High Gain Low Elements Counts Switched Capacitor based Multi-Level Inverter

في عالم الطاقة الحديثة، نادراً ما يتدفق التيار الكهربائي في تيار واحد مستمر من بطارية أو لوح شمسي مباشرة إلى الآلات المعقدة في منازلنا ومصانعنا. بدلاً من ذلك، يجب تحويله وتشكيله ورفع مستواه ليتناسب مع احتياجات الشبكة. هذه هي مهمة العاكس (inverter)، وهو جهاز يحول التيار المستمر إلى تيار متردد. لعقود من الزمن، سعى المهندسون لجعل هذه الأجهزة أكثر نظافة وكفاءة. والهدف هو إنتاج مخرج موجي سلس يشبه الإيقاع الطبيعي لشبكة الطاقة، بدلاً من إشارة متدرجة متعرجة تسبب الضجيج والهدر. ولتحقيق هذه النعومة، طور الباحثون عواكس متعددة المستويات، والتي تبني جهد المخرج عبر خطوات صغيرة ولطيفة بدلاً من قفزات كبيرة قليلة. وكلما زاد عدد الخطوات، كانت الموجة أكثر نعومة، وقل الضغط الذي تضعه على المعدات التي تغذيها. ومع ذلك، فإن بناء هذه الآلات المعقدة تطلب تقليدياً ضريبة ثقيلة من القطع: العديد من المفاتيح، والمكثفات، ومصادر الطاقة، مما يرفع التكلفة والحجم والوزن.

اقترح فريق من الباحثين في جامعة سهند للتكنولوجيا تصميماً جديداً يهدف إلى كسر هذه المقايضة. فقد طوروا عاكساً متعدد المستويات يعمل بالمكثفات المبدلة، نجح في توليد مخرج جهد عالي التفاصيل مكون من إحدى عشرة خطوة باستخدام مجموعة صغيرة بشكل مفاجئ من المكونات. في تصميمهم، تستخدم الآلة مجرد مصدرين للطاقة، وتسعة مفاتيح إلكترونية، ومكثفين، وثنائيين (diodes) لإنشاء جهد أعلى بكثير من مجموع مدخلاتها. وتعد هذه القدرة على رفع الجهد مع استخدام عدد أقل من القطع خروجاً كبيراً عن التصاميم القديمة، التي كانت غالباً ما تحتاج إلى مصادر أكثر أو عدد أكبر بكثير من المفاتيح لتحقيق نتائج مماثلة. وقد بنى الباحثون نموذجاً أولياً مادياً لدائرتهم واختبروه في بيئة مختبرية، مؤكدين أن الجهاز يعمل كما هو مخطط له، منتجاً مخرجاً نظيفاً مع تشويه توافقي منخفض ويحافظ على مستوى عالٍ من الكفاءة.

يكمن جوهر هذا الاختراع الجديد في كيفية إدارة تخزين الطاقة وتحريرها. داخل الدائرة، يعمل مكثفان كمستودعات طاقة مؤقتة. وخلافاً للأنظمة التقليدية حيث قد تتطلب هذه المكونات دوائر خارجية معقدة للحفاظ على توازن مستويات شحنها، يسمح هذا التصميم الجديد للمكثفات بموازنة نفسها طبيعياً من خلال الطريقة التي يتم بها تشغيل وإيقاف المفاتחות. وجد الباحثون أنه من خلال ضبط توقيت تبديل المكونات بعناية، تُشحن المكثفات وتفرغ بطريقة تحافظ على استقرار جهودها دون الحاجة إلى أجهزة تحكم إضافية. وتعمل ميزة التوازن الذاتي هذه على تبسيط النظام بأكل، مما يلغي الحاجة إلى مستشعرات إضافية أو برمجيات معقدة لمراقبة الحالة الداخلية للآلة. والنتيجة هي دائرة ليست أصغر وأخف وزناً فحسب، بل هي أيضاً أكثر موثوقية بطبيعتها لأنها تحتوي على نقاط فشل أقل.

لإثبات أن هذا المفهوم يعمل في العالم الحقيقي، أنشأ الفريق نموذجاً يعمل في مختبرهم. قاموا بتغذية الجهاز بمصدرين للتيار المستمر، أحدهما يوفر 122 فولت والآخر 61 فولت. وعندما عملت الآلة، نجحت في توليد جهد مخرج بلغ ذروته حوالي 305 فولت، أي بزيادة قدرها 1.67 مرة تقريباً عن المدخلات. واختبر الباحثون النظام مع أنواع مختلفة من الأحمال، بما في ذلك تلك التي تحاكي سلوك المحركات الكهربائية، ووجدوا أن المخرج ظل مستقراً ونظيفاً. أنتجت موجة الجهد إحدى عشرة مستوى متميزاً، وهو عدد مرتفع بالنسبة لجهاز بهذا العدد المنخفض من القطع. ويعني هذا العدد المرتفع من المستويات أن المخرج قريب جداً من موجة جيبية مثالية، وهو أمر بالغ الأهمية لتقليل الإجهاد على المعدات المتصلة وتقليل فقدان الطاقة.

