آبان
الکترونیک قدرت – الکترونیک خطی و کاربرد آنها
الکترونیک قدرت چیست؟
تفاوت الکترونیک قدرت نسبت به الکترونیک خطی – کاربردهای الکترونیک قدرت
فهرست مطالب
- الکترونیک قدرت چیست؟
- نمودار بلوک سیستم الکترونیک قدرت
- الکترونیک قدرت و الکترونیک خطی
- کاربردها و مبدل های الکترونیک قدرت
الکترونیک قدرت چیست؟
رشته الکترونیک قدرت رامی‌توان با تقسیم آن به دو زیر مجموعه به خوبی درک‌کرد.
مهندسی قدرت و مهندسی الکترونیک. رشته مهندسی قدرت عمدتا به تولید ، انتقال ، توزیع و استفاده از انرژی الکتریکی با بازده بالاترمی‌پردازد.
درحالیکه مهندسی الکترونیک عمدتاً با تولید ، انتقال و دریافت سیگنال‌ها و داده‌ها در سطح توان بسیار پایین از میلی وات تا چند وات سر و کاردارد.
در الکترونیک قدرت ، اصول الکترونیک برای برنامه هایی که در سطح توان بالا از ده وات تا صدها وات درجه بندی‌می‌شوند و سطح قدرت پایین از میلی وات تا چند وات ، عملی‌می‌شوند.
این یک زمینه ای‌است که تجهیزات و دستگاه ها بر اساس اصول الکترونیک اما در سطح قدرت بالاتر کارمیکنند.
در الکترونیک قدرت ، مقدار قابل توجهی از انرژی الکتریکی در مقایسه با پردازش سیگنال ها و داده‌ها در مورد مهندسی الکترونیک پردازش‌می‌شود.
انرژی الکتریکی با تأمین ولتاژ و جریان به شکلی که متناسب با تقاضای بار مناسب‌باشد ،
پردازش و کنترل می‌شود. در یک جمله کوتاه ، الکترونیک قدرت زمینه ای‌است که اصول الکترونیک برای کنترل و تبدیل انرژی الکتریکی در سطح توان بالاتر اعمال‌می‌شود.
نمودار بلوک سیستم الکترونیک قدرت
شکل 1 نمودار اصلی سیستم الکترونیک قدرت رانشان‌می‌دهد. ورودی مدار الکترونیک قدرت می تواند AC یا DCباشد.
بیشتر ، ورودی برق از یک یا سه فاز با فرکانس 50 یا 60 هرتزاست.
خروجی این سیستم ممکن‌است ولتاژ DC / AC متغیر یا ثابت‌باشد ، یا ممکن‌است فرکانس و ولتاژ متغیرباشد.
خروجی پردازش شده (جریان ، ولتاژ و فرکانس) این سیستم به نیاز بار بستگی‌دارد.
مقادیر خروجی مدار الکترونیکی قدرت اندازه گیری‌می‌شود و این سیگنال‌های بازخورد با سیگنال‌های مرجع (مقادیر مورد نظر) مقایسه‌می‌شوند
تا سیگنال‌های کنترل مدار الکترونیکی قدرت تولید‌شوند که خطای بین سیگنال مرجع و سیگنال‌های خروجی واقعی را کاهش‌می‌دهد.
شکل 1
به عنوان مثال ، اگر یک موتور DC به عنوان بار وصل‌شده‌باشد ،
ولتاژ خروجی باید قابل کنترل باشد تا سرعت موتور راکنترل‌کند ،
یا در مورد یک موتور القایی سه فاز ، مدار باید فرکانس و ولتاژ قابل تنظیم در خروجی‌داشته‌باشد .
توان جریان یافته از چنین وضعیتی ممکن‌است‌معکوس‌شود
و بنابراین نقش ورودی و خروجی عوض خواهدشد.
