مقاله بررسی آزمايشگاه الكترونيك صنعتي (كاربرد الكترونيك قدرت)

دسته بندي : فنی و مهندسی » برق، الکترونیک، مخابرات
مقاله بررسي آزمايشگاه الكترونيك صنعتي (كاربرد الكترونيك قدرت) در 23 صفحه ورد قابل ويرايش

كاربرد الكترونيك قدرت

از سالها پيش ، نياز به كنترل قدرت الكتريكي در سيستم هاي محرك موتورهاي الكتريكي و كنترل كننده هاي صنعتي احساس مي شد . اين نياز ، در ابتدا منجر به ظهور سيستم وارد - لئونارد شد كه از آن مي توان ولتاژ dc متغيري براي كنترل محركهاي موتورهاي dc به دست آورد . الكترونيك قدرت ، انقلابي در مفهوم كنترل قدرت ، براي تبديل قدرت و كنترل محركهاي موتورهاي الكتريكي ، به وجود آورده است .

الكترونيك قدرت تلفيقي از الكترونيك ، قدرت و كنترل است . در كنترل ، مشخصات حالت پايدار و ديناميك سيستم هاي حلقه بسته بررسي مي شود . در قدرت ، تجهيزات ساكن و گردان قدرت جهت توليد ، انتقال و توزيع قدرت الكتريكي مورد مطالعه قرار مي گيرد . الكترونيك درباره قطعات حالت جامد و مدارهاي پردازش سيگنال ، جهت دستيابي به اهداف كنترل مورد نظر تحقيق و بررسي مي كند . مي توان الكترونيك قدرت را چنين تعريف كرد : كاربرد الكترونيك حالت جامد براي كنترل و تبديل قدرت الكتريكي .ارتباط متقابل الكترونيك قدرت با الكترونيك ، قدرت و كنترل در شكل نشان داده شده است .





الكترونيك قدرت مبتني بر قطع و وصل افزارهاي نيمه هادي قدرت .با توسعه تكنولوژي نيمه هادي قدرت ، توانايي در كنترل قدرت و سرعت و وصل افزارهاي قدرت به طور چشمگيري بهبود يافته است . پيشرفت تكنولوژي ميكروپرسسور / ميكروكامپيوتر تاثير زيادي روي كنترل و ابداع روشهاي كنترل براي قطعات نيمه هادي قدرت داشته است . تجهيزات الكترونيك قدرت مدرن از (1) نيمه هاديهاي قدرت استفاده مي كند كه مي توان آنها را مانند ماهيچه در نظر گرفت ، و (2) از ميكروالكترونيك بهره مي جويد كه داراي قدرت و هوش مغز است .

الكترونيك قدرت ، جايگاه مهمي در تكنولوژي مدرن به خود اختصاص داده است و امروزه از ان در محصولات صنعتي با قدرت بالا مانند كنترل كننده هاي حرارت ،نور ، موتورها ، منابع تغذيه قدرت ، سيستم هاي محرك وسايل نقليه و سيستم هاي ولتاژ بالا (فشار قوي) با جريان مستقيم استفاده مي كنند . مشكل بتوان حد مرزي براي كاربرد الكترونيك قدرت تعين كرد ، بويژه باروند موجود در توسعه افزارهاي قدرت و ميكروپروسسورها ، حد نهايي الكترونيك قدرت نا مشخص است . جدول زير بعضي از كاربردهاي الكترونيك قدرت را نشان مي دهد .







تاريخچه الكترونيك قدرت

تاريخچه الكترونيك قدرت با ارائه يكسو ساز قوس جيوه اي ، در سال 1900 شروع شد . سپس ، به تدريج يكسو ساز تانك فلزي ، يكسو ساز لامپ خلاء با شبكه قابل كنترل ، اينگنيترون ، فانوترون ، و تايراترون ارائه شدند . تا دهه پنجاه براي كنترل قدرت از اين افزارها استفاده مي شد .

