تحقیق مقاله کاربرد الکترونیک قدرت

از سالها پیش ، نیاز به کنترل قدرت الکتریکی در سیستم های محرک موتورهای الکتریکی و کنترل کننده های صنعتی احساس می شد . این نیاز ، در ابتدا منجر به ظهور سیستم وارد - لئونارد شد که از آن می توان ولتاژ dc متغیری برای کنترل محرکهای موتورهای dc به دست آورد . الکترونیک قدرت ، انقلابی در مفهوم کنترل قدرت ، برای تبدیل قدرت و کنترل محرکهای موتورهای الکتریکی ، به وجود آورده است .

الکترونیک قدرت تلفیقی از الکترونیک ، قدرت و کنترل است . در کنترل ، مشخصات حالت پایدار و دینامیک سیستم های حلقه بسته بررسی می شود . در قدرت ، تجهیزات ساکن و گردان قدرت جهت تولید ، انتقال و توزیع قدرت الکتریکی مورد مطالعه قرار می گیرد . الکترونیک درباره قطعات حالت جامد و مدارهای پردازش سیگنال ، جهت دستیابی به اهداف کنترل مورد نظر تحقیق و بررسی می کند . می توان الکترونیک قدرت را چنین تعریف کرد : کاربرد الکترونیک حالت جامد برای کنترل و تبدیل قدرت الکتریکی .ارتباط متقابل الکترونیک قدرت با الکترونیک ، قدرت و کنترل در شکل نشان داده شده است .

(تصاویر در فایل اصلی موجود است )

الکترونیک قدرت مبتنی بر قطع و وصل افزارهای نیمه هادی قدرت .با توسعه تکنولوژی نیمه هادی قدرت ، توانایی در کنترل قدرت و سرعت و وصل افزارهای قدرت به طور چشمگیری بهبود یافته است . پیشرفت تکنولوژی میکروپرسسور / میکروکامپیوتر تاثیر زیادی روی کنترل و ابداع روشهای کنترل برای قطعات نیمه هادی قدرت داشته است . تجهیزات الکترونیک قدرت مدرن از (1) نیمه هادیهای قدرت استفاده می کند  که می توان آنها را مانند ماهیچه در نظر گرفت ، و (2) از میکروالکترونیک بهره می جوید که دارای قدرت و هوش مغز است .

الکترونیک قدرت ، جایگاه مهمی در تکنولوژی مدرن به خود اختصاص داده است و امروزه از ان در محصولات صنعتی با قدرت بالا مانند کنترل کننده های حرارت ،نور ، موتورها ، منابع تغذیه قدرت ، سیستم های محرک وسایل نقلیه و سیستم های ولتاژ بالا (فشار قوی) با جریان مستقیم استفاده می کنند . مشکل بتوان حد مرزی برای کاربرد الکترونیک قدرت تعین کرد ، بویژه باروند موجود در توسعه افزارهای قدرت و میکروپروسسورها ، حد نهایی الکترونیک قدرت نا مشخص است . جدول زیر بعضی از کاربردهای الکترونیک قدرت را نشان می دهد .

تاریخچه الکترونیک قدرت

تاریخچه الکترونیک قدرت با ارائه یکسو ساز قوس جیوه ای ، در سال 1900 شروع شد . سپس ، به تدریج یکسو ساز تانک فلزی ، یکسو ساز لامپ خلاء با شبکه قابل کنترل ، اینگنیترون ، فانوترون ، و تایراترون ارائه شدند . تا دهه پنجاه برای کنترل قدرت از این افزارها استفاده می شد .

اولین انقلاب در صنعت الکترونیک با اختراع ترانزیستور سیلیکونی در سال 1948 توسط باردین ، براتین ، و شاکلی ، درآزمایشگاه تلفن بل ، آ‎غاز شد . اغلب تکنولوژی های الکترونیک پشرفته امروزی مدیون این اختراع است . در طی سالها ، با رشد و تکامل نیمه هادیهای سیلیکونی ،‌میکروالکترونیک جدید به وجود آمد . پیشرفت غیر منتظره بعدی نیز ، در سال 1956 در آزمایشگاه بل به وقوع پیوست ، اختراع ترانزیستور تریگردار PNPN ، که به تایریستور یا یکسوساز قابل کنترل سیلیکونی (SCR)  معروف شد .