کنترل کننده “پردازنده سیگنال دیجیتال”است ،
تحقیق و توسعه در میکروالکترونیک امکان توسعه چنین کنترلرهایی را فراهم‌کرده‌است.
علاوه براین ، توسعه در فناوری نیمه هادی قابلیت مدیریت قدرت و عملکرد سوئیچینگ سیستم‌های الکترونیکی قدرت مدرن را بهبود بخشیده‌است.
الکترونیک قدرت در مقابل الکترونیک خطی
در الکترونیک خطی ، دستگاه های نیمه هادی در منطقه فعال کارمیکنند
و برای جداسازی ، از یک ترانسفورماتور الکتریکی استفادهمیشود.
به دلیل فعالیت در منطقه فعال است که باعث از دست‌دادن قدرت بالا و بازده کمترمیشود.
با در نظرگرفتن تلفات زیاد انرژی غیر اقتصادی می‌شود و همچنین حذف گرمای حاصل از اتلاف انرژی دشوارمی‌شود.
از طرف دیگر وزن ترانسفورماتور الکتریکی زیاداست که به طور کلی اندازه سیستم را افزایش‌می‌دهد.
به عنوان مثال ، مدار را در شکل 2 در نظربگیرید که ولتاژ خروجی تنظیم شده VO را برای بار فراهم‌می‌کند. ولتاژ ورودی از دستگاه 240 ولت AC و خروجی در بار حدود 5 ولت DCاست.
شکل2
برای جدا سازی بین ورودی و خروجی مدار ،
از یک ترانسفورماتور فرکانس خط برای ایجاد ایزوله الکتریکی و پایین آمدن ولتاژ خط ورودی تا سطح مورداستفاده‌می‌شود.
مبدل AC به DC (به عنوان مثال یکسو کننده) سیم پیچ خروجی AC ترانسفورماتور را به DC تبدیل می‌کند
جایی که بیشتر از یک خازن برای کاهش محتوای موج دار شدن ولتاژ VD در DC استفادهمیشود .
این شکل موج ولتاژ به مقدار ولتاژ مطلوب که معمولاً در حدود 10٪ مقدار اسمی ولتاژ مطلوب است بستگی‌دارد.
در اینجا توجه به این نکته ضروری‌است که نسبت چرخش های ترانسفورماتور فرکانس خط به گونه ای انتخاب‌می‌شود
که مقدار ولتاژ VD در DC تبدیل‌شده همیشه بیشتر از ولتاژ خروجی تنظیم‌شده VO باشد (یعنی VD> VO).
اکنون با این ولتاژ ورودی DC ولتاژ ورودی VD که به طور موازی از طریق بار مقاومت و ترانزیستور متصل‌می‌شود ،
ترانزیستور به گونه‌ای کنترل می‌شود که باعث ایجاد ولتاژ ولتاژ VT در آن می‌شود تا بار مقاومت را با ولتاژ خروجی تنظیم‌شده مطلوب VO تأمین‌کند
(VD = VT + VO). بنابراین ، ترانزیستور در منطقه فعال به عنوان یک مقاومت متغیر عمل می‌کند که در نهایت منجر به اتلاف برق ، تولید گرما و از دست‌دادن کارایی کل سیستم‌می‌شود.
در مورد قدرت ، الکترونیک مثالی از مدار نشان‌داده‌شده در شکل 3 در نظربگیرید.
در این مدار ، بدون استفاده از ترانسفورماتور فرکانس خط ، ورودی AC به DC ولتاژ VD تبدیل‌می‌شود.
برخلاف الکترونیک خطی در اینجا ترانزیستور در حالت روشن و خاموش در فرکانس بسیار بالایی به نام فرکانس سوئیچ کارمی‌کند.
شکل 3
به دلیل همین فرکانس سوئیچینگ بالا در مدار‌است که ولتاژ DC اصلاح شده VD به ولتاژ AC تبدیل‌می‌شود
(همانطور که سوئیچ در فرکانس بالا روشن و خاموش می‌شود قطبیت ولتاژ ظاهرشده در سیم پیچ ها تغییرمیکند).
