معرفی آزمایشگاه الکترونیک صنعتی

حامد ملااحمدیان، عضو هیئت علمی دانشگاه[1]

1-    دیود و تریستور

دیودهای قدرت به وفور در مدارت الکترونیک صنعتی مورد استفاده قرار می‌گیرند. در یکسوکننده‌ها، برشگرهای DC و AC، اینورترها و غیره از دیودهای قدرت استفاده می‌گردد. پارامترهای حداکثر ولتاژ معکوس و جریان متوسط در انتخاب دیود حائز اهمیت می باشند و مقادیر آنها در طراحی‌ها باید لحاظ گردد. در شکل 1 زیر نماد مداری و منحنی مشخصه آن رسم شده است.


 

شکل1- منحنی ولتاژ- جریان دیود قدرت

 

از معروف ترین قطعات مورد استفاده در الکترونیک قدرت تریستور یا ^[2]SCR  می­باشد که قابل مقایسه با دیود می­باشد. این المان سه پایه بوده و علاوه بر آند و کاتد پایه دیگری به نام گیت دارد که برای روشن شدن می بایست به این پایه جریان تزریق شود. تریستورها دارای دو مشخصة جريان نشتي (حالت قطع) و هدايت ديودي (حالت وصل) می باشند. نکته قابل ذکر درباره تریستورها این است که در طراحی مدارات با استفاده از این قطعه باید به حداقل جریان تحریک گیت (I_GT) و حداقل جریان راه­اندازی یا جریان آند-کاتد ^[3])) برای روشن شدن تریستور توجه شود. همچنین باید توجه گردد چنان­چه جریان تریستور از مقدار مینیمم ( ^[4]) کمتر شود تریستور در آستانه خاموشی قرار می­گیرد . در Error! Reference source not found.نماد مداری و در شکل 3 منحنی مشخصه آن نشان داده شده است.

 

شکل2- نماد مداری تریستور

 

شکل3- منحنی ولتاژ- جریان تریستور

 

تراياک قطعه‌اي 3 پايه است که رفتار آن بسيار شبيه به تريستور بوده با اين تفاوت که قابليت تريگر و هدايت در هر دو جهت از ترمينال‌هاي قدرت را دارد. به همين دليل 2 ترمينال قدرت آن را با اسامي مشابه MT1 و MT2 نام‌گذاري مي‌کنند. از جهت ساختار داخلي نيز شباهت زيادي با تريستور دارد. در شکل 4 نماد مداری و در شکل 5 منحنی مشخصه ترایاک نشان داده شده است.

 

شکل4- نماد مداری ترایاک

 

شکل5- منحنی مشخصه مشخصه ترایاک

شکل6- نمایش نواحی کاری ترایاک

 

2-    یکسوسازهای تکفاز دیودی

در بسیاری از فرآیندهای صنعتی مانند شارژ باطری، تنظیم دور موتورهای DC، آبکاری فلزات و ... احتیاج به توان الکتریکی DC وجود دارد. معمولاً توان الکتریکی در دسترس از نوع تک ‌فاز و سه‌فاز AC می‌باشد. جهت تبدیل توان AC به DC از یکسوسازها استفاه می‌شود.

مدارهای یکسوکننده به دو دسته کلی نیم‌موج و تمام موج تقسیم می‌شود. در یکسوکننده‌های نیم موج جریان در هریک از خطوط تغذیه AC فقط در یک جهت است در حالی که در یکسوکننده‌های تمام موج جریان در تمامی خطوط تغذیه AC متناوب است.

در دسته‌بندی دیگری از یکسوکننده‌ها آنها را می‌توان به یکسوکننده‌های غیر قابل کنترل، نیمه کنترل شونده و تمام کنترل شونده تقسیم کرد. در این آزمایش یکسوکننده‌های غیر قابل کنترل را بررسی می‌کنیم. در مدارهای یکسوکننده‌ کنترل نشده فقط از دیود استفاده شده و دامنه ولتاژ خروجی ثابت و به اندازه دامنه ولتاژ ورودی می‌باشد.

ولتاژ خروجی یکسوکننده ها دارای دو مولفه dc و ac است. رابطه متوسط ولتاژ خروجی یکسوکننده تک فاز نیم موج و تمام موج به ترتیب در روابط (2-1) و (2-2) بیان شده است که همان مولفه dc ولتاژ خروجی محسوب می‌شوند:

(2-1)                                     

(2-2)                                  

مقدار موثر مولفه ac ولتاژ خروجی از رابطه زیر بدست می‌آید.

(2-3)                                           در مورد یکسوکننده ها دو متغیر ضریب شکل و ضریب ریپل نیز دارای اهمیت است که به نوعی کیفیت ولتاژ یکسوشده را بیان می‌کند.

ضریب شکل بیانگر شکل ولتاژ یکسوشده‌ خروجی است و از حاصل تقسیم مقدار موثر ولتاژ بر متوسط ولتاژ بدست خواهد آمد.

