کلیدهای کنترل ولتاژ

با توسعه روزافزون شبكه¬هاي قدرت در دنيا مباحثي از قبيل تبديل انرژي ، انرژيهاي نوين ، كاربردهاي مختلف سيستمهاي ساخت دست بشر در صنعت و ارتباط اين موارد باهم باعث شده تا موضوع مهندسي قدرت به عنوان يكي از شاخه¬هاي بزرگ و برجسته در ميان درياي علوم خود را تجلي كند. امروزه در اكثر جاهايي از دنيا كه تمدني وجود داشته باشد مي¬توان نفوذ شبكه¬هاي قدرت را ديد.

در اين ميان مبحث الكترونيك قدرت يكي از مهمترين شاخه¬هاي اين علم مي¬باشد. ادوات الكترونيك قدرت امروزه در انواع مختلف و براي كاربردهاي گوناگوني ساخته شده¬اند. از آن جمله مي¬توان به ركتيفاير¬ها ،تنظيم¬كننده¬هاي AC-AC ، برشگرهاي ولتاژ وجريان ، اينورترها ، منابع تغذيه و …. اشاره كرد. از اين بين اينورترها به عنوان يكي ازمهمترين و پركاربردترين اين ادوات مورد نظر مي¬باشند. كاربردهاي گوناگون اينورترها از جمله سيستمهاي تبديل DC به AC در مواردي همچون انرژيهاي نوين، درايو ماشينهاي الكتريكي،ادوات FACTS و …. مورد بحث روز مي¬باشد.

مروري بر اينورترها
بسته به نوع كاربرد ، نوع كليد ، نوع شبكه كه اينورتر به آن وصل مي شود و… اينورترهاي مختلفي مورد استفاده قرار مي گيرند. در اين قسمت به بررسي كوتاهي راجع به اين انواع مي¬پردازيم.
در حالت كلي از لحاظ نوع تغذيه اينورتر و باري كه اينورتر انرا تغذيه مي كند ، مي توان اينورترها را به دو گروه زير تفسيم كرد :
• اينورترهاي منبع ولتاژ VSI .
• اينورترهاي منبع جريان CSI.

اينورترهاي منبع جريان بيشتر در كاربردهاي درايوهاي ماشينهاي بزرگ صنعتي كاربرد دارند يا در جاهائي كه بحث توان بالا وجود دارد در اين اينورترها ورودي DC اينورتر جريان مي باشد و خروجي AC سينوسي آن ولتاژ . اما اينورترهاي منبع ولتاژي برعكس مي باشد يعني ورودي DC ولتاژ و خروجي AC سينوسي جريان مي باشد . در هر دو اين اينورترها توان قابليت انتقال در هر دو سمت را دارا مي باشد يعني در صورتي كه ولتاژ و جريان هم علامت باشند سيستم بصورت اينورتر و در صورتي كه مختلف العلامت باشند سيستم بصورت ركتيفاير عمل مي كند.
از لحاظ نوع شبكه متصل به اينورتر مي توان آنها را به دو دسته زير تقسيم كرد :
• اينورترهاي حقيقي
• اينورترهاي مجازي
اگر شبكه اي كه اينورتر به آن وصل مي باشد يك شبكه اكتيو باشد مثل كاربردهاي توليد انرژي هاي نوين و HVDC در اين صورت اينورتر يك اينورتر مجازي مي باشد يعني اينورتر در حقيقت يك مبدل پل تريستوري با زاويه آتش بزرگتر از ۹۰ درجه خواهد بود . اما در صورتي كه اين شبكه پسيو باشد اينورتر يك اينورتر حقيقي بوده و عمل تبديل مستقيم DC به AC را انجام مي دهد.
از لحاظ نوع كموتاسيون مي¬توان به دو دسته¬بندي زير رسيد :
• اينورترهاي با كموتاسيون طبيعي ، كموتاسيون خط.
• اينورترهاي با كموتاسيون اجباري
كموتاسيون طبيعي بيشتر در سيستمهاي متصل به شبكه استفاده مي¬گردد ليكن در كموتاسيون اجباري از طريق مدار جانبي كموتاسيون صورت مي¬گيرد.
از لحاظ نوع شبكه نيز مي¬توان تقسيم بندي زير را انجام داد :
• اينورترهاي تك فاز.
• اينورترهاي سه فاز.
كه در واقع به نوع بار و نوع كاربرد بستگي دارند خود اينورترهاي تك فاز نيز داراي انواع مختلفي مي¬باشند مانند اينورترهاي نيم موج ، تمام موج و پوش پول كه هر كدام در كاربردهاي مخصوصي مورد استفاده دارند .
همچنين از بابت نوع مدار تحريك عناصر كليدي مي توان اينورترها را به انواع زير تقسيم بندي كرد:
• اينورترهاي موج مربعي كه در اين انواع عمل كنترل ولتاژ از طريق ركتيفاير كنترل مي¬گردد تا اينكه دامنه موج AC خروجي را كنترل كند و اينورتر فقط عمل كنترل فركانس را انجام مي دهد . شكل موج خروجي در اين حالت مربعي مي باشد.
o