این امر به استفاده از ترانسفورماتور با فرکانس بالا برای جداسازی الکتریکی و کاهش ولتاژ کمکمیکند.
برای ساده کردن درک مدار نشان‌داده‌شده در شکل 3 ، اجازه دهید این مدار را با یک سوئیچ دو موقعیته خیالی همانطور که در شکل 4 نشان داده‌شده‌است ،ساده‌کنیم.
D2 به عنوان یک مدار باز عمل می کند. در طول فاصله tOFF سوئیچ در موقعیت B است
و ترانزیستور خاموش است و دیود 2 هدایت می کند در حالی که D1 به عنوان یک مدار باز عمل می‌کند.
در نتیجه ، ولتاژ vi در شکل 4 دارای ولتاژ VD و صفر است که سوئیچ به ترتیب در A و B قرارگیرد.
vi = Vi + Vripple (t)
جایی که Vi ولتاژ متوسط DC است‌همانطور که در شکل 5نشان‌داده‌شده‌است
و Vripple (t) ولتاژ موج دار لحظه ای‌است همانطور که در شکل 6نشان‌داده شده‌است
دارای مقدار متوسط صف‌است.
فیلتر کم عبور ، تشکیل‌شده از عناصر L-C به کاهش محتوای موج دار در خروجی کمکمیکند
و فقط مقدار متوسط ولتاژ ورودی مورد نظر رامی‌دهد ،
Vo = Vi
شکل 4
اکنون از شکل موج‌های شکل 5 ، می توان دریافت که Vo ولتاژ خروجی متوسط‌است ،
اگر VD = 4 V ، TS = 10 ms و tON = 7 ms ، ولتاژ خروجی به طور متوسط داده‌می‌شود ،
شکل 6
اکنون از معادله 3 فوق مشخص‌است که می توان مقدار ولتاژ خروجی را با تغییر نسبت زمان روشن /یا دوره سیکل تغییر‌داد و این نسبت را چرخه کار سوئیچ D می‌نامند. زمان روشن tON متفاوت است و فرکانس fS دوره TS ثابت نگه‌داشته‌می‌شود.
بنابراین ، در الکترونیک قدرت به دلیل عملکرد سوئیچینگ با فرکانس بالا ترانزیستور در مقایسه با تنها عملکرد منطقه فعال در الکترونیک خطی ، افت توان به حداقل‌می‌رسد.
مطمئناً وقتی سوئیچ با فرکانس بالا از حالت روشن به حالت خاموش و برعکس کار می کند ، افت توان وجود دارد.
اما متناسب با فرکانس سوئیچینگ‌است که بسیار کمتر از تلفاتی‌است که در سیستم الکترونیکی خطی رخ‌می‌دهد.
با فرکانس بالاتر کار ، وزن و اندازه ترانسفورماتورها و اجزای فیلتر در سیستم به حداقل می‌رسد
و در نتیجه فشرده‌می‌شود. اما هزینه این نوع ترانسفورماتورها و فیلترهای با فرکانس بالا با افزایش فرکانس سوئیچینگ افزایش‌می‌یابد.
حال همانطور که قبلاً بحث کردیم که در اثر سوئیچینگ اتلاف توان وجود دارد و متناسب با فرکانس سوئیچ‌است ،
هرچه فرکانس سوئیچ بیشتر باشد ، اتلاف توان بیشتر‌است.
بنابراین باید فرکانس سوئیچینگ را به گونه ای انتخاب‌کرد
که بین اتلاف انرژی (یعنی کارایی) و هزینه کل سیستم سازش ایجادکند.
مبدلها و برنامه‌های الکترونیکی قدرت
سیستم‌های الکترونیکی قدرت از یک یا چند مبدل الکترونیکی قدرت‌تشکیل‌شده‌است.
کنترل و خصوصیات دستگاه های نیمه هادی به مبدل اجازه‌می‌دهد
تا ورودی را به میزان مورد نیاز در خروجی پردازش‌کند.
در زیر طبقه بندی مبدل‌های الکترونیکی قدرت همراه با کاربردهای آنها آورده‌شده‌است.
دیودهای یکسو کننده:
دیود یکسو کننده ورودی AC را از منبع یا ورودی AC به میزان مورد نیاز ولتاژ DC ثابت تبدیل‌می‌کند.
ورودی می‌تواند یک فاز یا سه فاز باشد و یکسوساز نیز متناسب با فاز ورودی طراحی‌شده‌است.
کاربردها :
آبکاری ، پردازش الکتروشیمیایی ، منابع تغذیه ، کشش الکتریکی ، شارژ باتری و UPS و غیره
مبدل‌های AC به DC:
ولتاژ ورودی AC متناوب را به ولتاژ خروجی DC متغیر تبدیل‌می‌کند.
این مبدلها از منبع تک فاز یا سه فاز نیز تغذیه می‌شوند.
آنها همچنین به عنوان مبدل تغییر مسیر طبیعی یا خطی به جهت تخلیه ولتاژ خط از آنها شناخته‌می‌شوند.
کاربردها:
موتورهای‌سنکرون ، متالورژی ، درایوهای DC و صنایع شیمیایی و غیره
مبدل های DC به DC:
ولتاژ ورودی ثابت DC را به ولتاژ خروجی DC متغیر تبدیل می‌کند.
بسته به نوع کاربرد آنها به عنوان buck ، تقویت‌کردن و buck-boost طبقه بندی‌می‌شوند.
کاربردها:
درایو DC ، باتری وسایل نقلیه ، سیستم های انرژی تجدید پذیر ، منابع تغذیه حالت سوئیچینگ و UPS و غیره
مبدل های DC به AC:
این ولتاژ DC ثابت را به ولتاژ خروجی متغیر AC تبدیل می‌کند ،
ممکن‌است خروجی فرکانس متغیر و ولتاژ متغیرباشد.
کاربردها:
سیستم‌های انرژی تجدید پذیر ، موتور القایی ، موتور سنکرون و UPS و غیره
مبدل های AC به AC:
یک ولتاژ ورودی AC ثابت را به ولتاژ ورودی AC متغیر تبدیل می‌کند.
فرکانس خروجی ممکن‌است متفاوت از فرکانس ورودی باشد یانباشد.
کاربردها:
کنترل سرعت موتورهای فن AC ، کنترل رعد و برق ، درایوهای بزرگ AC و پمپ ها و غیره
نتیجه
در مقاله فوق ، ما مفهوم الکترونیک قدرت را مطالعه کردیم ،
یعنی ترکیبی از مهندسی قدرت و الکترونیک‌است.
همچنین ساختار بلوک نمودار آن و نحوه استفاده از آن برای فرآیند و کنترل توان را مشاهده کردیم.
ما مطالعه کردیم که چگونه الکترونیک قدرت از نظر کارایی ،
اندازه و قابلیت مدیریت قدرت متفاوت از سیستم های الکترونیکی خطی‌است.
و سرانجام ، نگاهی گذرا به طبقه بندی انواع مختلف
مدارها / مبدل‌های الکترونیکی قدرت به همراه مناطق مختلف کاربرد آنها‌داشتیم.
این مقاله به ما کمک‌کرد تا مفهوم اساسی و نیاز به یک سیستم الکترونیکی قدرت را درک‌کنیم ،
که یک زمینه قابل توجه و نوظهور در دنیای الکتریکی مدرن ما‌است.
لینک مرتبط با مقاله:
حفاظت ترانسفورماتور قدرت و خطاهای آن
الکترونیک قدرت؛ و تاثیر آن بر زندگی
لینک مقاله زبان اصلی:
What is Power Electronics? Power vs Linear Electronics and Applications
الکترونیک خطی