 |
1 | - | 0 |  |
موضوع:
كاربرد الكترونيك قدرت
فهرست مطالب
الكترونيك قدرت و محركهاي الكتريكي چرخان.. 7
محركهاي الكتريكي جريان مستقيم.. 10
رگولاتورهاي كاهنده - افزاينده. 23
مدارهاي برشگر تايريستوري... 24
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 dcمتغيري براي كنترل محركهاي موتورهاي dcبه 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 (1) نيمه هاديهاي قدرت استفاده مي كند كه مي توان آنها را مانند ماهيچه در نظر گرفت ، و (2) 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 با ارائه يكسو ساز قوس جيوه اي ، در سال 1900 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 1948 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 1956 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 1958 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 .
از سالهاي 1950 به بعد تكاپوي شديدي در توسعه ، توليد ، و كاربرد وسايل نيمه هادي وجود داشته است . امروزه بيش از 100 ميليون وسيله در هر سال توليد مي شود و ميزان رشد آن بيشتر از 10 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 1960 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 5/7 آمپر از خود عبور دهند بالغ بر 5 ميليون در سال است كه ارزش كل انها در حدود 5/8 ميليون ليره استرلينك يا 20 ميليون دلار (و يا 5/1 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 100 وات تا 100 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 .
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 5 مگا وات و يادستگاههاي كنترل شده با نيمه هادي براي تحريك توربو - آلترناتور ها در كارخانه هاي نورد فولاد به قدرتهاي 50 مگاوات مورد استفاده قرار گرفته اند .
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.cزيادي 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 180 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 Tonو يا زمان قطع آن Toffثابت 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 dcمتغير 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 .
در بسياري از كارهاي صنعتي لازم است كه منبع ولتاژ dcثابتي به منبع ولتاژ dcمتغيري تبديل شود . برشگر dcمستقيماً dcرا به dcتبديل مي كند و آن را مبدل dcبه dcنيز مي نامند .
برشگر را مي توان معادل dcترانسفورمر acدر نظر گرفت كه نسبت دورهاي آن به طور پيوسته قابل تغيير باشد . از برشگر dcمانند ترانسفورمر مي توان براي افزايش يا كاهش ولتاژ منبع dcاستفاده 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 dcبراي 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 dcو همچنين در اتصال با يك سلف براي ايجاد منبع تغذيه dcبويژه براي اينورتر منبع جريان به كار مي روند .
اصولي كلي كار را مي توان با شكل پائين ا الف شرح داد . هنگامي كه سوئيچ SWبه مدت t1بسته باشد ، ولتاژ ورودي Vsبه دو سر بار مي افتد . اگر سوئيچ به مدت زمان t2باز 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 (4) تايريستور باكموتاسيون اجباري ساخت . افزارهاي عملي ، افت ولتاژ محدودي بين 5/0 تا 2Vدارند . 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/Rكه Tدوره تناوب برش ، K=t1/Tكاركرد برشگر و fفركانس 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 fتغيير مي كند. زمان روشن بودن ، t1، يا زمان خاموش بودن ، t2ثابت 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 1 برشگر روشن مي شود و جريان از منبع تغذيه به بار جاري مي شود . در حالت 2 برشگر خاموش مي شود و جريان بار از طريق ديود هرز گرد Dmجاري 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>>Tيا Lf>> R باشد .
از برشگر مي توان براي افزايش ولتاژ dcاستفاده كرد و آرايش مداري كار افزايش در شكل الف نشان داده شده است . هنگامي كه سوئيچ SWبه مدت t1بسته مي شود ، جريان سلف افزايش مي يابد و انرژي در سلف Lذخيره مي شود . اگر سوئيچ به مدت t2باز بماند ، انرژي ذخيره شده در سلف از طريق ديود D1به 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 CLهمانطور كه در شكل بالا الف با خط چين نشان داده شده است ، به دو سربار وصل شود ، ولتاژ خروجي پيوسته خواهد بود و V0همان مقدار متوسط Vaرا خواهد داشت .