 اينورترهاي با مدولاسيون پالسي: در اين سيستمها ركتيفاير معمولا بصورت ديودي بوده و عمل كنترل ولتاژ و فركانس فقط توسط اينورتر صورت مي¬گيرد . اين كار از طريق اعمال الگوهاي مختلف پالس به كليدهاي اينورتر صورت مي¬گيرد . الگوهاي مختلفي براي نزديك تر كردن سيگنال خروجي به فرم سينوسي وجود دارند از جمله: PWM,SPWM,PAM,SVM,… كه هركدام دركاربردهاي بخصوصي استفاده مي¬گردند.

از سوي ديگر مي توان تقسيم¬بندي را از لحاظ تعداد سطوح سيگنال خروجي انجام داد:
• اينورترهاي دو سطحي: در اين سيستمها شكل موج خروجي داراي دو سطح خروجي مثبت و منفي مي¬باشد.
• اينورترهاي سه سطحي: كه در اين سيسستمها علاوه بر دو سطح قبلي شكل موج سطح صفر نيز مابين آنها اضافه مي¬گردد. اين كار با انجام عمل حذف ولتاژي در اينورترها صورت مي¬گيرد.

• اينورترهاي چند سطحي: در اين انواع از اينورترهائي با تعداد چند عنصر كليدي در هر بازوي پل استفاده مي¬گردد كه با تركيب مناسب اين عناصر باهم مي توان به چندين سطح در سيگنال خروجي رسيد. اين عمل را با اتصال موازي اينورترها نيز مي توان انجام داد . فايده اين عمل در كاهش ابعاد سيستم فيلترينگ مي¬باشد.
اما انواع ديگري از اينورترهاي پركاربرد در صنعت وجود دارند كه بيشتر براي كاربردهاي فركانس بالا استفاده مي¬گردند و با نام اينورترهاي تشديدي خوانده مي شوند.
در اين اينورترها كليد زني عناصر در لحظه صفر شدن ولتاژ يا جريان صورت مي¬گيرد. لذا كاهش قابل ملاحظه اي در مقدار تلفات سويچينگ بوجود مي-آورد. اين اينورترها به دو دسته زير تقسيم مي گردند.:

۱-اينورترهاي با تشديد بار : در اين نوع مبدلها از يك بار LC براي ايجاد رزونانس استفاده مي شود . ليكن بسته به مقادير مختلف در مقدار ضريب ميرايي و فركانس اينورتر ؛ اين سيستمها مي-توانند حالتهاي مختلف عملكردي داشته باشند كه هريك براي كاربرد خاصي استفاده مي¬گردند. خود اين اينورترها دو نوع مي باشند
• – اينورترهاي تشديدي با مدار تشديد سري: كه در اين انواع از يك سيستم رزونانسي سري در خروجي اينورتر به همراه بار استفاده مي-گردد و وجود سلف سري باعث پيوستگي در جريان خروجي خواهد شد. لذا اين اينورتر بايستي از طريق يك منبع ولتاژ تغذيه گردد يعني يك اينورتر منبع ولتاژ مي باشد
• – اينورترهاي تشديدي با مدار تشديد موازي: كه در اين انواع از يك سيستم رزونانسي موازي در خروجي اينورتر به همراه بار ا

ستفاده مي-گردد و وجود خازن موازي باعث پيوستگي در ولتاژ خروجي خواهد شد. لذا اين اينورتر بايستي از طريق يك منبع جريان تغذيه گردد يعني يك اينورتر منبع جريان مي باشد
۲-اينورترهاي با لينك DC تشديدي: در اين سيستمها به ولتاژ DC ورودي به اينورتر اجازه داده مي¬شود تا حول يك مقدار ثابت نوساناتي را داشته باشد ، معمولا بين صفر و يك مقدار مثبت، در اين حالت ولتاژ ورودي طي زمان محدودي صفر مي ماند و اجازه سويچينگ در اين لحظات به كليدهاي اينورتر داده مي¬شود.
رله هاي الکترو مغناطيسي (EMR )