ضریب شکل را با FF که از کلمه Form Factor گرفته شده است، نمایش می‌دهند. رابطه ضریب شکل به صورت زیر است.

(2-4)                                             

دیگر مشخصه یکسوکننده‌ها، ضریب ریپل است که با RF نشان داده می‌شود. ضریب ریپل به نوعی مقدار ریپل ولتاژ یکسوشده را نشان می‌دهد.

(2-5)                                               

3-    یکسوسازهای تک فاز تریستوری

یکسوکننده‌ها به سه دسته غیر قابل کنترل، نیمه کنترل شونده و تمام کنترل شونده تقسیم می‌شوند . در این آزمایش یکسوکننده‌های نیمه و تمام کنترل شده بررسی می‌شود. در این نوع یکسوکننده‌ها به جای دیود از تریستور استفاده می‌شود و ولتاژ خروجی DC تابعی از دامنه ولتاژ AC ورودی و زاویه آتش تریستورها می‌باشد. از لحاظ جریان کشیده شده از منبع ورودی به دو دسته نیم موج و تمام موج تقسیم می شوند. در نوع نیم موج جریان تنها در یک جهت از هر خط تغذیه کشیده می‌شود و در نوع تمام موج در هر دو جهت جریان از منبع به سمت مدار جاری می‌شود. روابط ولتاژ خروجی یکسوساز تکفاز نیم موج و تمام موج در روابط (3-1) و (3-2) به ترتیب بیان شده است.

(3-1)           

(3-2)                             

هر مدار الکترونیک صنعتی می‌تواند در وضعیت کاری پیوسته یا ناپیوسته عمل کند . هرگاه جریان سلف در مدار مبدل هیچگاه صفر نشود مبدل در وضعیت هدایت پیوسته عمل می‌کند و هر گاه در کسری از دوره تناوب کاری جریان سلف صفر شود مبدل در وضعیت کاری ناپیوسته عمل می کند. معمولا روابط توصیف کننده معادلات هر مبدل بسته به وضعیت کاری آن تغییر می‌کند.

3-1- یکسوکننده تک فاز نیم موج تمام کنترل شونده

مدار يکسوساز تکفاز نیم موج تریستوری در شکل 7 نشان داده شده است.

فرمان گیت پس از ایزوله شدن به تریستور متصل می‌شود. برای ایزوله نمودن می‌توان از ترانس پالس و یا اپتوکوپلر استفاده نمود.

شکل7- مدار يکسوساز تکفاز نیم موج تریستوری

 

3-2- یکسوساز تکفاز نیمه کنترل شونده تمام موج

مدار يکسوساز تکفاز تمام موج در شکل 8 نشان داده شده است. بار خروجی ازاتصال سری مقاومت 200 اهم و سلف 100 میلی هانری تشکیل شده است.

 

 

شکل8- مدار يکسوساز تکفاز تمام موج

فرمان تریستورهای یک ساق با 180 درجه اختلاف فاز نسبت به یکدیگر داده می‌شود.

 

4-    یکسوسازهای سه فاز دیودی

در یکسوکننده‌های نوع تمام دیودی، ولتاژ خروجی قابل کنترل نمی‌باشد و ولتاژ خروجی DC برای نیم موج و تمام موج سه فاز به صورت روابط (4-1) و (4-2) می‌باشد:

(4-1)                               

(4-2)                               

در بسیاری از فرآیندهای صنعتی مانند شارژ باطری، تنظیم دور موتورهای DC، آبکاری فلزات و ... احتیاج به توان الکتریکی DC وجود دارد. معمولا توان الکتریکی در دسترس از نوع تک‌فاز و سه‌فاز AC می‌باشد. جهت تبدیل توان AC به DC از یکسوسازها   استفاه می‌شود. در توان‌های بالاتر از 15 کیلووات به طور معمول از یکسوسازهای سه فاز (یا شش فاز و بالاتر) جهت تبدیل توان الکتریکی استفاده می‌گردد. یک یکسوساز به طور معمول از نیمه هادی های قدرت، عناصر راکتیو (سلف و خازن)، مدار فرمان (شامل کنترل و درایو) و اجزای محافظ تشکیل شده است.

در شکل 9 و 10 یکسوسازهای غیر کنترل شونده سه پالسه و شش پالسه نشان داده شده است.
 

شکل9- یکسوساز غیر کنترل شونده شش پالسه

شکل10- یکسوساز غیر کنترل شونده سه پالسه

5-    یکسوسازهای سه فاز تمام کنترل‌شونده

برای کاربردهایی که به ولتاژ DC متغیر نیاز است مثل کنترل دور موتور DC، این یکسوسازها مورد استفاده قرار می‌گیرند. در کاربردهای توان بالا استفاده از نوع تکفاز مردود می باشد و تنها از نوع سه فاز استفاده می‌گردد. رابطه بین دامنه ولتاژ DC خروجی و ولتاژ AC ورودی و زاویه آتش تریستورها برای نوع نیم موج و تمام موج به ترتیب در روابط (5-1) و (5-2) بیان شده است.

