إلكترونيات صناعية

الإلكترونيات الصناعية أو الإلكترونيات الاستطاعية أو إلكترونيات القدرة (بالإنجليزية: Power Electronics) استخدام العناصر الإلكترونية الجامدة (ذات الحالة الصلبة) في التحكم وتحويل الطاقة الكهربائية لقيمة تناسب التشغيل. حيث يتم تغيير قيمة وشكل الموجة الكهربية والتحكم بها تشير أيضا إلى مواد بحثية في الهندسة الكهربائية والإلكترونية تتعامل مع التصميم والتحكم وحساب وتكامل أنظمة معالجة الطاقة الإلكترونية غير الخطية والمتغيرة زمنياً.

برج صمامات ثايرستور لنظام نقل التيار المستمر ذو الجهد العالي HVDC وطوله 16.8 متر في قاع بحر البلطيق في السويد

شاحن بطارية مثال على استخدام الالكترونيات الصناعية

جهاز تغذية الحاسوب بالطاقة مثال على استخدام الالكترونيات الصناعية

أول جهاز عالي الطاقة يعتمد الالكترونيات الصناعية كان جهاز صمام القوس الزئبقي أما في الأنظمة الحديثة يتم تحويل الطاقة من خلال أنظمة تبديل نصف ناقلة مثل الدَّيودات، الثَّايرِسْتورات، والترانزستورات.

في الأجهزة المنزلية هناك المحول AC/DC أو مايسمى المقوم هو جهاز الإلكترونيات الصناعية المثالي في العديد من الأجهزة الإلكترونية مثل التلفاز، الحواسيب الشخصية، شاحن البطاريات، إلخ. تتراوح الاستطاعة الكهربائية في الإلكترونيات الصناعية من عشرات الواطات إلى عدة مئات من الواط. أما في الصناعية فتعتبر أجهزة تغيير السرعة أو (الإنفرتر الصناعي) من الأجهزة التي تعتمد الإلكترونيات الصناعية للتحكم بالمحركات التحريضية. مجال الاستطاعة في هذه الأجهزة يبدأ من مئات قليلة من الواط إلى عشرات من الميغاواط.

يمكن تصنيف أجهزة تحويل الطاقة بالإلكترونيات الصناعية اعتمادا على نوع الطاقة الداخلة والخارجة لهذا الجهاز.

• AC إلى DC (مقوم)
• DC إلى AC (عاكس)
• DC إلى DC (مبدل DC to DC)
• AC إلى AC (مبدل AC to AC)

العناصر الإلكترونية

يمكن أن تستخدم عناصر الإلكترونيات الصناعية كمبدلات أو مضخمات. المبدل المثالي هو الذي يفتح أو يغلق بدون استهلاك طاقة أي أنه في حالة عدم التمرير يقاوم الجهد المطبق ولايسمح بتسريب أي قيمة للتيار أما في الحالة التمرير فإنه يسمح بمرور التيار دون انخفاض في قيمة الجهد. تقريبا يمكن اعتبار أن العناصر الإلكترونية نصف الناقلة تحمل هذه الميزة ولذلك فإن معظم تطبيقات الإلكترونيات الصناعية والتي تعتمد على عناصر إلكترونية نصف ناقلة في التبديل بين on و off هي فعالة جدا وتهدر طاقة قليلة جداً. إن العلاقة بين الجهد المطبق على العنصر الإلكتروني والتيار المار خلاله تسمى خط الحمل أو مميزة جهد - تيار.

تحدد ميزات مختلفة كيف يتم استخدام كل عنصر إلكتروني. فمثلا عنصر مثل الديود يقوم بالتوصيل وفقا للجهد الأمامي المطبق عليه ولايعتمد على قطب تحكم خارجي في التوصيل. أما عنصر SCR المقوم السيليكوني المُتحكم به «أو الثايرستور» فهو يسمح بالتوصيل اعتمادا على إشارة تحكم ولفترة محددة بمرور التيار العكسي ويعود بعدها للإغلاق. عناصر مثل الثايرستور المتحكم بالفتح والإغلاق GTO أو الترانزستورات ثنائية القطبية BJT والترانزستورات ذات التأثير الحقلي MOSFET يتوفر فيها تحكم كامل بالتبديل ويمك التحكم بفتحها وإغلاقها دون النظر إلى مرور التيار خلالها. يمكن أن تستخدم الترانزستورات أيضا في المضخمات التفاضلية ولكن في الأجهزة التي لاتتجاوز استطاعتها بضع مئات من الواط.