ولتاژ دو سر بار را مي توان با تغيير دوره كاركرد Kافزايش داد و حداقل ولتاژ خروجي ، هرگاه K=0باشد ، برابر Vsاست . اما برشگر نمي تواند به طور مداوم روشن باشد تا K=1شود . به ازاي مقادير Kكه به سمت يك ميل كند ، ولتاژ خروجي بسيار بزرگ و همانطور كه در شكل بالا ج نشان داده شده است به تغييرات Kبسيار حساس مي شود .
افزارهاي نيمه هادي قدرت احتياج به حداقل زماني براي روشن و خاموش شدن دارند . بنابراين دوره كاركرد Kرا فقط مي توان بين حداقل Kminو مقدار حداكثر Kmaxكنترل كرد ، و بدين طريق حداقل و حداكثر ولتاژ خروجي محدود مي شود . فركانس سويچينگ برشگر نيز محدود مي شود . ضربان جريان بار به طور معكوس به فركانس برش fبستگي دارد . فركانس بايستي تا حد ممكن بالا باشد تا ريپل جريان بار را كاهش دهد و اندازه سلف اضافي سري در مدار بار را به حداقل برساند .
برشگرها را مي توان بر حسب جهت عبور جريان و ولتاژ به پنچ نوع زير طبقه بندي كرد :
برشگر كلاس A
برشگر كلاس B
برشگر كلاس C
برشگر كلاس D
برشگر كلاس E
جريان بار به داخل بار جاري مي شود . همانطور كه در شكل نشان الف داده شده است ولتاژ و جريان بار هر دو مثبت هستند . اين برشگر يك ربعي است و مانند يكسو ساز عمل مي كند .
جريان بار به خارج از بار جاري مي شود . همانطور كه در شكل ب نشان داده شده است ولتاژ بار مثبت ولي جريان بار منفي است . اين برشگر نيز يك ربعي است ولي در ربع دوم فعال است و مانند اينورتر عمل مي كند . برشگر از نوع Bدر شكل الف نشان داده شده است كه در ان باتري Eقسمتي از بار است و ممكن است نيروي ضد محركه الكتريكي موتوري dcباشد .
هنگامي كه سوئيچ S1وصل مي شود ولتاژ Eجريان رادر سلف Lبرقرار مي كند و ولتاژ بار VLصفر مي شود . ولتاژ لحظه اي بار VLو جريان بار -ilبه ترتيب در شكل ب و ج نشان داده شده است . جريان ilكه در حال افزايش است با رابطه زير بيان مي شود :
همانطور كه در شكل ج نشان داده شده است جريان بار مثبت يا منفي و ولتاژ بار هميشه مثبت است . اين برشگر به برشگر دو ربعي معروف است .همانطور كه درشكل نشان داده شده است با تركيب برشگر ها در كلاس A,B مي توان برشگر كلاس Cرا به دست آورد . S1,D2به عنوان برشگر كلاس Aعمل مي كند . S2,D1به عنوان برشگر كلاس Bعمل مي كنند . بايستي دقت لازم براي جلوگيري از اينكه دو سوئيچ باعث آتش همديگر شوند .صورت گيرد . در غير اين صورت منبع تغذيه Vsاتصال كوتاه خواهد شد . برشگر كلاس Cمي تواند هم به عنوان يكسو ساز و هم اينورتر عمل كند .
جريان بار هميشه مثبت است . همانطور كه در شكل د نشان داده شده است ولتاژ يا مثبت يا منفي است . همانطور كه در شكل نشان داده شده است برشگر كلاس Dنيز مي تواند به عنوان يكسو ساز يا اينورتر عمل كند . اگر S1و S4وصل شوند ، VL,Ilمثبت مي شوند . اگر S1,S4قطع شوند ، جريان بار ilمثبت خواهد شد و در بارهايي با خاصيت سلي زياد به جريان خود ادامه خواهد داد . ديودهاي D2,D3مسيري را براي جريان بار تامين مي كنند و Vlمعكوس مي شود .
همانطور كه در شكل ه نشان داده شده است جريان بار يا مثبت يا منفي است . ولتاژ بار نيز يا مثبت يا منفي است . اين برشگر به برشگر چهار ربعي معروف است . پولاريته هاي ولتاژ و جريان بار در شكل ب نشان داده شده است . افزارهايي كه در ربعهاي مختلف فعال هستند در شكل ج نشان داده شده است . براي كار در ربع چهارم جهت باتري Eبايستي معكوس شود . اين برشگر اساس اينورتر تمام پل تك فاز است .
