تحقیق بررسی كاربرد الكترونیك قدرت،مدارهای برشگر چرخان

دسته بندي : فنی و مهندسی » برق، الکترونیک، مخابرات
تحقيق بررسي كاربرد الكترونيك قدرت،مدارهاي برشگر چرخان 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 .

متوسط ولتاژ خروجي از رابطه زير بدست مي آيد :

و متوسط جريان بار Ia= Va/R = KVs/R كه T دوره تناوب برش ، K=t1/T كاركرد برشگر و f فركانس برش است . فركانس برش F (يا دوره تناوب برش t) ثابت نگه داشته مي شود و زمان روشن بودن ، t1 ، تغيير داده مي شود . پهناي پالس تغيير مي كند و اين نوع كنترل مدولاسيون عرض پالس (PWM) ناميده مي شود .

فركانس برش f تغيير مي كند. زمان روشن بودن ، t1 ، يا زمان خاموش بودن ، t2 ثابت نگهداشته مي شود . اين روش مدولاسيون فركانس ناميده مي شود . فركانس بايد در محدوده وسيعي تغيير داده شود تا محدوده كامل ولتاژ خروجي حاصل شود . اين روش كنترل باعث ايجاد هارمونيكهاي در فركانسهاي غير قابل پيش بيني مي شود و طراحي فيلترها مشكل خواهد بود .

كار برشگر را مي توان به دو حالت تقسيم كرد . در حالت 1 برشگر روشن مي شود و جريان از منبع تغذيه به بار جاري مي شود . در حالت 2 برشگر خاموش مي شود و جريان بار از طريق ديود هرز گرد Dm جاري مي شود . مدارهاي معادل براي اين دو حالت در شكل زير الف نشان داده شده است . شكل موجهاي جريان بار و ولتاژ خروجي در شكل زير ب نشان داده شده است .

اگر زمان خاموشي بويژه در فركانس پايين و ولتاژ خروجي كم طولاني باشد ، جريان بار ممكن است ناپيوسته شود . جريان بار هنگامي پيوسته خواهد بود كه L/R>>T يا Lf>> R باشد .

اصول كار افزايش

از برشگر مي توان براي افزايش ولتاژ dc استفاده كرد و آرايش مداري كار افزايش در شكل الف نشان داده شده است . هنگامي كه سوئيچ SW به مدت t1 بسته مي شود ، جريان سلف افزايش مي يابد و انرژي در سلف L ذخيره مي شود . اگر سوئيچ به مدت t2 باز بماند ، انرژي ذخيره شده در سلف از طريق ديود D1 به بار منتقل مي شود . و جريان سلف افت مي كند . با فرض پيوسته بودن جريان ، شكل موج جريان سلف در شكل پائين ب نشان داده شده است .



هنگامي كه برشگر روشن مي شود ولتاژ دو سر سلف عبات است از :

اگر خازن بزرگ CL همانطور كه در شكل بالا الف با خط چين نشان داده شده است ، به دو سربار وصل شود ، ولتاژ خروجي پيوسته خواهد بود و V0 همان مقدار متوسط Va را خواهد داشت .

ولتاژ دو سر بار را مي توان با تغيير دوره كاركرد K افزايش داد و حداقل ولتاژ خروجي ، هرگاه K=0 باشد ، برابر Vs است . اما برشگر نمي تواند به طور مداوم روشن باشد تا K=1 شود . به ازاي مقادير K كه به سمت يك ميل كند ، ولتاژ خروجي بسيار بزرگ و همانطور كه در شكل بالا ج نشان داده شده است به تغييرات K بسيار حساس مي شود .

پارامترهاي عملكرد

افزارهاي نيمه هادي قدرت احتياج به حداقل زماني براي روشن و خاموش شدن دارند . بنابراين دوره كاركرد K را فقط مي توان بين حداقل Kmin و مقدار حداكثر Kmax كنترل كرد ، و بدين طريق حداقل و حداكثر ولتاژ خروجي محدود مي شود . فركانس سويچينگ برشگر نيز محدود مي شود . ضربان جريان بار به طور معكوس به فركانس برش f بستگي دارد . فركانس بايستي تا حد ممكن بالا باشد تا ريپل جريان بار را كاهش دهد و اندازه سلف اضافي سري در مدار بار را به حداقل برساند .





طبقه بندي برشگر

برشگرها را مي توان بر حسب جهت عبور جريان و ولتاژ به پنچ نوع زير طبقه بندي كرد :

برشگر كلاس A

برشگر كلاس B

برشگر كلاس C

برشگر كلاس D

برشگر كلاس E

برشگر كلاس A :جريان بار به داخل بار جاري مي شود . همانطور كه در شكل نشان الف داده شده است ولتاژ و جريان بار هر دو مثبت هستند . اين برشگر يك ربعي است و مانند يكسو ساز عمل مي كند .