اولين انقلاب در صنعت الكترونيك با اختراع ترانزيستور سيليكوني در سال 1948 توسط باردين ، براتين ، و شاكلي ، درآزمايشگاه تلفن بل ، آ‎غاز شد . اغلب تكنولوژي هاي الكترونيك پشرفته امروزي مديون اين اختراع است . در طي سالها ، با رشد و تكامل نيمه هاديهاي سيليكوني ،‌ميكروالكترونيك جديد به وجود آمد . پيشرفت غير منتظره بعدي نيز ، در سال 1956 در آزمايشگاه بل به وقوع پيوست ، اختراع ترانزيستور تريگردار PNPN ، كه به تايريستور يا يكسوساز قابل كنترل سيليكوني (SCR) معروف شد .

انقلاب دوم الكترونيك در سال 1958 با ساخت تايريستور تجاري توسط كمپاني جنرال الكتريك ، شروع شد . اين آغاز عصر نويني در الكترونيك قدرت بود . از آن زمان ، انواع مختلف افزارهاي نيمه هادي قدرت و تكنيكهاي گوناگون تبديل قدرت ابداع شده است . انقلاب ميكروالكترونيك توانايي پردازش انبوهي از اطلاعات را با سرعتي باورنكردني به ما داده است . انقلاب الكترونيك قدرت ، امكان تغيير شكل و كنترل قدرتهاي بالا رابا راندمان فزاينده اي فراهم ساخته است .

امروزه با پيوند الكترونيك قدرت ، ماهيچه ، با ميكروالكترونيك ، مغز ، بسياري از كاربردهاي بالقوه الكترونيك قدرت ظهور مي كند و اين روند به طور مستمر ادامه خواهد يافت . در سي سال آينده الكترونيك قدرت انرژي الكتريكي را در هر نقطه از مسير انتقال، بين توليد و مصرف ،‌تغيير شكل مي دهد و به صورتي مناسبي تبديل مي كند . انقلاب الكترونيك قدرت از اواخردهه هشتاد و اوايل دهه نود تحرك تازه اي يافته است .

الكترونيك قدرت و محركهاي الكتريكي چرخان

از سالهاي 1950 به بعد تكاپوي شديدي در توسعه ، توليد ، و كاربرد وسايل نيمه هادي وجود داشته است . امروزه بيش از 100 ميليون وسيله در هر سال توليد مي شود و ميزان رشد آن بيشتر از 10 ميليون وسيله در سال است . اين تعداد به تنهايي مشخص كننده اهميت نيمه هاديها در صنايع الكتريكي است .

كنترل بلوكهاي بزرگ قدرت توسط نيمه هاديها از اوايل سال هاي 1960 شروع شد .بلوكهاي بزرگ قدرت كه قبلاً به چندين كيلو وات اطلاق مي شد ، امروزه متضمن چندين مگا وات است .

اينك توليد تعداد نيمه هاديهايي كه قادرند جرياني بيشتر از 5/7 آمپر از خود عبور دهند بالغ بر 5 ميليون در سال است كه ارزش كل انها در حدود 5/8 ميليون ليره استرلينك يا 20 ميليون دلار (و يا 5/1 ميليارد رسال ) است . نرخ رشد نيمه هاديهاي قدرت كه به تيريستور موسومند به پاي نرخ رشد ترانزيستور رسيده است .

عمده ترين جزء مدارهاي الكترونيك قدرت تريستور است ، و آن يك نيمه هادي سريعاً راه گزين است كه كاركردش مدوله كردن قدرت سيسمتهاي الكتريكي جريان مستقيم و جريان متناوب است . عناصر ديگر مورد استفاده در الكترونيك قدرت تمامي به منظور فرمان و محافظت تريستورها به كار گرفته مي شوند . مدوله كردن قدرت بين 100 وات تا 100 مگا وات با روشن و خاموش كردن تريستور با ترتيب زماني خاص امكان پذير است .

خانواده تيريستور كه يك گروهي از وسايل چهار لايه سيليكوني است ، مركب از ديود، تريود ، وتترود است . مهمترين كليد نيمه هادي قابل كنترل كه در كنترل قدرت به كار ميرود يكسو كننده قابل كنترل سيليكوني است ، كه يك كليد قدرت يك طرفه است ، و نيز ترياك كه به صورت يك كليد قدرت دو طرفه عمل كي كند.