از برشگرهاي dcمي توان به عنوان رگولاتورهاي سويچينگ براي تبديل dcمعمولاً تنظيم نشده به ولتاژ dcخروجي تنظيم شده استفاده كرد . رگولاسيون معمولاً با مدولاسيون عرض پالس در فركانس ثابت انجام مي گيرد و افزار سويچينگ معمولاً BJT,MOSFET , LGBT قدرت است .
روگولاتورهاي سويچينگ به صورت مدارهاي مجتمع ICدر بازار موجود است . طراح مي تواند با انتخاب مقادير R,Cاسيلاتور فركانس ، فركانس سويچينگ را انتخاب كند . براي حداكثر كردن راندمان بر اساس روش تجربي حداقل دوره تناوب اسيلاتور بايستي 100 برابر زمان سويچينگ ترانزيستور باشد ، براي مثال اگر زمان سويچينگ ترانزيستوري 0/5 Sباشد دوره تناوب اسيلاتور بايد 50 Sباشد ، يعني حداكثتر فركانس اسيلاتور بايد 20KHZباشد . اين محدوديت ناشي از تلافت سويچينگ در ترانزيستور است . با افزايش فركانس سويچينگ تلفات سويچينگ ترانزيستور افزايش و راندمان كاهش مي يابد . علاوه بر اين تلفات هسته سلفها كار را در فركانس بالا محدود مي سازد . ولتاژ كنترل Vcاز مقايسه ولتاژ خروجي با مقدار مورد نظر به دست مي آيد . براي توليد سيگنال كنترل PWMبراي برشگر dcمي توان Vcرا با ولتاژ دندان اره اي Vrمقايسه كرد . چهار آرايش اساسي براي رگولاتور هاي سويچينگ وجود دارد :
1- رگولاتورهاي كاهنده
2- رگولاتورهاي افزاينده
3-رگولاتورهاي كاهنده - افزاينده
4-رگولاتورهاي كاك
در رگولاتورهاي كاهنده متوسط ولتاژ خروجي Vaكمتر از ولتاژ ورودي Vsاست . بنابراين نام «كاهنده » بسيار مناسب است . اين نوع رگولاتور كاربرد زيادي دارد واين رگولاتور مشابه برشگر كاهنده است . كار مدار را مي توان به دو حالت تقسيم كرد . حالت 1 هنگامي آغاز مي شود كه ترانزيستور Q1و t=0روشن شود . جريان ورودي كه در حال افزايش است از طريق سلف فيلتر Cو مقاومت بار جاري مي شود . حالت 2 وقتي شروع مي شود كه ترانزيستور Q1و t=t1خاموش شود . ديود هرز گرد Dmدر اثر انرژي ذخيره شده در سلف هدايت مي كند و جريان سلف از طريق L,Cبار ديود و Dmادامه مي يابد . جريان سلف تا هنگامي كه ترانزيستور Q1دوباره در سيكل بعدي روشن شود افت مي كند . بسته به فركانس سويچينگ سلف فيلتر و ظرفيت خازن جريان سلف مي تواند ناپيوسته باشد .
رگولاتورهاي كاهنده كه فقط به يك ترانزيستور احتياج دارد ساده است و راندمان بالايي بيش از 90 %دارد يلف Ldi.dtجريان بار را محدود مي كند . با وجود اين چون جريان ورودي ناپيوسته است معمولاً فيلتري در ورودي مورد نياز است . ولتاژ خروجي اين رگولاتور داراي يك پلاريته و جريان آن نيز يك طرفه است . در ضمن به دليل احتمال اتصال كوتاه شدن دو سر ديود نياز به مدار محافظ است .
