فهرست
- 1 مهندسی الکترونیک قدرت، اگرچه ممکن است به اندازه سایر اشکال مهندسی محبوب نباشد، برای دنیای اطراف ما اهمیت زیادی دارد – به ویژه در مورد سیستم هایی که جهان ما را نیرومند نگه می دارند.
- 2 سیستم های قدرت الکتریکی
- 3 درایوهای موتور الکتریکی
- 4 ذخیره انرژی و انرژی های تجدید پذیر
- 5 قدرت بخشیدن به فناوری های آینده
مهندسی الکترونیک قدرت، اگرچه ممکن است به اندازه سایر اشکال مهندسی محبوب نباشد، برای دنیای اطراف ما اهمیت زیادی دارد – به ویژه در مورد سیستم هایی که جهان ما را نیرومند نگه می دارند.
این سری کوتاه از مقالات راه‌های نفوذ الکترونیک قدرت در زندگی روزمره ما را بررسی می‌کند. در قسمت پایانی این مجموعه، نگاهی می اندازیم به این که چگونه سیستم های قدرت الکتریکی واقعاً هر جنبه ای از دنیای اطراف ما را در بر می گیرند.
سیستم های قدرت الکتریکی
هنگامی که اصطلاح «سیستم قدرت الکتریکی» را می شنویم، ممکن است ابتدا به سیستم های برق شهری فکر کنیم که به طور سنتی به عنوان تولید، انتقال و توزیع انرژی الکتریکی ساخته می شوند. اما یک سیستم قدرت الکتریکی فراتر از آن است و شامل صنایع، مراکز خرید، خانه ها، حمل و نقل، هوا، زمین، دریا و غیره است.
ارتباط بین دنیای سیستم های قدرت الکتریکی و الکترونیک قدرت قوی است. هر دو دنیا به یکدیگر وابسته اند.
الکترونیک قدرت به طور فزاینده ای به یک عنصر صمیمی از سیستم های قدرت تبدیل شده است – بهبود کیفیت، عملکرد، و ارتقای تحقق تدریجی انرژی هوشمندتر و کارآمدتر.
الکترونیک قدرت در سیستم های قدرت به اشکال مختلف زندگی می کند. در زیر به چند مورد از آنها می پردازیم.
درایوهای موتور الکتریکی
موتورهای الکتریکی نقشی حیاتی در تامین نیرو برای کاربردهای خانگی و صنعتی دارند.
درایوهای الکترونیک قدرت کنترل موتورهای الکتریکی را با مزیت اضافی بهره وری و قابلیت اطمینان بیشتر سیستم امکان پذیر می کنند. درایو موتور شامل یک موتور الکتریکی، یک مبدل الکترونیکی قدرت و احتمالاً یک سنسور سرعت و موقعیت است.
درایوهای موتور DC
مهندسان از درایوهای موتور DC در صورت نیاز به ترکیبی از جنبه های زیر استفاده می کنند: سرعت یا گشتاور ثابت، محدود کردن خودکار گشتاور، شتاب ثابت، معکوس کردن تحت بار، تغییرات دقیق سرعت مطابق با سیگنال مکانیکی یا الکتریکی، و ترمز دینامیکی.
این درایوها امکان راه اندازی، توقف، کنترل سرعت و چرخش معکوس موتورهای DC را فراهم می کنند. کاربردهای معمولی در ماشین ابزار دقیق (سایر و ماشین تراش) در عملیات تولید دقیق (اختلاط، انتقال و سیم پیچ)، روباتیک (درایو با کیفیت سروو)، لوازم خانگی و سایر دستگاه های کم هزینه است.
اکثر مبدل های رایج، ولتاژ و جریان آرمیچر موتور DC را کنترل می کنند و در دو دسته کلی DC-DC و AC-DC دسته بندی می شوند. سیستم های تامین DC غیر معمول هستند. استثناء برنامه های کششی و وسایل نقلیه با باتری هستند.
درایوهای DC معمولاً جریان آرمیچر موتورها را کنترل می کنند. موتورهای کسری و کم انتگرال اسب بخار معمولا تک فاز هستند در حالی که موتورهای بزرگتر سه فاز هستند.
درایوهای موتور القایی (AC).
القای قفس سنجابی رایج‌ترین شکل موتوری است که در صنعت یافت می‌شود، عمدتاً به دلیل هزینه کم و ساختار قوی آن. هنگامی که مستقیماً از ولتاژهای نامی خط کار می کند، یک موتور القایی نزدیک به سرعت ثابت کار می کند. مبدل‌های الکترونیک قدرت امکان استفاده از موتورهای القایی را در کاربردهایی که به سرعت متغیر و درایو سروو نیاز دارند، می‌دهند و بازده انرژی را بهبود می‌بخشند.