(5-1)                    

(5-2)                    

 

6-    مبدل‌هاي AC/AC تک‌فاز

برشگرهای AC جهت کنترل توان بارهای AC کاربرد دارند. با تغییر زاویه آتش ولتاژ موثر دو سر بار کنترل می گردد.

این برشگرها بسته به نوع کلیدهای نیم‌هادی که دارند به دو نوع نیم کنترل‌شونده و تمام کنترل‌شونده تقسیم‌بندی می‌شوند. در نوع نیم کنترل‌شونده از یک تریستور جهت کنترل هدایت جریان در نیم‌سیکل مثبت ولتاژ ورودی استفاده می‌گردد و در نوع تمام کنترل شونده از دو عدد تریستور که به صورت موازی معکوس قرار گرفته‌اند؛ جهت کنترل هدایت جریان در نیم‌سیکل‌های مثبت و منفی استفاده می‌شود.

6-1- برشگر AC تک‌فاز نيمه کنترل شده

مدار نشان داده شده در شکل 11، یک برشگر AC تکفاز نیمه کنترل‌شونده را نشان می‌دهد. به کمک این مدار تنها می‌توان هدایت جریان در نیم‌سیکل مثبت را کنترل نمود و در نیم سیکل منفی ولتاژ ورودی، دیود موازی شده با تریستور روشن خواهد شد و ولتاژ بار برابر ولتاژ ولتاژ ورودی خواهد شد.

 

شکل11- برشگر تکفاز نیمه کنترل شونده

6-2- برشگر AC تک‌فاز تمام کنترل شده

برشگر AC تمام کنترل‌شونده دارای دو SCR است که به صورت موازی معکوس به یکدیگر متصل شده اند. در شکل 12 مدار این برشگر نشان داده شده است. تریستور T1 وظیفه کنترل هدایت جریان را در نیم سیکل مثبت ورودی بر  عهده دارد و تریستور T2، هدایت جریان در نیم سیکل منفی ورودی را کنترل می‌کند.

 

شکل 12- برشگر تکفاز تمام کنترل شونده

6-3- دیمر و کنترل ولتاژ AC تکفاز با ترایاک

دیمر در ساده‌ترین تعریف، یک مدار کنترل‌کننده ولتاژ است و اصطلاحاً زاویه آتش را تغییر می‌دهد. بطور مثال به جای اینکه لامپ بطور پیوسته روشن باشد دیمر کاری می‌

کند که در تناوب‌هایی از زمان، برق لامپ قطع و وصل شود و نور آن تغییر کند. در این وسیله ترایاک کلید کنترل توان می‌باشد. در واقع ترایاک مانع عبور قسمتی از موج متناوب ولتاژ ورودی می‌شود. معمولاً دیمر به صورت سری با مصرف‌کننده قرار می‌‌گیرد و ولتاژ ورودی را کنترل می‌کند.

چنانچه یک ترایاک در بین بار و منبع تغذیه قرار گیرد، با تغییر مقدار rms ولتاژ اعمال شده به بار، می‌توان مقدار توان مصرفی بار را کنترل کرد. به چنین مدارهایی مبدل‌های ac-ac و یا کنترل کننده‌های ولتاژ ac گفته می‌شود. در سطوح توان پایین از تریاک و در سطوح بالاتر از تریستور استفاده می‌شود.

7-    مبدل‌های AC به AC سه فاز

توان ورودی به بار سه فاز با اتصال ستاره یا مثلث را می‌توان با مدار تمام کنترل شونده و نیمه کنترل شونده کنترل کرد. مدار تمام کنترل شونده شامل 6 تریستور یا 3 تریاک می‌باشد ولی مدار نیمه کنترل شونده برای برگشت جریان از دیود استفاده می‌کند. نکته قابل ذکر این است که در مدار تمام کنترل شونده لازم است 2 تریستور همزمان هدایت کند. جهت راه اندازی نرم موتورهای القایی یا کنترل دور ارزان قیمت موتورهای القایی سه فاز از این مدارات استفاده می‌گردد. هیترهای صنعتی نیز نمونه ای دیگر از کاربردهای این مدارات می باشند.

8-    بررسی رفتار IGBT،MOSFET  و اپتوکوپلر

الکترونیک صنعتی مدرن با رشد کلیدهای نیمه هادی جدید از جمله ترانزیستور قدرت و MOSFET قدرت متحول شده است و امروزه در بسیاری از کاربردها این کلیدهای نیمه هادی جایگزین تریستور شده اند. منابع تغذیه سوئیچینگ و اینورترها دو دسته بزرگ از کاربرد کلیدهای نیمه هادی جدید می باشند. سرعت کلیدزنی به مراتب بالاتر این کلیدهای جدید مزیت عمده آنها می باشد. این کلیدهای نیمه هادی در مقایسه با تریستور تمام کنترل شونده می باشند.