عناصر الإلكترونيات الصناعية تختلف عن بعضها في سرعة التبديل. تناسب بعض الديودات والثايرستورات سرعات تبديل بطيئة نسبياً. ثايرستورات محددة تفيد في سرعات تبديل عند بضع من الكيلو هرتز. عناصر مثل MOSFETS و BJTs يمكنها التبديل عند سرعات من عشرات الكيلوهرتز وتصل إلى بضع من الميغاهرتز في التطبيقات الاستطاعية.

إن عناصر الإلكترونيات الصناعية لاتملك عمليا انخفاض معدوم في الجهد وكذلك إنها تهدر طاقة عند التوصيل وأيضا تأخذ بعض الوقت للوصول إلى حالة "on" أو "off" وهذا الهدر هو جزء هام من الطاقة الكلية المهدورة في المبدل.

عناصر إلكترونيات الجوامد

• الصمام الثنائيّ (الدايود)
• الترانزستور
• الصمام الباعث للضوء (LED: light-emitting diode)
• المقوم السيليكوني المُتحكم به (الثايرستور SCR)
• الترانزستورات ثنائية القطبية BJTs
• الترانزستورات ذات التأثير الحقلي MOSFETS
• المفتاح السيليكونى ذو بوابة الإطفاء (GTO: Gate Turn of Switch)
• ترانزستور ثنائي القطب ذو البوابة المعزولة IGBT

المحول DC/AC (القالبة أو العاكس)

إن محولات DC إلى AC تنتج على الخرج موجة تيار متناوب AC من مصدر تغذية تيار مستمر DC. لها تطبيقات مثل أجهزة ضبط السرعة للمحركات التحريضية ومزودات الطاقة اللامنقطعة "UPS" ومولدات الطاقة بالألواح الضوئية ومعوضات الجهد. إن طبولوجية هذه المحولات يمكن أن تقسم إلى صنفين أساسيين هما: قالبات الجهد وقالبات التيار.إن الطاقة المحولة من DC إلى AC هي نتيجة التحويل باستخدام اجهزة التبديل والمتحكم بها كليا من خلال عناصر إلكترونية نصف ناقلة. لذلك فإن موجة خرج المحول تتألف من قيم متقطعة. إن القدرة على إنتاج موجات قريبة للشكل الجيبي حول التردد الأساسي يكون محددا من خلال تقنية التعديل المستخدمة بالتحكم بفتح وإغلاق العنصر الإلكتروني. هناك تقنيات تعديل شائعة مثل تقنية التعديل النبضي وتقنية الفراغ الشعاعي وتقنية اختيار التوافقي.

هناك ثلاثة أنواع رئيسية من قالبات الجهد هي:

1. قالبات الجهد أحادية الطور نصف الجسرية
2. قالبات الجهد أحادية الطور الجسرية
3. قالبات الجهد ثلاثية الطور

قالبات الجهد أحادية الطور نصف الجسرية

إن قالبات الجهد أحادية الطور نصف الجسرية تُعنى بالتطبيقات منخفضة الجهد وهي شائعة الاستخدام في مزودات الطاقة power supplies.

قالبات الجهد أحادية الطور الجسرية الكاملة

تشابه قالبات الجهد أحادية الطور الجسرية لقالبات الجهد أحادية الطور نصف الجسرية ولكنها تتميز بإضافة قطب أرضي للحمل.

قالبات الجهد ثلاثية الطور

المحولات AC/AC

محاكاة أنظمة الإلكترونيات الصناعية

جهد الخرج لمقوم موجة كاملة بالثايرستور المتحكم به

يتم محاكاة دارات الإلكترونيات الاستطاعية باستخدام عدد من البرمجيات مثل MATLAB\Simulink وPSIM و PLECS حيث يتم محاكاة الدارات قبل تصنيعها وذلك لفحص استجابة الدارات عند شروط محددة.

التطبيقات

تستخدم الالكترونيات الاستطاعية في العديد من التطبيقات مثل وحدات التغذية القابلة للضبط، شواحن البطاريات، أجهزة تغيير التردد، قيادة محركات التيار المستمر المستخدمة في تشغيل المضخات، المراوح والآليات الصناعية.

• محولات DC to DC تستخدم في معظم الأجهزة المحمولة مثل الهواتف النقالة للحفاظ على قيمة محددة للجهد وكذلك تستخدم في أنظمة العنفات الريحية والألواح الضوئية.
• محولات AC to DC أو المقومات تستخدم في أجهزة إلكترونية كثيرة كالتلفاز والحاسوب وغيرها.
• محولات AC to AC تستخدم لتغيير إما مطال أو تردد الطاقة المتناوبة كما في ضوابط الطاقة بين الدول أو في أجهزة التحكم بالضوء.
• محولات DC to AC أو القالبات تستخدم في أجهزة تزويد الطاقة اللامنقطعة أو في أنظمة الإنارة الاحتياطية

الشبكات الذكية

مراجع

المقالة الرئيسة: الشبكة الذكية