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 (۱) نيمه هاديهاي قدرت استفاده مي كند كه مي توان آنها را مانند ماهيچه در نظر گرفت ، و (۲) 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 ۱۹۰۰ 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 ۱۹۴۸ 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 ۱۹۵۶ 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 ۱۹۵۸ 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 ۱۹۵۰ به بعد تكاپوي شديدي در توسعه ، توليد ، و كاربرد وسايل نيمه هادي وجود داشته است . امروزه بيش از ۱۰۰ ميليون وسيله در هر سال توليد مي شود و ميزان رشد آن بيشتر از ۱۰ 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 ۱۹۶۰ 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 ۵/۷ آمپر از خود عبور دهند بالغ بر ۵ ميليون در سال است كه ارزش كل انها در حدود ۵/۸ ميليون ليره استرلينك يا ۲۰ ميليون دلار (و يا ۵/۱ 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 ۱۰۰ وات تا ۱۰۰ 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 .

محركهاي الكتريكي چرخان
يكي از مهمترين موارد استعمال الكترونيك قدرت كنترل محركهاي الكتريكي است . البته زمينه هاي كاربرد مهم ديگري نيز زا قبيل واگرداني معمولي قدرت الكتريكي (مبدلهاي جريان مستقيم به جريان متناوب و بالعكس ) ايجاد حرارت القايي (كوره هاي القايي) كنترل شدت نور (در لامپهاي الكتريكي )و گوش به زنگ نگه داشتن منابع تغذيه يدكي وجود دارد .

ولتاژ پايانه (ورودي )(محركهاي الكتريكي ) يكي از عمده ترين پارامترهاي تنظيم كردني است كه براي كنترل مشخصه هاي يك موتور، مورد استفاده قرار مي گيرد . مهمترين مشخصه مورد كنترل در موتورهاي الكتريكي سرعت است . قبل از اختراع تيريستور روشهاي مرسوم براي تنظيم سرعت افزودن مقاومت به خط و يا استفاده ازدستگاههاي موتور – ژنراتور بود . در اين روشها موتورهاي كموتاتوري مناسبتر و رضايتبخش تر بودند . گاهي نيز سيتم تغيير فركانس و يا تغيير قطب مورد استفاده قرار مي گرفتند . همچنين زماني يكسو كننده هاي جيوه اي و تقويت كننده هاي مغناطيسي در سيتهاي كنترل جايگاهي پيدا كردند، اما اكنون به نظر مي رسد كه فقط در موارد خاصي سيستمهاي كنترل تيريستوري نتوانسته اند جايگزين روشهاي كنترل قديمي شوند .
تيريستورها براي كنترل محركهاي الكتريكي ، از وسايل خانگي مثل مته برقي ، مخلوط كنها ، آسيابها و دستگاههاي تهويه گرفته تا سيستمهايي با محركهاي فركانس متغير مورد استفاده در كارخانه هاي نساجي ، به قدرت ۵ مگا وات و يادستگاههاي كنترل شده با نيمه هادي براي تحريك توربو – آلترناتور ها در كارخانه هاي نورد فولاد به قدرتهاي ۵۰ مگاوات مورد استفاده قرار گرفته اند .

محركهاي الكتريكي جريان مستقيم
موتور جريان مستقيم برغم اينكه جا به جا كن (كموتور ) دارد و از موتور جريان متناوب با موتور اسمي مشابه بزرگتر است ، ولي به علت اماكن وسيع كنترل سرعتش كه توسط كنترل ولتاژ ورودي آن صورت مي گيرد ، رايجتر است . به اين منظور منبع تغذيه به طور غير پيوسته به نحو موثري توسط مدار تيرستوري قطع و وصل مي شود. با تغيير نسبت زمان قطع به وصل منبع تغذيه مي توان مقدار متوسط ولتاژ را در پايانه هاي (دو سر ورودي ) موتور تنظيم كرد . فركانس قطع و وصل با كليد زني تيريستور به قدري سريع است كه موتور به جاي ضربه هاي تكي با مقدار متوسط ولتاژ كار مي كند .

در شكل زير براي مدوله كردن مقدار متوسط ولتاژ مستقيم در پايانه هاي موتور چهار روش نشان داده شده است . در دو روش اول منبع تغذيه جريان متناوب است و اين جريان توسط پل يكسو ساز قابل كنترل به جريان مستقيم تبديل مي شود. در روش كنترل سيكلي انتگرالي يك يا چند تا از نيم سيكلها درخروجي يكسو ساز در يك زمان حذف مي شوند . اين روش فقط در جريانهاي متناوب فركانس بالا براي اجتناب از نوسان موتور در حوالي سرعت متوسطش مناسب است . در اين روش ضريب قدرت بار الكتريكي مربوط به طرف a.c زيادي است .

درروش كنترل فاز براي كنترل مقدار متوسط ولتاژ مستقيم تيريستور فقط در طول قسمت معيني از هر يك از نيم سيكلها هدايت مي كند . در اين روش ضريب قدرت با كمتر ، ولي گسنره ولتاژ (به علت امكان روشن شدن تريستور از صفر تا ۱۸۰ درجه در نيم سيكلهاي مثبت موجود ) وسيعتر است .