8-1- اندازه‌گيري پارامترهاي IGBT

به منظور اندازه‌گیری پارامترهای IGBT مدار شکل 13 ارائه شده است.

 

شکل 13- مدار پیشنهادی جهت اندازه گیری پارامترهای IGBT

 

8-2- اندازه‌گيري پارامترهاي MOSFET قدرت

برای اندازه‌گیری پارامترهای MOSFET مداری مشابه حالت قبل در شکل 14 ارائه شده است.

 

شکل 14- مدار پیشنهادی جهت اندازه گیری پارامترهای MOSFET

 

 

8-3- مشاهده رفتار اپتوکوپلر

با هدف بررسی رفتار ایزولاتور نوری و یا Optocoupler مدار پیشنهادی در شکل 15 ارائه گردیده است.

از تراشه PS2501-1 و یا 6N137 می‌توان به عنوان اپتوکوپلر در مدار زیر استفاده کنید. نکته لازم به ذکر این است که تراشه‌‌های نامبرده جزء ایزولاتورهای نوری سریع و با فرکانس عملکردی بالا هستند.

 

 

شکل 15- مدار پیشنهادی جهت بررسی رفتار اپتوکوپلر

9-    اینورتر تکفاز و آشنایی با روش مدولاسیون SPWM تکفاز

این مبدل‌ها با عنوان اینورترها ذکر می‌شوند. ولتاژ خروجی AC می‌تواند در یک فرکانس ثابت یا متغیر باشد. در صورتیکه در این مبدل‌ها ولتاژ ورودی تغییر نموده و ضریب بهره ثابت بماند ولتاژ خروجی متغیر حاصل می‌گردد. اینورترها به دو دسته کلی اینورترهای تک‌فاز و اینورترهای سه‌فاز تقسیم می‌شوند و اگر ولتاژ ورودی ثابت بماند به این اینورترها، اینورتر منبع ولتاژ و اگر چنانچه جریان ورودی ثابت نگه داشته شود به آن اینورتر منبع جریان گفته می‌شود. در شکل 16 اینورتر ولتاژ تکفاز نشان داده شده است.

اگر ولتاژ ورودی ثابت بماند با تغییر ضریب بهره اینورتر که معمولاً با روش کنترل مدولاسیون پهنای پالس انجام می‌گیرد، ولتاژ خروجی متغیری خواهیم داشت. در شکل 17 ‏روش ساخت پالس‌های فرمان برای اینورتر تکفاز نشان داده شده است. از مقایسه موج دندانه‌اره‌ای با سینوسی مرجع پالس‌های فرمان ساخته شده است.

در نیم سیکل مثبت ولتاژ خروجی اگر کلیدهای Q1 و Q4 فرمان داده می‌شوند؛ ولتاژ بار برابر ولتاژ ورودی خواهد شد و توان از ورودی به سمت بار منتقل خواهد شد. پس از این حالت کلیدزنی، برای حفظ پیوستگی جریان بار خصوصا در بار سلفی، کلیدهای Q3 و Q4 با هم روشن خواهند شد تا دو سر بار اتصال کوتاه شود و جریان ذخیره شده در بار سلفی دشارژ گردد. در نیم سیکل منفی ولتاژ خروجی اگر کلیدهای Q2 و Q3 روشن شوند، ولتاژ بار برابر ولتاژ ورودی خواهد شد اما علامت آن قرینه ورودی می‌باشد. در این زمان انتقال توان به خروجی صورت خواهد گرفت و پس از این حالت کلیدزنی کلیدهای Q2 و Q1 روشن خواهند شد تا دو سر بار اتصال کوتاه و برگشت جریان بار از این طریق صورت گیرد.

با تغییر دامنه سینوسی مرجع، شاخص مدولاسیون دامنه و یا ضریب بهره اینورتر تغییر می‌کند که به تبع آن امکان دستیابی به ولتاژ با مقدار موثر متغیر در خروجی فراهم خواهد شد. اگر فرکانس موج دندان‌اره‌ای تغییر کند، فرکانس کلیدزنی تغییر خواهد کرد. هر چقدر فرکانس کلیدزنی بیشتر باشد، طیف هارمونیکی ولتاژ خروجی فرکانس‌های بالاتری را پوشش می‌دهد و از اهمیت کمتری برخوردار است. اما افزایش فرکانس کلیدزنی دارای این عیب است که تلفات کلیدزنی افزایش خواهد داشت.

