تحقیق مقاله کلید های کنترل ولتاژ

کلیدهای کنترل ولتاژ

با توسعه روزافزون شبکه­های قدرت در دنیا مباحثی از قبیل تبدیل انرژی ، انرژیهای نوین ، کاربردهای مختلف سیستمهای ساخت دست بشر در صنعت و ارتباط این موارد باهم باعث شده تا موضوع مهندسی قدرت به عنوان یکی از شاخه­های بزرگ و برجسته در میان دریای علوم خود را تجلی کند. امروزه در اکثر جاهایی از دنیا که تمدنی وجود داشته باشد می­توان نفوذ شبکه­های قدرت را دید.

در این میان مبحث الکترونیک قدرت یکی از مهمترین شاخه­های این علم می­باشد. ادوات الکترونیک قدرت امروزه در انواع مختلف و برای کاربردهای گوناگونی ساخته شده­اند. از آن جمله می­توان به رکتیفایر­ها ،تنظیم­کننده­های AC-AC ، برشگرهای ولتاژ وجریان ، اینورترها ، منابع تغذیه و .... اشاره کرد. از این بین اینورترها به عنوان یکی ازمهمترین و پرکاربردترین این ادوات مورد نظر می­باشند. کاربردهای گوناگون اینورترها از جمله سیستمهای تبدیل DC به AC در مواردی همچون انرژیهای نوین، درایو ماشینهای الکتریکی،ادوات FACTS و .... مورد بحث روز می­باشد.

مروری بر اینورترها

بسته به نوع کاربرد ، نوع کلید ، نوع شبکه که اینورتر به آن وصل می شود و... اینورترهای مختلفی مورد استفاده قرار می گیرند. در این قسمت به بررسی کوتاهی راجع به این انواع می­پردازیم.

در حالت کلی از لحاظ نوع تغذیه اینورتر و باری که اینورتر انرا تغذیه می کند ، می توان اینورترها را به دو گروه زیر تفسیم کرد :

اینورترهای منبع ولتاژ VSI .

اینورترهای منبع جریان CSI.

اینورترهای منبع جریان بیشتر در کاربردهای درایوهای ماشینهای بزرگ صنعتی کاربرد دارند یا در جاهائی که بحث توان بالا وجود دارد در این اینورترها ورودی DC اینورتر جریان می باشد و خروجی AC سینوسی آن ولتاژ . اما اینورترهای منبع ولتاژی برعکس می باشد یعنی ورودی DC ولتاژ و خروجی AC سینوسی جریان می باشد . در هر دو این اینورترها توان قابلیت انتقال در هر دو سمت را دارا می باشد یعنی در صورتی که ولتاژ و جریان هم علامت باشند سیستم بصورت اینورتر و در صورتی که مختلف العلامت باشند سیستم بصورت رکتیفایر عمل می کند.

از لحاظ نوع شبکه متصل به اینورتر می توان آنها را به دو دسته زیر تقسیم کرد :

اینورترهای حقیقی

اینورترهای مجازی

اگر شبکه ای که اینورتر به آن وصل می باشد یک شبکه اکتیو باشد مثل کاربردهای تولید انرژی های نوین و HVDC در این صورت اینورتر یک اینورتر مجازی می باشد یعنی اینورتر در حقیقت یک مبدل پل تریستوری با زاویه آتش بزرگتر از 90 درجه خواهد بود . اما در صورتی که این شبکه پسیو باشد اینورتر یک اینورتر حقیقی بوده و عمل تبدیل مستقیم DC به AC را انجام می دهد.

از لحاظ نوع کموتاسیون می­توان به دو دسته­بندی زیر رسید :

اینورترهای با کموتاسیون طبیعی ، کموتاسیون خط.

اینورترهای با کموتاسیون اجباری

کموتاسیون طبیعی بیشتر در سیستمهای متصل به شبکه استفاده می­گردد لیکن در کموتاسیون اجباری از طریق مدار جانبی کموتاسیون صورت می­گیرد.

از لحاظ نوع شبکه نیز می­توان تقسیم بندی زیر را انجام داد :

اینورترهای تک فاز.