دو روش دوم براي تنظيم ولتاژ پايانه (ورودي ) موتور موقعي كه از منبع تغذيه ولتاژ ثابت استفاده مي شود ، مشابه يكديگرند . تيريستور با قطع و وصل خيلي سريع خود ولتاژ ورودي را برش مي دهد . در خروجي مدار تيريستور يك سري پالس ولتاژ متوسطي كه كمتر از ولتاژ ورودي است ايجاد مي كند . اين مدار تيريستوري را مدار برشگر گويند . با وجود اينكه در هر دو روش زمان هدايت تيريستور Ton و يا زمان قطع آن Toff ثابت است ، ليكن در مواقع ضروري مي توان هر دو را تغيير داد .

براي كنترل سرعت اكثر موتورهاي جريان مستقيم (به علت اينكه تيريستور در حال هدايت ، در آخر نيم سيكل به خاطر پايين آمدن سطح ولتاژ تا صفر ولت به طور طبيعي خاموش مي شود و در نتيجه مدار كمكي جهت قطع جريان تريستور مورد نياز است ) استفاده از منبع تغذيه جريان متناوب معمول است .زيرا در اينجا تيريستور براي خاموش شدن با مشكلي مواجه نمي شود. اما مواقعي كه منبع تغذيه موتورهاي جريان مستقيم بايستي باطريها و پيلهاي سوختي باشند ، از مدارهاي برشگر استفاده مي شود. در كليد زني سريع بايستي از تيريستورهاي مخصوصي استفاده شود . در اين مدارها چون پس از روشن شدن تيريستور هموراه ولنتاژژ مستقيمي بين كاتد و اند وكاتدش خاموشي تيريستور استفاده كرد . چنانچه پيداست كنترا از طريق برشگر پيچيده است ، ولي با وجود اين مورد استفاده قرار مي گيرد .(اين روش موارد استعمال زيادي در خودروهاي برقي دارد ).

در كارخانجات نورد فولاد ، موتورهاي جريان مستقيم و با سرعت قابل تنظيم سابقاً توسط دستگاههاي موتور ژنراتور كه ولتاژ dc متغير و برگشت پذيري را فراهم ي كرد كنترل مي شد ، اين سيستم در حال حاضر با دستگاههاي الكترونيك قدرت جايگزين شده است . در نتيجه بازده و قابليت اعتماد آن بيشتر هزينه ترميم و نگهداري كمتر ، و جواب دهي سريع حاصل شده است . سيستم الكترونيك قدرت برخلاف سيستم موتور – ژنراتور كه در ان موتور يك ماشين سنكرون (همزمان ) است ، قادر به ايجاد ضريب قدرت پيش فاز نيست و اين تنها عيب اين سيستم است.

در خودروهاي الكتريكي موتورهاي مجهز به جابه جا كن جريان متناوب تك فاز به علت مشكلات جا به جايي با موتورهاي جريان مستقيم كنترل تيريستوري جايگزين شده اند .

برشگرهاي dc
در بسياري از كارهاي صنعتي لازم است كه منبع ولتاژ dc ثابتي به منبع ولتاژ dc متغيري تبديل شود . برشگر dc مستقيماً dc را به dc تبديل مي كند و آن را مبدل dc به dc نيز مي نامند .
برشگر را مي توان معادل dc ترانسفورمر ac در نظر گرفت كه نسبت دورهاي آن به طور پيوسته قابل تغيير باشد . از برشگر dc مانند ترانسفورمر مي توان براي افزايش يا كاهش ولتاژ منبع dc استفاده كرد .
برشگرها كاربرد گسترده اي در كنترل موتورهاي كششي در اتومبيلهاي برقي ، واگن هاي برقي شهري ، جرثقيلهاي دريايي ، بالابرها و وسايل باركشي در معادن دارند . آنها شتاب را با ملايمت و يكنواختي كنترل مي كنند ، راندمان زياد و پاسخ ديناميكي سريعي دارند . برشگرها در ترمز بار توليد موتورهاي dc براي برگشت انرژي به منبع تغذيه به كار مي روند ،و اين مشخصه باعث صرفه جويي انرژي در سيستم هاي حمل و نقلي مي شود كه داراي توقفهاي مكرر باشند . برشگرها در گورلاتورهاي ولتاژ dc و همچنين در اتصال با يك سلف براي ايجاد منبع تغذيه dc بويژه براي اينورتر منبع جريان به كار مي روند .

اصول كار كاهش ولتاژ
اصولي كلي كار را مي توان با شكل پائين ا الف شرح داد . هنگامي كه سوئيچ SW به مدت t1 بسته باشد ، ولتاژ ورودي Vs به دو سر بار مي افتد . اگر سوئيچ به مدت زمان t2 باز بماند ، ولتاژ دو سر بار صفر خواهد بود . شكل موجهاي ولتاژ خروجي و جريان بار نيز در شكل ب نشان داده شده است . سوئيچ برشگر را مي توان با استفاده از BJT(1) قدرت . MOSFET (2) قدرت ، GTO (3) ، يا (۴) تايريستور باكموتاسيون اجباري ساخت . افزارهاي عملي ، افت ولتاژ محدودي بين ۵/۰ تا ۲V دارند . و براي سادگي از افت ولتاژ اين افزارهاي نميه هادي قدرت صرف نظر مي كنيم .

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 ۱ برشگر روشن مي شود و جريان از منبع تغذيه به بار جاري مي شود . در حالت ۲ 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 .