 

شکل16- مدار اینورتر تکفاز

 

الف) در ماکزیمم ولتاژ خروجی

 

ب) در نصف ماکزیمم ولتاژ خروجی

 

ج) در نصف ولتاژ و نصف فرکانس

 

شکل17- ساخت پالس‌های فرمان اینورتر تکفاز با موج دندانه‌اره‌ای یکطرفه

10-           اینورتر تکفاز و فیلترهای ورودی و خروجی اینورتر

ولتاژ خروجی اینورتر ایده‌آل بایستی شکل موج سینوسی باشد البته در عمل ایده آل نبوده و دارای هارمونیک است. در کاربردهای قدرت کم و متوسط ولتاژخروجی با شکل موج مربعی یا شبه مربعی کفایت می کند، اما در کاربرد های قدرت بالا شکل موج با اعوجاج کمتر مورد نیاز است. در این مدارات زمانیکه تعداد پالس ها در هر سیکل افزایش می یابد، منجر به افزایش هارمونیک های مرتبه بالا می گردد. این هارمونیک ها راحت تر از هارمونیک های مرتبه پایین، توسط فیلترهای ورودی و خروجی اینورترحذف می گردند. در نتیجه خروجی به فرکانس مورد نظر نزدیک تر خواهد شد. مقادیر سلف و خازن فیلتر با توجه به رابطه (10-1) می‌تواند محاسبه گردد.

(10-1)                                                  

در شکل 18 نحوه قرارگیری فیلترهای ورودی و خروجی نشان داده شده است. فیلترهای ورودی DC و فیلترهای خروجی از نوع AC می‌باشند.

 

شکل 18- نحوه قرارگیری فیلترهای ورودی و خروجی اینورتر

11-           کنترل دور موتورهای القایی به روش V/F

اینورترها از جمله مبدل هایdc–ac  می باشند که به طور وسیعی در کاربردهای صنعتی استفاده می گردد. محرک های سرعت متغیر موتورهای ac ، منابع تغذیه بی وقفه و . . . تنها بخشی از کاربردهای اینورترها به شمار می‌روند. در اینورترهای سه فاز، خروجی دارای ولتاژ متناوبی با اختلاف فازهای °0 ، °120 و° 240 می باشد.

همانطور که بیان شد، یکی از کاربردهای اینورترهای سه‌فاز کنترل دور موتورهای AC است. زمانی که از اینورتر سه‌فاز برای کنترل دور موتور استفاده می‌گردد، از روش‌های کنترلی اسکالر و برداری برای اعمال فرمان مناسب به کلیدها و کنترل دور موثر و کارآمد موتور بهره‌گیری خواهد شد. یکی از این روش‌های کنترلی روش مبتنی بر Volt per Hertz است.

روش تثبیت نسبت ولتاژ به فرکانس (یا کنترل V/ F ثابت)، ساده ترین روش کنترل موتورهای   ACمی‌باشد. امروزه این روش، بطور گسترده در کاربردهای صنعتی مورد استفاده قرار می‌گیرد. این نوع کنترلرها از نوع اسکالر بوده و بصورت حلقه باز با پایداری خوب عمل می‌کنند. مزیت این روش سادگی سیستم‌های کنترلی آن است. در مقابل، این نوع کنترلرها برای کاربردها با پاسخ سریع مناسب نمی باشند.

در روش V/F نسبت دامنه ولتاژ خروجی به فرکانس آن همواره مقدار ثابتی نگه داشته می‌شود تا دامنه شار درون موتور ثابت باقی بماند؛ چراکه در صورت کاهش دامنه شار موتور، حداکثر گشتاور قابل حصول کاهش یابد و افزایش دامنه شار ماشین از مقدار نامی ممکن است سبب اشباع هسته گردد و راندمان موتور را کاهش دهد.

سرعت يك موتور القائي توسط سرعت سنكرون و سرعت لغزش رتور تعيين مي گردد. با توجه به رابطه دور موتور آسنكرون (11-1) می‌توان با تغيير فركانس، سرعت سنكرون را تغيير، و دور موتور را کنترل نمود. به منظور ايجاد ولتاژ و فركانس متغير از اینورتر های ولتاژ استفاده می‌کنند. در اينورترهاي ولتاژ، متغير تحت كنترل همان ولتاژ و فركانس اعمالي به استاتور است .

(11-1)                                      

12-           کنترل حلقه بسته سرعت موتور القایی

با توجه به مزایای فوق العاده زیاد موتور القایی سه فاز و کاربردهای متعدد مرتبط با کنترل دور موتور، کنترل دقیق دور موتور حائز اهمیت می‌باشد. در این آزمایش کنترل حلقه بسته موتور القایی به کمک ماژول کنترلر سرعت مبتنی بر روش V/F، ماژول کنترل‌کننده PID، سنسور القایی یا حساس به فلز و مبدل فرکانس به ولتاژ انجام می‌پذیرد.