 انقلاب دوم الکترونیک در سال 1958 با ساخت تایریستور تجاری توسط کمپانی جنرال الکتریک ، شروع شد . این آغاز عصر نوینی در الکترونیک قدرت بود . از آن زمان ، انواع مختلف افزارهای نیمه هادی قدرت و تکنیکهای گوناگون تبدیل قدرت ابداع شده است . انقلاب میکروالکترونیک توانایی پردازش انبوهی از اطلاعات را با سرعتی باورنکردنی به ما داده است . انقلاب الکترونیک قدرت ، امکان تغییر شکل و کنترل قدرتهای بالا رابا راندمان فزاینده ای فراهم ساخته است .

امروزه با پیوند الکترونیک قدرت ، ماهیچه ، با میکروالکترونیک ، مغز ، بسیاری از کاربردهای بالقوه الکترونیک قدرت ظهور می کند و این روند به طور مستمر ادامه خواهد یافت . در سی سال آینده الکترونیک قدرت انرژی الکتریکی را در هر نقطه از مسیر انتقال، بین تولید و مصرف ،‌تغییر شکل می دهد و به صورتی مناسبی تبدیل    می کند . انقلاب الکترونیک قدرت از اواخردهه هشتاد و اوایل دهه نود تحرک تازه ای یافته است .

الکترونیک قدرت و محرکهای الکتریکی چرخان

از سالهای 1950 به بعد تکاپوی شدیدی در توسعه ، تولید ، و کاربرد وسایل نیمه هادی وجود داشته است . امروزه بیش از 100 میلیون وسیله در هر سال تولید می شود و میزان رشد آن بیشتر از 10 میلیون وسیله در سال است . این تعداد به تنهایی مشخص کننده اهمیت نیمه هادیها در صنایع الکتریکی است .

کنترل بلوکهای بزرگ قدرت توسط نیمه هادیها از اوایل سال های 1960 شروع شد .بلوکهای بزرگ قدرت که قبلاً به چندین کیلو وات اطلاق می شد ، امروزه متضمن چندین مگا وات است .

اینک تولید تعداد نیمه هادیهایی که قادرند جریانی بیشتر از 5/7 آمپر از خود عبور دهند بالغ بر 5 میلیون در سال است که ارزش کل انها در حدود 5/8 میلیون لیره استرلینک یا 20 میلیون دلار (و یا 5/1 میلیارد رسال ) است . نرخ رشد نیمه هادیهای قدرت که به تیریستور موسومند به پای نرخ رشد ترانزیستور رسیده است .

عمده ترین جزء مدارهای الکترونیک قدرت تریستور است ، و آن یک نیمه هادی سریعاً راه گزین است که کارکردش مدوله کردن قدرت سیسمتهای الکتریکی جریان مستقیم و جریان متناوب است . عناصر دیگر مورد استفاده در الکترونیک قدرت تمامی به منظور فرمان و محافظت تریستورها به کار گرفته می شوند . مدوله کردن قدرت بین 100 وات تا 100 مگا وات با روشن و خاموش کردن تریستور با ترتیب زمانی خاص امکان پذیر است .

خانواده تیریستور که یک گروهی از وسایل چهار لایه سیلیکونی است ، مرکب از دیود، تریود ، وتترود است . مهمترین کلید نیمه هادی قابل کنترل که در کنترل قدرت به کار میرود یکسو کننده قابل کنترل سیلیکونی است ، که یک کلید قدرت یک طرفه است ، و نیز تریاک که به صورت یک کلید قدرت دو طرفه  عمل کی کند.

کلیدهای فوق می توانند در عمل یکسو سازی ، عمل تبدیل جریان مستقیم به جریان متناوب و عمل تنظیم توان الکتریکی به کار گرفته شوند. جای تعجب نیست که مردم از دیدن کلیدی به اندازه یک بند انگشت ولی با قابلیت تبادل قدرتی نزدیک به یک مگاوات برانگیخته شوند تیریستور این چنین کلید است . این کلید اصولاً یک ابزار دو حالتی (قطع و وصل) است ، لکن اگز از خروجی نسبت به زمان میانگین گرفته شود می تواند به طور خطی کنترل شود . لذابرای کنترل محرکهای الکتریکی مفید است .

