تحقیق بررسی کاربرد الکترونیک قدرت،مدارهای برشگر چرخان در 23 صفحه ورد قابل ویرایش

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 .





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 .

متوسط ولتاژ خروجی از رابطه زیر بدست می آید :

و متوسط جریان بار Ia= Va/R = KVs/R که T دوره تناوب برش ، K=t1/T کارکرد برشگر و f فرکانس برش است . فرکانس برش F (یا دوره تناوب برش t) ثابت نگه داشته می شود و زمان روشن بودن ، t1 ، تغییر داده می شود . پهنای پالس تغییر می کند و این نوع کنترل مدولاسیون عرض پالس (PWM) نامیده می شود .

فرکانس برش f تغییر می کند. زمان روشن بودن ، t1 ، یا زمان خاموش بودن ، t2 ثابت نگهداشته می شود . این روش مدولاسیون فرکانس نامیده می شود . فرکانس باید در محدوده وسیعی تغییر داده شود تا محدوده کامل ولتاژ خروجی حاصل شود . این روش کنترل باعث ایجاد هارمونیکهای در فرکانسهای غیر قابل پیش بینی می شود و طراحی فیلترها مشکل خواهد بود .

کار برشگر را می توان به دو حالت تقسیم کرد . در حالت 1 برشگر روشن می شود و جریان از منبع تغذیه به بار جاری می شود . در حالت 2 برشگر خاموش می شود و جریان بار از طریق دیود هرز گرد Dm جاری می شود . مدارهای معادل برای این دو حالت در شکل زیر الف نشان داده شده است . شکل موجهای جریان بار و ولتاژ خروجی در شکل زیر ب نشان داده شده است .

اگر زمان خاموشی بویژه در فرکانس پایین و ولتاژ خروجی کم طولانی باشد ، جریان بار ممکن است ناپیوسته شود . جریان بار هنگامی پیوسته خواهد بود که L/R>>T یا Lf>> R باشد .

اصول کار افزایش

از برشگر می توان برای افزایش ولتاژ dc استفاده کرد و آرایش مداری کار افزایش در شکل الف نشان داده شده است . هنگامی که سوئیچ SW به مدت t1 بسته می شود ، جریان سلف افزایش می یابد و انرژی در سلف L ذخیره می شود . اگر سوئیچ به مدت t2 باز بماند ، انرژی ذخیره شده در سلف از طریق دیود D1 به بار منتقل می شود . و جریان سلف افت می کند . با فرض پیوسته بودن جریان ، شکل موج جریان سلف در شکل پائین ب نشان داده شده است .



هنگامی که برشگر روشن می شود ولتاژ دو سر سلف عبات است از :

اگر خازن بزرگ CL همانطور که در شکل بالا الف با خط چین نشان داده شده است ، به دو سربار وصل شود ، ولتاژ خروجی پیوسته خواهد بود و V0 همان مقدار متوسط Va را خواهد داشت .

ولتاژ دو سر بار را می توان با تغییر دوره کارکرد K افزایش داد و حداقل ولتاژ خروجی ، هرگاه K=0 باشد ، برابر Vs است . اما برشگر نمی تواند به طور مداوم روشن باشد تا K=1 شود . به ازای مقادیر K که به سمت یک میل کند ، ولتاژ خروجی بسیار بزرگ و همانطور که در شکل بالا ج نشان داده شده است به تغییرات K بسیار حساس می شود .

پارامترهای عملکرد

افزارهای نیمه هادی قدرت احتیاج به حداقل زمانی برای روشن و خاموش شدن دارند . بنابراین دوره کارکرد K را فقط می توان بین حداقل Kmin و مقدار حداکثر Kmax کنترل کرد ، و بدین طریق حداقل و حداکثر ولتاژ خروجی محدود می شود . فرکانس سویچینگ برشگر نیز محدود می شود . ضربان جریان بار به طور معکوس به فرکانس برش f بستگی دارد . فرکانس بایستی تا حد ممکن بالا باشد تا ریپل جریان بار را کاهش دهد و اندازه سلف اضافی سری در مدار بار را به حداقل برساند .





طبقه بندی برشگر

برشگرها را می توان بر حسب جهت عبور جریان و ولتاژ به پنچ نوع زیر طبقه بندی کرد :

برشگر کلاس A

برشگر کلاس B

برشگر کلاس C

برشگر کلاس D

برشگر کلاس E

برشگر کلاس A :جریان بار به داخل بار جاری می شود . همانطور که در شکل نشان الف داده شده است ولتاژ و جریان بار هر دو مثبت هستند . این برشگر یک ربعی است و مانند یکسو ساز عمل می کند .