أحد أكثر جوانب النتائج لفتاً للنظر هو كفاءة التصميم. فقد قاس الباحثون الطاقة الداخلة إلى الآلة والطاقة الخارجة منها، وحسبوا كفاءة بلغت 97 بالمائة في ظروف التشغيل المقررة. ويعود هذا الأداء العالي جزئياً إلى طريقة عمل المفاتيح. ففي العديد من الأجهزة المماثلة، يجب أن تعمل المفاتيح بسرعة عالية، مما يولد حرارة ويهدر الطاقة. في هذا التصميم الجديد، تعمل المفاتحات عند التردد المنخفض لشبكة الطاقة، وهو 50 هيرتز، مما يقلل بشكل كبير من الطاقة المفقودة أثناء التبديل. كما حلل الفريق الإجهاد على الجهد لكل مكون، ووجدوا أن معظم المفاتيح لم تضطر إلا لتحمل جزء بسيط من إجمالي جهد المخرج، مما يسمح باستخدام مكونات أصغر وأرخص وأكثر متانة.

قارن الباحثون طوبولوجيتهم الجديدة بعدة تصاميم أخرى نُشرت مؤخراً لمعرفة مدى تفوقها. نظروا في نسبة عدد مستويات جهد المخرج إلى إجمالي المكونات المستخدمة، وهو مقياس يكشف عن مدى كفاءة التصميم في استخدام أجهزته. حققت دائرتهم الجديدة أعلى نسبة بين جميع التصاميم التي اختبروها، مما يعني أنها تنتج خطوات مخرج أكثر بقطع أقل من منافسيها. كما طوروا دالة تكلفة وزنت عدد المكونات مقابل إجهاد الجهد وتعقيد النظام. وفي هذا التقييم، جاء تصميمهم كأكثر الخيارات فعالية من حيث التكلفة، حيث قدم توازناً فائقاً بين بساطة الأجهزة والأداء الكهربائي. وتشير الدراسة إلى أن هذا النهج قد يكون مفيداً بشكل خاص لأنظمة الطاقة المتجددة، مثل الألواح الشمسية وخلايا الوقود، حيث يمثل تقليل عدد مصادر الطاقة والحجم الإجمالي للعاكس أولوية قصوى.

كما أظهرت النتائج التجريبية أن الجهاز يتعامل مع تموج الجهد، أو التقلبات الصغيرة في الطاقة المخزنة، بشكل جيد للغاية. فقد كان الجهد عبر المكثف الأول يتذبذب بنسبة 1 بالمائة فقط، بينما أظهر المكثف الثاني تموجاً بنحو 5 بالمائة. وتشير هذه الاختلافات الصغيرة إلى أن المكثفات تُستخدم بكفاءة ولا يتم إجهادها فوق طاقتها. لاحظ الباحثون أنه بينما كان جهد المخرج في النموذج الأولي المادي أقل قليلاً من الحد الأقصى النظري بسبب الخسائر الطفيفة في الطاقة في المكونات الواقعية، إلا أن الأداء العام كان قوياً. فقد نجح الجهاز في تقديم الطاقة لكل من الأحمال المقاومة، مثل السخانات، والأحمال الحثية، مثل المحركات، دون الحاجة إلى مرشح خارجي كبير لتنقية الإشارة.

يمثل هذا العمل خطوة عملية للأمام في تصميم إلكترونيات القدرة. فمن خلال إثبات إمكانية تحقيق مخرج متعدد المستويات عالي الجودة باستخدام حد أدنى من المكونات، أظهر الباحثون مساراً نحو عواكس أكثر دمجاً وبأسعار معقولة. إن القدرة على موازنة المكثفات الداخلية طبيعياً ورفع الجهد دون دوائر إضافية تعالج اثنين من التحديات الأكثر استمراراً في هذا المجال. وبينما أُجريت الدراسة على نموذج أولي صغير النطاق بجهود دخل محددة، فإن المبادئ الموضحة تشير إلى إمكانية رفع نطاق هذه البنية لتطبيقات أكبر. وتقدم النتائج بديلاً واضحاً للتقنيات الموجودة، مما يثبت أن عدد قطع أقل لا يعني بالضرورة أداءً أقل. ومع استمرار العالم في دمج المزيد من مصادر الطاقة المتجددة في الشبكة، ستكون الابتكارات مثل هذه التي تقلل التكلفة والتعقيد مع الحفاظ على الكفاءة العالية ضرورية لبناء مستقبل طاقة أكثر استدامة.