رله ها بدون شک يکي از پر استفاده ترين ادوات کنترل در وضعيت مي باشند . يک رله کليدي است که به طريق الکتريکي عمل مي نمايد . رله به دو دسته تقسيم مي گردند : رله هاي کنترل رله هاي قدرت . همچنين رله هاي خاص بيشتري موجود مي باشند . رله هاي کنترل همان که از اسمشان پيداست براي کنترل مدارات قدرت پائين ويا ديگر رله ها پر استفاده ترين هستند . رله هاي کنترل در مدارات رله اتوماتيک به طور معمول يافت مي شوند و در جائي است که يک سيگنال کوچک الکتريکي يک عکس العمل زنجيري متوالي توابع مختلف رله ها را قطع مي نمايد .

رله هاي قدرت گاهي اوقات کنتاکنور ناميده مي شوند . رله قدرت ، اسب کار سيستم هاي الکتريکي بزرگ است . رله قدرت مقادير بزرک قدرت را کنترل مي نمايد اما خودش با يک سطح قدرت کوجک و مطمئن عمل مي نمايد .بعلاوه براي افزايش اطمينان ، رله هاي قدرت هزينه را کاهش ميدهند چرا که سيم هاي کنترل سبک از کليد کنترل به بوبين کنتاکتور قدرت وصل مي گردند . رله هاي قدرت و کنترل يکسان 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 ۶ تا ۱۰ 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 .

اجزاي مدارهاي كنترل و راه اندازي
كنتاكتور :
تا قبل از ساخته شدن كنتاكتور ، اتصالات توسط كليدهاي دستي انجام ميگرفت كه از انواع مختلف تيغه اي ، زبانه اي و غلطكي بودند كه هر كدام مزايايي نسبت به هم دارند .
كليدهاي تيغه اي (اهرمي) :
داراي ساختمان بسيار ساده اي هستند و به صورت كشويي و گردان ساخته ميشوند مقدار جريان قطع و وصل توسط اين كليدها بسيار محدود ميباشد چرا كه در جريانهاي بالا قوص بين دو نقطه ايجاد شده و حتي موجب ذوب تيغه ها ميشود و در هنگام وصل يا قطع نيز جرقه شديدي ايجاد ميكند .
كليد غلطكي :

ساختمان اين كليدها از يك استوانه عايق تشكيل شده است كه توسط كليد حول يك محور به حركت در مي آيد . در محلهاي مناسب نوارهاي هادي بر روي استوانه عايق تعبيه شده است . اين كليد نسبت به كليد تيغه اي يك مزيت بزرگ دارد و آن هم اينكه ميتوان براي اين كليد كار مخصوصي را تعريف كرد و با يك حركت چندين اتصال را به صورت هم زمان انجام داد .
كليد زبانه اي :

در كليد غلطكي به علت تماس اصطكاكي بين صفحات ، استهلاك كليد بالا است و به همين دليل از كليد زبانه اي كه داراي خصوصيت طراحي است و علاوه بر آن كنتاكتهاي آن به صورت عمودي بر روي همديگر قرار ميگيرند استفاده ميشود . به دليل عدم مالش بين دو كنتاكت استهلاك كليد پايين است .
اما با به ميدان آمدن كنتاكتور ها تقريباً تمام مصارف كليدهاي ساده از رده خارج شده و كنتاكتور با سرعت و اطمينان بيشتر اين ميدانها را به دست گرفت . كنتاكتور نسبت به كليدهاي ساده داراي خصوصيات بهتري ميباشد كه در ادامه آورده شده است :

۱- فرمان از چند نقطه
۲- فرمان از راه دور
۳- تلفات و استهلاك پايين
۴- سرعت و امكان گسترش مدار
۵- قطع اتوماتيك در صورت قطع برق شبكه
۶- اقتصادي بودن
۷- امكان طراحي مدار اتوماتيك
۸- از نظر حفاظتي كنتاكتورها مطمئن ترند و داراي حفاظت مناسبتر و كاملتر هستند . معمولا بوبين كنتاكتورها در چند ولتاژ مختلف جهت مصارف گوناگون ساخته ميشود.