كليدهاي فوق مي توانند در عمل يكسو سازي ، عمل تبديل جريان مستقيم به جريان متناوب و عمل تنظيم توان الكتريكي به كار گرفته شوند. جاي تعجب نيست كه مردم از ديدن كليدي به اندازه يك بند انگشت ولي با قابليت تبادل قدرتي نزديك به يك مگاوات برانگيخته شوند تيريستور اين چنين كليد است . اين كليد اصولاً يك ابزار دو حالتي (قطع و وصل) است ، لكن اگز از خروجي نسبت به زمان ميانگين گرفته شود مي تواند به طور خطي كنترل شود . لذابراي كنترل محركهاي الكتريكي مفيد است .

تيريستور به علت قابليت ارائه يك آمپدانس بي نهايت يا صفر در دو سر خروجي خود يك عنصر ايده ال براي واگردانها (مبدلها) محسوب مي شود . سيستم تيريستوري مي توان يك منبع قدرت نا مناسب را به يك منبع تغذيه مناسب تبديل كند . مثلاً ايجاد يك منبع تغذيه جريان مستقيم از يك منبع تغذيه جريان متناوب و يا به دست آوردن يك منبع تغذيه فركانس متغير از يك منبع فركانس ثابت ،تنوع زياد الكترونيك قدرت را نشان ميدهد .

محركهاي الكتريكي چرخان

يكي از مهمترين موارد استعمال الكترونيك قدرت كنترل محركهاي الكتريكي است . البته زمينه هاي كاربرد مهم ديگري نيز زا قبيل واگرداني معمولي قدرت الكتريكي (مبدلهاي جريان مستقيم به جريان متناوب و بالعكس ) ايجاد حرارت القايي (كوره هاي القايي) كنترل شدت نور (در لامپهاي الكتريكي )و گوش به زنگ نگه داشتن منابع تغذيه يدكي وجود دارد .

ولتاژ پايانه (ورودي )(محركهاي الكتريكي ) يكي از عمده ترين پارامترهاي تنظيم كردني است كه براي كنترل مشخصه هاي يك موتور، مورد استفاده قرار مي گيرد . مهمترين مشخصه مورد كنترل در موتورهاي الكتريكي سرعت است . قبل از اختراع تيريستور روشهاي مرسوم براي تنظيم سرعت افزودن مقاومت به خط و يا استفاده ازدستگاههاي موتور - ژنراتور بود . در اين روشها موتورهاي كموتاتوري مناسبتر و رضايتبخش تر بودند . گاهي نيز سيتم تغيير فركانس و يا تغيير قطب مورد استفاده قرار مي گرفتند . همچنين زماني يكسو كننده هاي جيوه اي و تقويت كننده هاي مغناطيسي در سيتهاي كنترل جايگاهي پيدا كردند، اما اكنون به نظر مي رسد كه فقط در موارد خاصي سيستمهاي كنترل تيريستوري نتوانسته اند جايگزين روشهاي كنترل قديمي شوند .

تيريستورها براي كنترل محركهاي الكتريكي ، از وسايل خانگي مثل مته برقي ، مخلوط كنها ، آسيابها و دستگاههاي تهويه گرفته تا سيستمهايي با محركهاي فركانس متغير مورد استفاده در كارخانه هاي نساجي ، به قدرت 5 مگا وات و يادستگاههاي كنترل شده با نيمه هادي براي تحريك توربو - آلترناتور ها در كارخانه هاي نورد فولاد به قدرتهاي 50 مگاوات مورد استفاده قرار گرفته اند .

محركهاي الكتريكي جريان مستقيم

موتور جريان مستقيم برغم اينكه جا به جا كن (كموتور ) دارد و از موتور جريان متناوب با موتور اسمي مشابه بزرگتر است ، ولي به علت اماكن وسيع كنترل سرعتش كه توسط كنترل ولتاژ ورودي آن صورت مي گيرد ، رايجتر است . به اين منظور منبع تغذيه به طور غير پيوسته به نحو موثري توسط مدار تيرستوري قطع و وصل مي شود. با تغيير نسبت زمان قطع به وصل منبع تغذيه مي توان مقدار متوسط ولتاژ را در پايانه هاي (دو سر ورودي ) موتور تنظيم كرد . فركانس قطع و وصل با كليد زني تيريستور به قدري سريع است كه موتور به جاي ضربه هاي تكي با مقدار متوسط ولتاژ كار مي كند .