اینورترهای سه فاز.

که در واقع به نوع بار و نوع کاربرد بستگی دارند خود اینورترهای تک فاز نیز دارای انواع مختلفی می­باشند مانند اینورترهای نیم موج ، تمام موج و پوش پول که هر کدام در کاربردهای مخصوصی مورد استفاده دارند .

همچنین از بابت نوع مدار تحریک عناصر کلیدی می توان اینورترها را به انواع زیر تقسیم بندی کرد:

اینورترهای موج مربعی که در این انواع عمل کنترل ولتاژ از طریق رکتیفایر کنترل می­گردد تا اینکه دامنه موج AC خروجی را کنترل کند و اینورتر فقط عمل کنترل فرکانس را انجام می دهد . شکل موج خروجی در این حالت مربعی می باشد. 

اینورترهای با مدولاسیون پالسی: در این سیستمها رکتیفایر معمولا بصورت دیودی بوده و عمل کنترل ولتاژ و فرکانس فقط توسط اینورتر صورت می­گیرد . این کار از طریق اعمال الگوهای مختلف پالس به کلیدهای اینورتر صورت می­گیرد . الگوهای مختلفی برای نزدیک تر کردن سیگنال خروجی به فرم سینوسی وجود دارند از جمله: PWM,SPWM,PAM,SVM,... که هرکدام درکاربردهای بخصوصی استفاده می­گردند.

از سوی دیگر می توان تقسیم­بندی را از لحاظ تعداد سطوح سیگنال خروجی انجام داد:

اینورترهای دو سطحی: در این سیستمها شکل موج خروجی دارای دو سطح خروجی مثبت و منفی می­باشد.

اینورترهای سه سطحی: که در این سیسستمها علاوه بر دو سطح قبلی شکل موج سطح صفر نیز مابین آنها اضافه می­گردد. این کار با انجام عمل حذف ولتاژی در اینورترها صورت می­گیرد.

اینورترهای چند سطحی: در این انواع از اینورترهائی با تعداد چند عنصر کلیدی در هر بازوی پل استفاده می­گردد که با ترکیب مناسب این عناصر باهم می توان به چندین سطح در سیگنال خروجی رسید. این عمل را با اتصال موازی اینورترها نیز می توان انجام داد . فایده این عمل در کاهش ابعاد سیستم فیلترینگ می­باشد.

اما انواع دیگری از اینورترهای پرکاربرد در صنعت وجود دارند که بیشتر برای کاربردهای فرکانس بالا استفاده می­گردند و با نام اینورترهای تشدیدی خوانده می شوند.

در این اینورترها کلید زنی عناصر در لحظه صفر شدن ولتاژ یا جریان صورت می­گیرد. لذا کاهش قابل ملاحظه ای در مقدار تلفات سویچینگ بوجود می­آورد. این اینورترها به دو دسته زیر تقسیم می گردند.:

1-اینورترهای با تشدید بار : در این نوع مبدلها از یک بار LC برای ایجاد رزونانس استفاده می شود . لیکن بسته به مقادیر مختلف در مقدار ضریب میرایی و فرکانس اینورتر ؛ این سیستمها می­توانند حالتهای مختلف عملکردی داشته باشند که هریک برای کاربرد خاصی استفاده می­گردند. خود این اینورترها دو نوع می باشند

- اینورترهای تشدیدی با مدار تشدید سری: که در این انواع از یک سیستم رزونانسی سری در خروجی اینورتر به همراه بار استفاده می­گردد و وجود سلف سری باعث پیوستگی در جریان خروجی خواهد شد. لذا این اینورتر بایستی از طریق یک منبع ولتاژ تغذیه گردد یعنی یک اینورتر منبع ولتاژ می باشد

- اینورترهای تشدیدی با مدار تشدید موازی: که در این انواع از یک سیستم رزونانسی موازی در خروجی اینورتر به همراه بار استفاده می­گردد و وجود خازن موازی باعث پیوستگی در ولتاژ خروجی خواهد شد. لذا این اینورتر بایستی از طریق یک منبع جریان تغذیه گردد یعنی یک اینورتر منبع جریان می باشد

2-اینورترهای با لینک DC تشدیدی: در این سیستمها به ولتاژ DC ورودی به اینورتر اجازه داده می­شود تا حول یک مقدار ثابت نوساناتی را داشته باشد ، معمولا بین صفر و یک مقدار مثبت، در این حالت ولتاژ ورودی طی زمان محدودی صفر می ماند و اجازه سویچینگ در این لحظات به کلیدهای اینورتر داده می­شود.

رله های الکترو مغناطیسی (EMR )
رله ها بدون شک یکی از پر استفاده ترین ادوات کنترل در وضعیت می باشند . یک رله کلیدی است که به طریق الکتریکی عمل می نماید . رله به دو دسته تقسیم می گردند : رله های کنترل رله های قدرت . همچنین رله های خاص بیشتری موجود می باشند . رله های کنترل همان که از اسمشان پیداست برای کنترل مدارات قدرت پائین ویا دیگر رله ها پر استفاده ترین هستند . رله های کنترل در مدارات رله اتوماتیک به طور معمول یافت می شوند و در جائی است که یک سیگنال کوچک الکتریکی یک عکس العمل زنجیری متوالی توابع مختلف رله ها را قطع می نماید .
رله های قدرت گاهی اوقات کنتاکنور نامیده می شوند . رله قدرت ، اسب کار سیستم های الکتریکی بزرگ است . رله قدرت مقادیر بزرک قدرت را کنترل می نماید اما خودش با یک سطح قدرت کوجک و مطمئن عمل می نماید .بعلاوه برای افزایش اطمینان ، رله های قدرت هزینه  را کاهش میدهند چرا که سیم های کنترل سبک از کلید کنترل به بوبین کنتاکتور قدرت وصل می گردند . رله های قدرت و کنترل یکسان دارای یک بوبین پیچیده شده دور یک هسته آهنی ، یک مجموعه از کنتاکت های ثابت و متحرک و بدنه می باشد .یک کلید معمولاً برای قطع و وصل جریان بوبین به کار می رود . وقتی جریان از بوبین عبور کند یک میدان مغناطیسی قوی ایجاد می گردد . این الکنرو مغناطیس هسته را می کشد و کنتاکت رله را برای ارتباط کنتاکت ثابت به پائین حرکت می دهد . حرکت فیزیکی هسته تنها با عبور جریان از بوبین واقع می شود . هر تعداد کنتاکت می تواند در یک رله ساخته شود . بنابراین یک رله می تواند مدارات مختلفی را در یک زمان کنترل نماید.
 

همانند کلید ها، کنتاکت های رله دارای حداکثر نرخ ولتاژ و جریان می باشند . اگر ابن نرخ ها افزایش داده شوند عمر کنتاکت شدیداً کاهش می یابد . رله ها همچنین دارای نرخ ولتاژ و جریان کمکی هستند . جریان کمکی مقدار جریان مورد نیاز بوبین برای عملکرد رله است . ولتاژ کمکی ولتاژ مورد نیاز برای تولید آن جریان می باشد .معمولاً ولتاژ اعمال شده حالت پایدار به بوبین رله یک چیز بیشتر از ولتاژ کمکی است . این وضعیت جریان کافی را برای عمل رله وقتی تحت نوسان واقع می شود مطمئن می سازد .
در رله های بزرگ جریان کمکی گاهی اوقات جریان گذرا   نامیده می شود . وقتی بوبین بدون انرژی می گردد و هسته کشیده نمی شود ، فاصله هوای بزرگی در مدار مغناطیسی وجود دارد . فاصله هوائی موجب می گردد که امپدانس بوبین کم شود . وقتی که ولتاژ به بوبین اعمال گردد ، اجازه برقراری جریان زیادی را می دهد . همانطور که هسته به ترکیب مغناطیسی نزدیکتر می گردد ، فاصله هوائی کوچکتر شده و کاهش فاصله هوائی باعث افزایش امپدانس بوبین می گردد.
امپدانس بوبین موقعی به حد اکثر خود می رسد که هسته درست در جای خود قرار گرفته باشد. وقتی که هسته درست در جای خود قرار گرفت جریان نهائی جریان پایدار شده   نامیده می شود . جریان بزرگتر وقتی که ابتدا بوبین تحریک می گردد جریان گذرا می باشد . جریان گذرا معمولاً 6 تا 10 برابر جریان پایدار است . نسبت واقعی جریان پایدار به جریان گذرا بستگی به طراحی رله دارد.
رله عمل متناوب یعنی تنها برای یک دوره بخصوصی از زمان تحریک می گردد. در خلال زمان رله خاموش بوده و بوبین انرژی گرمایی ایجاد شده را در زمان عبور جریان از بوبین تلف می نماید .
بسیاری کاربردهای صنعتی نیازمند این هستند که راه اندازی بدور از اپراتور واقع گردد . اما این امر با راه اندازی دستی امکان پذیر نیست . همچنین خیلی پردازش ها به کنترل اتوماتیک موتور ها نیازمندند و بدین منظور راه انداز دستی جوابگو نیست .
بدین لحاظ در این کاربرد ها ، راه اندازهای مغناطیسی موتور مورد استفاده قرار می گیرند.
راه اندازهای مغناطیسی  معمولاً رله هایی هستند که با تغییر در اصول  کار می کنند . عبور جریان از یک الکترومغناطیس تولید یک میدان مغناطیسی را می نماید . میدان ، هسته متحرک را جذب نموده و آنرا بالا می کشد . کنتاکت های رله به هسته متصل گشته و وقتی هسته کشیده شد بسته می گردند . همانند رله های ذکر شده ، راه انداز مغناطیسی موتور دارای یک ولتاژ و جریان کمکی می باشد که بزرگتر از مقدار مورد نیاز برای تحریک کردن راه انداز است .

اجزای مدارهای کنترل و راه اندازی

کنتاکتور :

   تا قبل از ساخته شدن کنتاکتور ، اتصالات توسط کلیدهای دستی انجام میگرفت که از انواع مختلف تیغه ای ، زبانه ای و غلطکی بودند که هر کدام مزایایی نسبت به هم دارند .

کلیدهای تیغه ای (اهرمی) :

 دارای ساختمان بسیار ساده ای هستند و به صورت کشویی و گردان ساخته میشوند مقدار جریان قطع و وصل توسط این کلیدها بسیار محدود میباشد چرا که در جریانهای بالا قوص بین دو نقطه ایجاد شده و حتی موجب ذوب تیغه ها میشود و در هنگام وصل یا قطع نیز جرقه شدیدی ایجاد میکند .
کلید غلطکی :

 ساختمان این کلیدها از یک استوانه عایق تشکیل شده است که توسط کلید حول یک محور به حرکت در می آید . در محلهای مناسب نوارهای هادی بر روی استوانه عایق تعبیه شده است . این کلید نسبت به کلید تیغه ای یک مزیت بزرگ دارد و آن هم اینکه میتوان برای این کلید کار مخصوصی را تعریف کرد و با یک حرکت چندین اتصال را به صورت هم زمان انجام داد .

کلید زبانه ای :

در کلید غلطکی به علت تماس اصطکاکی بین صفحات ، استهلاک کلید بالا است و به همین دلیل از کلید زبانه ای که دارای خصوصیت طراحی است و علاوه بر آن کنتاکتهای آن به صورت عمودی بر روی همدیگر قرار میگیرند استفاده میشود . به دلیل عدم مالش بین دو کنتاکت استهلاک کلید پایین است .

اما با به میدان آمدن کنتاکتور ها تقریباً تمام مصارف کلیدهای ساده از رده خارج شده و کنتاکتور با سرعت و اطمینان بیشتر این میدانها را به دست گرفت . کنتاکتور نسبت به کلیدهای ساده دارای خصوصیات بهتری میباشد که در ادامه آورده شده است :

1- فرمان از چند نقطه
2- فرمان از راه دور
3- تلفات و استهلاک پایین
4- سرعت و امکان گسترش مدار
5- قطع اتوماتیک در صورت قطع برق شبکه
6- اقتصادی بودن