بلوک دیاگرام کنترل حلقه بسته موتور القایی در شکل 19 نشان داده شده است. سرعت موتور به کمک یک سنسور القایی اندازه‌‌گیری می‌شود و به کمک مبدل داخلی ماژول Analog Pulse Meter به یک سیگنال ولتاژی در محدوده V3.3-0 تبدیل می‌شود. سپس از مقدار سرعت مرجع کم می‌شود و نتیجه حاصل یک سیگنال پیوسته 0 تا 3.3 ولت جهت اعمال به ماژول کنترل PID می‌باشد. ماژول PID مبتنی بر مدارات op-amp ای بوده و سیگنال خطا را که از تفاضل سیگنال مرجع و سیگنال فیدبک بدست آمده؛ دریافت می‌کند و یک سیگنال ولتاژی در محدوده 0 تا 3.3 ولت در خروجی خود تولید می‌کند. این سیگنال جهت انجام عملیات کنترل، به ورودی Control Signal ماژول V/F اعمال  می گردد. برای تنظیم ضرایب کنترل کننده PID به‌گونه‌ای عمل نمایید که مقدار خطا حداقل شود.

 

شکل 19- بلوک دیاگرام آزمایش کنترل حلقه بسته سرعت موتور القای

13-           مبدل های dc-dc غیر ایزوله با دو عنصر ذخیره انرژی

مبدل های dc-dc نقش قابل توجهی در الکترونیک صنعتی مدرن پیدا کرده‌اند. امروزه هسته و قلب مرکزی هر منبع تغذیه سوئیچینگ، یک مبدل dc-dc می‌باشد. این مبدل ها بر حسب ایزوله بودن ورودی از بار به دو دسته: ایزوله و غیر ایزوله دسته بندی می شوند. انواع ایزوله خارج از اهداف آموزشی درس الکترونیک صنعتی می‌باشد و به طور معمول در الکترونیک قدرت مورد بررسی قرار می گیرند. انواع غیر ایزوله مشتمل بر دسته کلی: کاهنده یا باک، افزاینده یا بوست و افزاینده-کاهنده یا باک-بوست می باشند. شماتیک این سه مبدل معروف در شکل20 نشان داده شده است.

 

 

 

شکل20- آرایش مبدل های غیر ایزوله متداول دارای دو عنصر ذخیره انرژی به همراه نمودار نسبت تبدیل مبدل (M(D  بر حسب دوره کاری :(D) 1) کاهنده، 2) افزاینده و 3) افزاینده-کاهنده

در شکل 20 نمودار و نسبت تبدیل سه مبدل رسم شده است. به کمک بردهای DC-DC PWM Converter و Pulse width Modulator امکان پیاده‌سازی آرایش‌های مختلف مبدل‌های DC-DC وجود خواهد داشت. لازم به ذکر است که فرمانهای تولید شده به وسیله مدار فرمان تولید کننده پالسهای PWM می بایست از طریق ماژول ایزوله کننده نوری (Optocoupler) به ماسفت قدرت واقع در مدار قدرت متصل شوند.

14-           مبدل سیکلوکانورتر

در مبدل های دوره تناوب ، فرکانس و دامنه خروجی کنترل می‌گردد . در انواع تکفاز فرکانس خروجی کسری صحیح از فرکانس ورودی می باشد و تنها فرکانس کاهش می یابد . اما در انواع سه فاز امکان افزایش فرکانس نیز وجود دارد . سادگی و ارزانی این روش کنترل فرکانس باعث کاربرد آن در کنترل دور موتورهای القایی بزرگ شده است . ایده عملکردی این مبدل ها در شکل 21 نشان داده شده است.

 

شکل21- ایده عملکردی مبدل دوره تناوب الف) تنها تغییر فرکانس،  ب) تغییر توام دامنه وفرکانس

 

شکل22- مدار سیکلوکانورتر تکفاز

15-           معرفی واحد مانیتورینگ و کنترل مبدل‌های توان

در راستای یکپارچه سازی و ایجاد سهولت در پیاده سازی مدارات الکترونیک صنعتی، ترکیب مدار مولد پالس و ایزولاتور نوری یا مغناطیسی در یک ماژول ترکیب شده و عملیات کنترل مبدل های الکترونیک صنعتی در آن صورت می گیرد. در شکل 23 شمای ظاهری این ماژول نشان داده شده است.

 

شکل23- ماژول تولید یک پارچه پالس های فرمان و مانیتورینگ

شش خروجی این ماژول بر حسب نوع تنظیم صورت گرفته در صفحه نمایش لمسی، برای مبدل های:

1-         تریستوری تکفاز

2-         تریستوری سه فاز

3-         اینورتر تکفاز

4-         اینورتر سه فاز

5-         PWM

پالس فرمان لازم را تولید می نماید. با این توضیح همه آزمایش با استفاده از ماژول مانیتورینگ و کنترل مبدل های توان قابل انجام است. تفاوت موجود در این مساله تنها جایگزینی مدار مولد پالس و ایزولاتور مربوطه با این ماژول می باشد. در صورت استفاده از این ماژول دیگر نیازی به استفاده از ایزولاتورها ( اپتوکوپلر یا ترانس پالس) نمی باشد. اتصالات بین ماژول ها نیز مشابه حالات قبلی است.