در رگولاتورهاي افزاينده ولتاژ خروجي بزرگتر از ولتاژ ورودي است . بنابراين نام «افزاينده » براي ان انتخاب شده است . كار مدار را مي توان به دو حالت تقسيم كرد . حالت 1 هنگامي آغاز مي شود كه ترانزيستور M1در t=0روشن شود . جريان ورودي كه در حال افزايش است از طريق سلف Lو ترانزيستور Q1جاري مي شود . حالت 2 وقتي شروع مي شود كه ترانزيستور M1در t=t1خاموش شود . جرياني كه از ترانزيستور عبور مي كرد حال از طريق L,Cبار ديود Dmجاري مي شود . جريان سلف تا هنگامي كه كه ترانزيستور M1دوباره در سيكل بعدي روشن شود افت مي كند . انرژي ذخيره شدهدر سلف Lبه بار منتقل مي شود .
رگولاتور افزاينده بدون ترانسفورمر مي تواند ولتاژ خروجي را افزايش دهد . اين رگولاتور به علت استفاده از يك ترانزيستور راندمان بالايي دارد . جريان ورودي پيوسته است . ولي بايد جرياني با پيك بالا از ترانزيستور قدرت عبور كند . ولتاژ خروجي نسبت به تغييرات دوره كار كرد Kبسيار حساس است و اين باعث مشكل بودن تثبيت رگولاتور مي شود . متوسط جريان خروجي با ضريب (1-K) از متوسط جريان سلف كمتر است و مقدار موثر جريان عبوري از خازن فيلتر بسيارزياد است . اين امر باعث كاربرد فيلتر خازني و سلفي بزرگتري نسبت به خازن و سلف رگولاتور كاهنده مي شود .
رگولاتورهاي كاهنده - افزاينده مي تواند ولتاژ خروجي كمتر يا بيشتر از ولتاژ ورودي تامين كند . به همين دليل نام «كاهنده - افزاينده » براي آن انتخاب شده است . پلاريته ولتاژ خروجي مخالف پلاريته ولتاژ ورودي است . اين رگولاتور به نام رگولاتور معكوس كننده نيز مشهور است .
كار مدار را مي توان به دو حالت تقسيم كرد . در حالت 2 ترانزيستور Q1روشن است و ديود Dmدر گرايش معكوس قرار دارد . جريان ورودي كه در حال افزايش است از طريق سلف Lو ترانزيستور Q1جاري مي شود . در حالت 2 ترانزيستور Q1خاموش مي شود و جريان كه قبلاً از طريق سلف Lجاري بود از راه L.C.Dmو بار جاري مي شود . انرژي ذخيره شده در سلف Lبه بار منتقل مي شود و جريان سلف تا هنگامي كه ترانزيستور Q1دوباره سيكل بعدي روشن شود بار منتقل مي شود و افت مي كند .
رگولاتور كاهنده - افزاينده بدون ترانسورمر معكوس پولاريته ولتاژ خروجي را توليد مي كند . اين رگولاتور راندمان بالايي دارد . در شرايط غير عادي ترانزيستور di/dtجريان توسط سلف Lمحدود شده و برابر با V/Lخواهد بود . محافظت خروجي مدار در مقابل اتصال كوتاه شدن بسادگي امكان پذير است .اما با وجود اين جريان ورودي ناپيوسته است و مقدار اوج جريان عبوري از ترانزيستور Q1زياد است .
مدار برشگر تايرستوري كه از تايريستور سريع خاموش شونده به عنوان سوئيچ استفاده مي كند احتياج به مدار كموتاسيون براي خاموش كردن آن دارد . روش هاي گوناگوني براي خاموش كردن تايرستورها وجود دارد . در اولين مرحله توليد تايرستورهاي سريع خاموش شونده چندين مدار برشگر ابداع شد . مدارهاي متنوع محصول تلاش براي تامين معيارهاي معيني بود :
1- كاهش محدوده حداقل زمان روشن بودن
2- فركانس كار بالا
3- كار قابل اطمينان
البته با پيشرفت افزارهاي سوئيچگ (به عنوان مثال ترانزيستورهاي قدرت، GTOها) كاربرد مدارهاي تايرستوري به سطوح قدرت بالا و بويژه كنترل موتورهاي كششي محدود شده است .
دانلود کامل مقاله مقدمه ای بر برق قدرت
صفحه مناسب چاپ