درایوهای موتور سنکرون (AC).
به طور سنتی، برنامه های کاربردی کنترل سرعت و موقعیت از درایوهای موتور DC استفاده می کنند. اما، در سال‌های اخیر، درایوهای سروو موتور سنکرون AC در کاربردهایی مانند تجهیزات رایانه‌ای جانبی و روباتیک رایج هستند.
موتورهای سنکرون از درایوهای با سرعت متغیر به اشکال مختلف مانند پمپ های حرارتی، کمپرسورها و فن های بزرگ استفاده می کنند. در کاربردهای چند کیلوواتی، استفاده از موتورهای سنکرون با آهنربای دائم مرسوم است، اما زمانی که توان آن زیاد است، بهتر است از موتورهای سنکرون با روتور زخمی استفاده شود.
چرخه مبدل
سیکلوکونورترها سرعت موتورهای سنکرون و القایی را در کاربردهای کم سرعت و اسب بخار زیاد کنترل می کنند. یک سیکلوکونورتر فرکانس منبع AC را با استفاده از یکسو کننده های کنترل شده تغییر داده شده توسط خط AC تغییر می دهد. این روش دیگری برای تغییر فرکانس است، متفاوت از سیستمی که از یکسو کننده و اینورتر استفاده می کند.
موتور نرم استارت
استارت‌های نرم با سرعت ثابت برای موتورهای القایی، ولتاژ موتور را در هنگام راه‌اندازی کاهش می‌دهند، بنابراین جریان‌های هجومی را کاهش می‌دهند، گشتاور را محدود می‌کنند و شتاب ملایمی را تا حداکثر سرعت فراهم می‌کنند.
کاهش جریان های هجومی، با افزایش ولتاژ عرضه شده به موتور، مشخصات ولتاژ سیستم قدرت را بهبود می بخشد، عمر موتور را افزایش می دهد و از سایر مشکلات معمولی مرتبط با راه اندازی موتورهای القایی جلوگیری می کند.
ذخیره انرژی و انرژی های تجدید پذیر
فن‌آوری‌های ذخیره‌سازی انرژی امکان برداشت انرژی الکتریکی از شبکه در صورت تقاضا و بازگشت تقریباً تمام آن را در آینده فراهم می‌کنند (بار-پیک-تراش). این ذخیره سازی به ایجاد تعادل در تولید و مصرف انرژی کمک می کند، در صورتی که لزوماً با هم مطابقت ندارند.
تجهیزاتی که بر روی اصول فتوولتائیک، ترموالکتریک، ترمیونیک، پیل سوختی یا مگنتوهیدرودینامیکی کار می‌کنند، اساساً دستگاه‌های DC با جریان بالا، ولتاژ پایین هستند.
فن‌آوری‌های ذخیره‌سازی، و منابع انرژی تجدیدپذیر، به الکترونیک قدرت نیاز دارند تا DC را به AC با فرکانس پایدار معکوس کنند، که برای درج در شبکه‌ها در سطوح توان بالا قابل قبول است.
از آنجایی که جهان ما به طور مداوم اهمیت حفظ انرژی را در نظر می گیرد، ما به فناوری های ذخیره انرژی و انرژی های تجدیدپذیر به عنوان آینده قدرت نگاه می کنیم.
انتقال ولتاژ بالا DC (HVDC)
خطوط و کابل‌های DC برای انتقال مقادیر زیاد برق در فواصل طولانی و در برنامه‌های انتقال کابل زیردریایی یا زیرزمینی نسبت به سه فاز AC ارزان‌تر هستند. AC برای تولید، توزیع ولتاژ پایین، انتقال در فواصل کوتاه تا متوسط و مصرف سودمندتر است.
استفاده از سیستم های DC تا اواسط دهه ۵۰ غیر عملی بود، زمانی که نوآوری دریچه قوس جیوه ای ولتاژ بالا، انتقال DC را برای اولین بار از نظر اقتصادی جذاب کرد. پیشرفت‌های بعدی در فناوری‌های نیمه‌رسانا، موضوع مبدل HVDC را غنی‌تر کرد.
در سمت ژنراتور AC، مبدل ها به عنوان یکسو کننده عمل می کنند که پس از افزایش ولتاژ توسط ترانسفورماتور مبدل، DC می شود. در انتهای گیرنده، مبدل ها به عنوان اینورتر برای دریافت AC کار می کنند. در نهایت، پس از کاهش ولتاژ توسط ترانسفورماتورهای مبدل، برق به کاربران عرضه خواهد شد.