تیریستور به علت قابلیت ارائه یک آمپدانس بی نهایت یا صفر در دو سر خروجی خود یک عنصر ایده ال برای واگردانها (مبدلها) محسوب می شود . سیستم تیریستوری     می توان یک منبع قدرت نا مناسب را به یک منبع تغذیه مناسب تبدیل کند . مثلاً ایجاد یک منبع تغذیه جریان مستقیم از یک منبع تغذیه جریان متناوب و یا به دست آوردن یک منبع تغذیه فرکانس متغیر از یک منبع فرکانس ثابت ،تنوع زیاد الکترونیک قدرت را نشان میدهد .

محرکهای الکتریکی چرخان

یکی از مهمترین موارد استعمال الکترونیک قدرت کنترل محرکهای الکتریکی است . البته زمینه های کاربرد مهم دیگری نیز زا قبیل واگردانی معمولی قدرت الکتریکی (مبدلهای جریان مستقیم به جریان متناوب و بالعکس ) ایجاد حرارت القایی (کوره های القایی) کنترل شدت نور (در لامپهای الکتریکی )و گوش به زنگ نگه داشتن منابع تغذیه یدکی وجود دارد .

ولتاژ پایانه (ورودی )(محرکهای الکتریکی ) یکی از عمده ترین پارامترهای تنظیم کردنی است که برای کنترل مشخصه های یک موتور، مورد استفاده قرار می گیرد . مهمترین مشخصه مورد کنترل در موتورهای الکتریکی سرعت است . قبل از اختراع تیریستور روشهای مرسوم برای تنظیم سرعت افزودن مقاومت به خط و یا استفاده ازدستگاههای موتور - ژنراتور بود . در این روشها موتورهای کموتاتوری مناسبتر و رضایتبخش تر بودند . گاهی نیز سیتم تغییر فرکانس و یا تغییر قطب مورد استفاده قرار می گرفتند . همچنین زمانی یکسو کننده های جیوه ای و تقویت کننده های مغناطیسی در سیتهای کنترل جایگاهی پیدا کردند، اما اکنون به نظر می رسد که فقط در موارد خاصی سیستمهای کنترل تیریستوری نتوانسته اند جایگزین روشهای  کنترل قدیمی شوند .

تیریستورها برای کنترل محرکهای الکتریکی ، از وسایل خانگی مثل مته برقی ، مخلوط کنها ، آسیابها و دستگاههای تهویه گرفته تا سیستمهایی با محرکهای فرکانس متغیر مورد استفاده در کارخانه های نساجی ، به قدرت 5 مگا وات و یادستگاههای کنترل شده با نیمه هادی برای تحریک توربو - آلترناتور ها در کارخانه های نورد فولاد به قدرتهای 50 مگاوات مورد استفاده قرار گرفته اند .

محرکهای الکتریکی جریان مستقیم

موتور جریان مستقیم برغم اینکه جا به جا کن (کموتور ) دارد و از موتور جریان متناوب با موتور اسمی مشابه بزرگتر است ، ولی به علت اماکن وسیع کنترل سرعتش که توسط کنترل ولتاژ ورودی آن صورت می گیرد ، رایجتر است . به این منظور منبع تغذیه به طور غیر پیوسته به نحو موثری توسط مدار تیرستوری قطع و وصل می شود. با تغییر نسبت زمان قطع به وصل منبع تغذیه می توان مقدار متوسط ولتاژ را در پایانه های (دو سر ورودی ) موتور تنظیم کرد . فرکانس قطع و وصل با کلید زنی تیریستور به قدری سریع است که موتور به جای ضربه های تکی با مقدار متوسط ولتاژ کار     می کند .

در شکل زیر برای مدوله کردن مقدار متوسط ولتاژ مستقیم در پایانه های موتور چهار روش نشان داده شده است . در دو روش اول منبع تغذیه جریان متناوب است و این جریان توسط پل یکسو ساز قابل کنترل  به جریان مستقیم تبدیل می شود. در روش کنترل سیکلی انتگرالی یک یا چند تا از نیم سیکلها درخروجی یکسو ساز در یک زمان حذف می شوند . این روش فقط در جریانهای متناوب فرکانس بالا برای اجتناب از نوسان موتور در حوالی سرعت متوسطش مناسب است . در این روش ضریب قدرت بار الکتریکی مربوط به طرف a.c زیادی است .

(تصاویر و نمودار در فایل اصلی موجود است)