از جهت مانیتورینگ نیز در این ماژول امکان رسم نمودار و محاسبه پارامترهای الکتریکی و مکانیکی مهیا شده است. اندازه گیری ورودی های ولتاژ و جریانی به صورت ایزوله نسبت به هم و نمایش شکل موج های مربوط به آنها در این ماژول فراهم شده است. ورودی مکانیکی سرعت نیز از سنسور پالسی فراهم است.

15-1- راهنمای تنظیمات

 

 

 

 

 

16-           معرفی مدل های تجهیزات و قابلیت‌های آنها

این دستگاه های آموزنده در 9 نسخه و مدل متفاوت تولید می‌شوند. نام، کد و تصویر مدل های مختلف در شکل ادامه بیان شده است.

 








 

آموزنده های الکترونیک صنعتی بر اساس سرفصل های جدید مصوب وزارت علوم طراحی گردیده و دارای دستور کار مدون می باشد. این دستگاه جهت ارائه آزمایشگاه‌های الکترونیک صنعتی و همچنین آموزش پرسنل شرکت های برق منطقه ای و توزیع نیروی برق استفاده می‌گردد. از قابلیت این دستگاه‌ها می توان به موارد زیر اشاره کرد:

1)      آشنایی با کلیدهای نیمه هادی دیود، تریستور، ترایاک، دیاک، ماسفت

2)      بررسی عملی یکسوسازهای دیودی تک فاز و سه فاز

3)      بررسی آزمایشگاهی یکسوسازهای تریستوری سه فاز سه پالسه و شش پالسه

4)      برشگرهای AC تک فاز و سه فاز

5)      دیمر و کنترل روشنایی لامپ

6)       تعویض آسان کلیدهای نیمه هادی

7)      مدار قدرت قابل انعطاف با کاربری آسان

8)      بررسی اینورتر تک فاز و نحوه تولید SPWM

9)      آشنایی با نحوه ی درایو و ایزولاسیون کلیدهای نیمه هادی به دو روش نوری و مغناطیسی

10)  بررسی اینورتر سه فاز با روش کنترل V/F

11)  کنترل دور موتور القایی سه فاز

12)  کنترل دور موتور یونیورسال

13)  فیلترهای پسیو سلفی-خازنی جهت ساختن شکل موج سینوسی

14)  امکان پیاده سازی منابع تغذیه سوییچینگ غیر ایزوله چون باک، بوست، باک-بوست، چوک، سپیک و زیتا.

15)  بررسی مدار پل دیودی با خازن های صافی

17-           اجزای اصلی دستگاه

این دستگاه ها به صورت ماژولار تولید می‌شوند. اجزای اصلی تشکیل دهنده و مشخصات آنها در ادامه بیان شده است.

1- منبع تغذیه سه فاز AC: منبع ولتاژ AC قابلیت تولید دو سطح ولتاژ ۱۲ و ۲۴ ولت را دارا می باشد. تمام خروجی ها به وسیله فیوز حفاظت شده اند تا از اضافه بار کلید ها و ترانسفورماتورها جلوگیری شو د.

2- بورد اتصالات مبدل DC به DC: مبدل های PWM برای تبدیل سطوح مختلف ولتاژهای DC به یکدیگر مورد استفاده قرار می‌گیرند.امکان پیاده سازی مبدل DC/DC با دو یا چهار المان ذخیره کننده انرژی مثل باک، بوست، باک- بوست، چوک، سپیک و زیتا وجود دارد. 

3- دیمر و لامپ: دیمرها به منظور کنترل روشنایی لامپ ها مورد استفاده قرار میگیرند. دیمرهای مدرن بر مبنای ساختار برشگرهای کنترل شده با کلیدهای الکترونیک قدرت ساخته می‌شوند

4- مولتی متر: این دستگاه برای اندازه‌گیری ولتاژ، جریان، مقاومت و... مورد استفاده می‌باشد.

5- پل دیود و خازن: یکسوساز سه فاز دیودی یک مبدل AC/DC غیر قابل کنترل است که به کاربران امکان درک اصول تبدیل AC به DC را می‌دهد.

6- پل تریستور: از پیکربندی پل سه فاز می توان برای پیاده سازی برشگر AC سه فاز استفاده نمود.

7- مدار فرمان PWM: پالس های کلیدزنی توسط ماژول تولیدکننده PWM ایجاد می شود. یک موج دندانه اره ای با فرکانس متغیر با دوره کاری مرجع مقایسه می شود تا پالس های آتش کلیدها تولید شود

8- ترانسفورماتور پالس: ترانسفورماتور پالس به گونه ای طراحی می شود که بتواند پالس های مربعی شکل را انتقال دهد. پالس های آتش با استفاده از ترانسفورماتور پالس ازکلیدهای الکترونیک قدرت ایزوله می شوند. هر پالس ورودی به دو پالس ایزوله خروجی تبدیل می‌شود.