در شكل زير براي مدوله كردن مقدار متوسط ولتاژ مستقيم در پايانه هاي موتور چهار روش نشان داده شده است . در دو روش اول منبع تغذيه جريان متناوب است و اين جريان توسط پل يكسو ساز قابل كنترل به جريان مستقيم تبديل مي شود. در روش كنترل سيكلي انتگرالي يك يا چند تا از نيم سيكلها درخروجي يكسو ساز در يك زمان حذف مي شوند . اين روش فقط در جريانهاي متناوب فركانس بالا براي اجتناب از نوسان موتور در حوالي سرعت متوسطش مناسب است . در اين روش ضريب قدرت بار الكتريكي مربوط به طرف a.c زيادي است .

رگولاتورهاي كاهنده

در رگولاتورهاي كاهنده متوسط ولتاژ خروجي Va كمتر از ولتاژ ورودي Vs است . بنابراين نام «كاهنده » بسيار مناسب است . اين نوع رگولاتور كاربرد زيادي دارد واين رگولاتور مشابه برشگر كاهنده است . كار مدار را مي توان به دو حالت تقسيم كرد . حالت 1 هنگامي آغاز مي شود كه ترانزيستور Q1 و t=0 روشن شود . جريان ورودي كه در حال افزايش است از طريق سلف فيلتر C و مقاومت بار جاري مي شود . حالت 2 وقتي شروع مي شود كه ترانزيستور Q1 و t=t1 خاموش شود . ديود هرز گرد Dm در اثر انرژي ذخيره شده در سلف هدايت مي كند و جريان سلف از طريق L,C بار ديود و Dm ادامه مي يابد . جريان سلف تا هنگامي كه ترانزيستور Q1 دوباره در سيكل بعدي روشن شود افت مي كند . بسته به فركانس سويچينگ سلف فيلتر و ظرفيت خازن جريان سلف مي تواند ناپيوسته باشد .

رگولاتورهاي كاهنده كه فقط به يك ترانزيستور احتياج دارد ساده است و راندمان بالايي بيش از 90 %دارد يلف L di.dt جريان بار را محدود مي كند . با وجود اين چون جريان ورودي ناپيوسته است معمولاً فيلتري در ورودي مورد نياز است . ولتاژ خروجي اين رگولاتور داراي يك پلاريته و جريان آن نيز يك طرفه است . در ضمن به دليل احتمال اتصال كوتاه شدن دو سر ديود نياز به مدار محافظ است .



رگولاتورهاي افزاينده

در رگولاتورهاي افزاينده ولتاژ خروجي بزرگتر از ولتاژ ورودي است . بنابراين نام «افزاينده » براي ان انتخاب شده است . كار مدار را مي توان به دو حالت تقسيم كرد . حالت 1 هنگامي آغاز مي شود كه ترانزيستور M1 در t=0 روشن شود . جريان ورودي كه در حال افزايش است از طريق سلف L و ترانزيستور Q1 جاري مي شود . حالت 2 وقتي شروع مي شود كه ترانزيستور M1 در t=t1 خاموش شود . جرياني كه از ترانزيستور عبور مي كرد حال از طريق L,C بار ديود Dm جاري مي شود . جريان سلف تا هنگامي كه كه ترانزيستور M1 دوباره در سيكل بعدي روشن شود افت مي كند . انرژي ذخيره شدهدر سلف L به بار منتقل مي شود .

رگولاتور افزاينده بدون ترانسفورمر مي تواند ولتاژ خروجي را افزايش دهد . اين رگولاتور به علت استفاده از يك ترانزيستور راندمان بالايي دارد . جريان ورودي پيوسته است . ولي بايد جرياني با پيك بالا از ترانزيستور قدرت عبور كند . ولتاژ خروجي نسبت به تغييرات دوره كار كرد K بسيار حساس است و اين باعث مشكل بودن تثبيت رگولاتور مي شود . متوسط جريان خروجي با ضريب (1-K) از متوسط جريان سلف كمتر است و مقدار موثر جريان عبوري از خازن فيلتر بسيارزياد است . اين امر باعث كاربرد فيلتر خازني و سلفي بزرگتري نسبت به خازن و سلف رگولاتور كاهنده مي شود .