر، وC5 مكثف امتصاص IPM/IGBT. يوضح الشكل 3 نظام محرك القيادة الرئيسي في نظام مركبة الطاقة الجديدة، حيث يمثل C3 وصلة التيار المستمر، وC4 مكثف امتصاص IGBT.

في تطبيقات الطاقة الجديدة المذكورة أعلاه، تُعدّ مكثفات وصلة التيار المستمر (DC-Link) عنصرًا أساسيًا لضمان موثوقية عالية وعمر تشغيلي طويل في أنظمة توليد طاقة الرياح، وأنظمة توليد الطاقة الكهروضوئية، وأنظمة مركبات الطاقة الجديدة، لذا فإن اختيارها بالغ الأهمية. فيما يلي مقارنة بين خصائص المكثفات الفيلمية والمكثفات الإلكتروليتية وتحليلها في تطبيقات مكثفات وصلة التيار المستمر.

1. مقارنة الميزات

1.1 مكثفات الأفلام

يُقدَّم أولاً مبدأ تقنية التمعدن بالأغشية الرقيقة: حيث تُبخر طبقة رقيقة كافية من المعدن على سطح وسائط الأغشية الرقيقة. وفي حال وجود عيب في هذه الوسائط، تتبخر هذه الطبقة، فتعزل بذلك موضع العيب لحمايته، وهي ظاهرة تُعرف بالترميم الذاتي.

يوضح الشكل 4 مبدأ طلاء التمعدن، حيث تُعالج طبقة رقيقة مسبقًا (باستخدام تقنية التغليف الحراري أو غيرها) قبل التبخير لضمان التصاق جزيئات المعدن بها. يُبخر المعدن عن طريق إذابته عند درجة حرارة عالية تحت فراغ (من 1400 إلى 1600 درجة مئوية للألمنيوم، ومن 400 إلى 600 درجة مئوية للزنك)، ويتكثف بخار المعدن على سطح الطبقة عند ملامسته للطبقة المبردة (درجة حرارة تبريد الطبقة من -25 إلى -35 درجة مئوية)، مُشكلاً بذلك طبقة معدنية. وقد ساهم تطوير تقنية التمعدن في تحسين قوة العزل الكهربائي للطبقة لكل وحدة سُمك، حيث يمكن أن تصل قوة العزل الكهربائي في تصميم المكثفات لتطبيقات النبض أو التفريغ باستخدام التقنية الجافة إلى 500 فولت/ميكرومتر، وفي تصميم المكثفات لتطبيقات مرشحات التيار المستمر إلى 250 فولت/ميكرومتر. ينتمي مكثف DC-Link إلى النوع الأخير، ووفقًا لمعيار IEC61071 لتطبيقات إلكترونيات الطاقة، يمكن للمكثف أن يتحمل صدمة جهد أكثر شدة، ويمكن أن يصل إلى ضعف الجهد المقنن.

لذا، لا يحتاج المستخدم إلا إلى مراعاة جهد التشغيل المقنن المطلوب لتصميمه. تتميز مكثفات الأغشية المعدنية بمقاومة مكافئة منخفضة، مما يسمح لها بتحمل تيارات تموج أكبر؛ كما أن انخفاض الحث الذاتي المكافئ يلبي متطلبات تصميم الحث المنخفض للعواكس ويقلل من تأثير التذبذب عند ترددات التبديل.

تُحدد جودة العازل الفيلمي، وجودة طبقة التمعدن، وتصميم المكثف، وعملية التصنيع، خصائص الإصلاح الذاتي للمكثفات المعدنية. ويُستخدم في تصنيع مكثفات وصلة التيار المستمر بشكل أساسي غشاء OPP كعازل فيلمي.

سيتم نشر محتوى الفصل 1.2 في مقال الأسبوع القادم.