9- مدولاتور پهنای پالس سینوسی تکفاز: مدولاتور پهنای پالس سینوسی (SPWM) سیگنال های PWM را با مقایسه دو سیگنال سینوسی و رمپ تولید می نماید. دو خروجی مکمل یکدیگر هستند و برای اطمینان از کلیدزنی ایمن، بین پالس های کلید بالا و پایین زمان مرده در نظر گرفته شده است.پالس های کلید بالا و پایین زمان مرده در نظر گرفته شده است.

10- اپتوکوپلر: اپتوکوپلرها بین ماژول های کنترل و قدرت کلیدهای الکترونیک قدرت ایزولاسیون نوری ایجاد می‌کنند.

11- تغذیه تحریک DC: این ماژول جهت تنظیم ولتاژ DC متغیر مورد استفاده قرار می‌گیرد.

12- کنترل کننده سرعت V/f: این ماژول فرمانهای مدار اینورتر سه فاز را برای کنترل دور موتور سه فاز فراهم می‌کند.

13- پل سه فاز ماسفتی: این ماژول جهت پیاده سازی پل سه فاز مبتنی بر MOSFET استفاده می‌گردد.

14- پالس های سنکرون شده سه فاز: این ماژول جهت تولید پالس های سه فاز برای برشگرهای AC و یکسوکننده های کنترل شونده مورد استفاده قرار میگیرد و به صورت دستی و کامپیوتری قابل تنظیم می‌باشد.

15- پل IGBT: از پیکربندی پل سه فاز می توان برای پیاده سازی برشگر AC سه فاز استفاده نمود.

16- بار RLC: شامل بارهای مختلف و در مقادیر مختلف می‌باشد.

17- موتور سه فاز و یونیورسال: این ماژول شامل یک موتور الکتریکی سه فاز و یک موتور یونیورسال می‌باشد.

18- پالس متر آنالوگ: این ماژول جهت اندازه گیری دور ماشین های الکتریکی مورد استفاده قرار می‌گیرد.

19- کنترل کننده PID:  این ماژول یک کنترل کننده PID کامل به همراه بهره های متغیر می باشد.

20- پردازشگر سیگنال دیجیتال: این ماژول جهت پردازش سیگنال دیجیتال مورد استفاده قرار می گیرد.

21- ایزولاتور جریان: جهت اندازه گیری و ایزولاسیون جریان های ماشین الکتریکی مورد استفاده قرار می‌گیرد.

22- ایزولاتور ولتاژ: جهت اندازه گیری و ایزولاسیون ولتاژهای ماشین الکتریکی مورد استفاده قرار می‌گیرد.

 

 

 

 

18-           آزمایش های قابل انجام

در دستور کار آزمایشگاه الکترونیک صنعتی 16 آزمایش ارائه گردیده است. مطالب بیان شده در دستور کار هر آزمایش شامل مقدمه، شرح آزمایش و تحلیل و جداول مربوطه و در پایان سؤالات مربوط به آزمایش می‌باشد. این دستور کار طوری طرح شده است تا دانشجو حین انجام مراحل مختلف آزمایش بخش‌های مختلف آن را تکمیل نماید و با تحلیل نتایج حاصل به درک عمیق‌تری از مفاهیم الکترونیک صنعتی دست یابد. طبیعتاً به دلیل زمان محدود آزمایشگاه، انجام برخی محاسبات در آزمایشگاه توسط دانشجو امکان پذیر نبوده و این مهم به بخش سؤالات انتهای هر بخش منتقل شده است.

لیست آزمایش‌های قابل انجام به شرح زیر می‌باشد:

1- اندازه‌گیری پارامترهای دیود قدرت، تریستور و ترایاک

2- مبدل‌های AC به DC تکفاز دیودی

3- دیمر و کنترل ولتاژ AC تکفاز با ترایاک

4- مبدل‌های AC به DC تک فاز تریستوری

5- مبدل‌های AC بهDC سه فاز دیودی

6- مبدل‌های AC به DC سه فاز تمام کنترل‌شونده

7- مبدل‌هاي AC/AC تکفاز

8- مبدل‌های AC به AC سه فاز

9- بررسی رفتار IGBT،MOSFET  و اپتوکوپلر

10- اینورتر تکفاز و آشنایی با روش مدولاسیون SPWM تکفاز

11- اینورتر تکفاز و فیلترهای ورودی و خروجی اینورتر

12- کنترل دور موتورهای القایی به روش V/F

13- کنترل حلقه بسته سرعت موتور القایی

14- مبدل‌های dc-dc غیر ایزوله با دو عنصر ذخیره انرژی

15- مبدل سیکلوکانورتر

16- معرفی واحد مانیتورینگ و کنترل مبدل‌های توان

 

 

تیجه گیری

در این مقاله اجزای مختلف سیستم آزمایشگاه الکترونیک صنعتی استفاده معرفی شدند. قابلیت ها و مشخصات انواع دستگاه ها مرور شدند و آزمایش های قابل انجام با هر دستگاه بیان گردیدند.