بهبود پایداری گذرا و میرایی دینامیکی نوسانات سیستم الکتریکی دو عاملی هستند که تعادل را به سمت DC ترجیح می دهند تا AC. انتقال HVDC همچنین برای اتصال سیستم های برق AC با فرکانس های مختلف یا بدون سنکرونیسم به کار می رود.
جبران کننده VAR استاتیک (SVC)
جبران کننده های استاتیک ولت آمپر راکتیو (VAR) کنترل سریعی بر توان راکتیو با توجه به تغییرات بار ارائه می دهند. آنها پایداری اتصال بین سیستم های AC را بهبود می بخشند و از سوسو زدن ولتاژ ناشی از کوره های قوس الکتریکی و سایر بارهای صنعتی جلوگیری می کنند و از این رو کیفیت توان را بهبود می بخشند.
فیلترهای اکتیو پاور
فیلترهای قدرت فعال دستگاه هایی هستند که برای بهبود کیفیت و کارایی سیستم های شبکه استفاده می شوند.
هارمونیک ها نباید وارد سیستم قدرت شوند وقتی که تاسیسات بارهای غیر خطی را تامین می کنند. اولین حرکت، اصلاح طراحی بار غیرخطی خود، کاهش هارمونیک ها به یک مقدار مطمئن است. استفاده از فیلترهای توان فعال زمانی عملی می شود که این راه حل امکان پذیر نباشد.
فیلترهای اکتیو توان عملکرد بهتری نسبت به فیلترهای غیرفعال LC در جبران هارمونیک های دینامیکی دارند و تحت تاثیر امپدانس و فرکانس شبکه قرار نمی گیرند. آنها می توانند ضریب توان بار را بهبود بخشند و یک طرح کنترلی مناسب را اجرا کنند.
امروزه، به دلیل افزایش توانایی انتقال نیرو در دستگاه های نیمه هادی قدرت، به طور گسترده ای مورد استفاده قرار می گیرند.
منبع تغذیه بدون وقفه (UPS)
ارائه بارهای حیاتی – شبکه های کامپیوتری، سیستم های اسکادا، تجهیزات پزشکی – با منابع تغذیه اضطراری معمول است. آنها در برابر قطع، اضافه ولتاژ، تحت ولتاژ، گذرا و هارمونیک محافظت می کنند.
اصل عملکرد آن ساده است. یکسو کننده جریان متناوب را به DC تبدیل می کند و برق را به بانک باتری (با نگه داشتن آن شارژ می کند) و یک اینورتر را تامین می کند. اینورتر DC را به AC تبدیل می کند و بار را تامین می کند. در شرایط عادی، یکسو کننده به طور مستقیم اینورتر را تغذیه می کند. اگر قطعی رخ دهد، باتری ها اینورتر را تغذیه می کنند. به این ترتیب، UPS ناخالصی های شهری را جدا می کند و در هنگام قطع برق، جریان برق به بار قطع نمی شود.
فناوری باتری خودروهای هیبریدی و الکتریکی
الکترونیک قدرت برای صنعت برق برای مدیریت خودروهای هیبریدی و برقی پلاگین ضروری است.
بر اساس تحقیقات بازار متفقین ، ارزش بازار جهانی خودرو در سال ۲۰۱۹ برابر با ۱۶۲ میلیارد دلار بود. تخمین زده می شود که تا سال ۲۰۲۷ به ۸۰۲ میلیارد دلار افزایش یابد. فناوری الکترونیک قدرت پشت خودروهای برقی امروزی یک نیروی محرکه برای بازار جهانی است.
قدرت بخشیدن به فناوری های آینده
الکترونیک قدرت آنقدر در زندگی روزمره ما ریشه دوانده است که می تواند مورد توجه قرار نگیرد.
الکترونیک قدرت وظیفه تبدیل و تنظیم انرژی الکتریکی را بر عهده دارد و این امکان را برای دستگاه هایی که ما روزانه کار می کنیم را فراهم می کند.
اتصال به اینترنت، ماشین‌های الکتریکی، شبکه‌های کامپیوتری، تجهیزات پزشکی، شبکه‌های برق، کارخانه‌ها، ایستگاه فضایی بین‌المللی، و انبوهی از چیزهای دیگر، الکترونیک قدرت را در رگ‌های خود دارند.
آینده هیجان انگیز است، زیرا الکترونیک قدرت تغییر کرده و به تغییر جهان ادامه خواهد داد. سناریوی جهانی فعلی صنعت، انرژی، پزشکی، ارتباطات و حمل و نقل، الکترونیک قدرت را به یک فناوری استراتژیک تبدیل می کند، زیرا پایداری رشد ما را تضمین می کند.
همچنین ببینید: