کتاب و حل‌المسائل ماشین‌های الکتریکی و درایوها ند موهان(Mohan) ویرایش اول(2012) (زبان انگلیسی)

توضیحات

کتاب و حل‌المسائل ماشین‌های الکتریکی و درایوها ند موهان(Mohan) ویرایش اول(2012) (زبان انگلیسی)

در این مطلب کتاب ماشین‌های الکتریکی و درایوها ند موهان(Mohan) ویرایش اول(2012) و حل‌المسائل ویرایش اول(2012) به صورت pdf و زبان انگلیسی جهت دانلود قرار داده شده است. حل‌المسائل ویرایش اول(2012) از سایت چگ(Chegg)  تهیه شده است و فصل های 1 تا 14 را پوشش می دهد.

در این مطلب، کتاب « ماشین‌های الکتریکی و درایوها » نوشته‌ی ند موهان به همراه حل‌المسائل آن در ویرایش های زیر به‌صورت PDF و به زبان انگلیسی برای دانلود قرار داده شده است.

کتاب اصلی:

• ویرایش اول (2012)

حل‌المسائل:

• ویرایش اول (2012):
• حل‌المسائل جامع تهیه‌شده از Chegg: مجموعه‌ای بسیار کامل و گسترده با حدود 130 صفحه، که پاسخ‌های کامل و گام‌به‌گام مسائل فصل‌های ۱ تا 14 را پوشش می‌دهد (شامل توضیحات تشریحی، شکل‌ها و نکات حل). این نسخه برای دانشجویان و اساتیدی که به دنبال درک عمیق‌تر هستند، بسیار ارزشمند است.

 

دانلود نمونه رایگان حل‌المسائل Chegg ماشین‌های الکتریکی و درایوها ند موهان ویرایش اول

 

معرفی کتاب « ماشین‌های الکتریکی و درایوها » نوشته‌ی ند موهان 

Electric Machines and Drives: A First Course

نویسندگان:

• ند موهان (Ned Mohan)

 

کتاب « ماشین‌های الکتریکی و درایوها » نوشته‌ی ند موهان برای یک درس مقدماتی در ماشین‌های الکتریکی و درایوها نوشته شده است و هدف آن ارائه مفاهیم اساسی تبدیل انرژی الکترومکانیکی به شیوه‌ای مفهومی و مدرن است. ند موهان در این کتاب به جای تمرکز صرف بر روابط پیچیده، تلاش می‌کند درک فیزیکی میدان‌های مغناطیسی، گشتاور و عملکرد ماشین‌ها را تقویت کند. کتاب ماشین‌های الکتریکی و درایوها نوشته ند موهان با رویکردی آموزشی و مرحله‌به‌مرحله تنظیم شده است. ساختار کتاب از مباحث مقدماتی آغاز می‌شود و سپس به‌تدریج به موضوعات تخصصی‌تر در حوزه درایوهای الکتریکی، سیستم‌های مکانیکی، مدارهای الکتریکی، الکترونیک قدرت، مدارهای مغناطیسی و تبدیل انرژی الکترومکانیکی می‌پردازد.

موضوعات اصلی کتاب:

مهم‌ترین موضوعاتی که در این کتاب بررسی می‌شوند عبارت‌اند از:

• مبانی و ساختار سیستم‌های درایو الکتریکی

  شامل معرفی مفهوم درایو الکتریکی، تاریخچه توسعه آن، عوامل رشد درایوها، کاربردهای صنعتی و ماهیت چندرشته‌ای سیستم‌های درایو.

• سیستم‌های مکانیکی مرتبط با درایوهای الکتریکی

  بررسی حرکت‌های خطی و دورانی، انواع بارهای مکانیکی، اصطکاک، تشدیدهای پیچشی، کوپله‌های مکانیکی و تحلیل عملکرد چهارناحیه‌ای موتور.

• مبانی مدارهای الکتریکی مورد نیاز برای تحلیل ماشین‌ها

  شامل مرور مدارهای AC، نمایش فازوری در حالت پایدار و تحلیل سیستم‌های سه‌فاز.

• مبدل‌های الکترونیک قدرت در درایوهای الکتریکی

  بررسی واحدهای پردازش توان، مبدل‌های مورد استفاده در درایوهای موتور DC و AC، اینورترهای سه‌فاز و ادوات نیمه‌هادی قدرت.

• مدارهای مغناطیسی و پدیده‌های مغناطیسی در ماشین‌ها

  شامل میدان مغناطیسی ناشی از جریان، شار و چگالی شار، اندوکتانس، قانون فارادی، ترانسفورماتورها و آهنرباهای دائم.

• اصول تبدیل انرژی الکترومکانیکی

  بررسی نحوه تولید گشتاور و نیرو، ساختار پایه ماشین‌ها، تبدیل انرژی الکتریکی به مکانیکی، تلفات انرژی و بازده.

• درایوهای موتور جریان مستقیم و موتورهای با کموتاسیون الکترونیکی

  شامل ساختار ماشین‌های DC، اصول عملکرد، مدار معادل، روش‌های کنترل و نقش مبدل‌های قدرت در این درایوها.

• طراحی کنترل‌کننده‌های فیدبک در درایوهای موتور

  بررسی اهداف کنترلی، ساختار کنترل آبشاری، طراحی کنترل‌کننده‌ها، تحلیل سیگنال کوچک و اثر محدودیت‌ها در سیستم کنترل.

• مبانی ماشین‌های جریان متناوب و بردارهای فضایی

  معرفی سیم‌پیچ‌های استاتور، توزیع میدان مغناطیسی در فاصله هوایی و استفاده از بردارهای فضایی برای نمایش ولتاژ و جریان.

• درایوهای موتور سنکرون و ماشین‌های با آهنربای دائم

  بررسی ساختار و عملکرد موتورهای PMAC، درایوهای سنکرون با اینورتر کموتاسیون خط و ژنراتورهای سنکرون.

• موتورهای القایی و تحلیل عملکرد آن‌ها

  شامل ساختمان موتور القایی، اصول عملکرد، مدار معادل، مشخصه‌های گشتاور–سرعت، روش‌های راه‌اندازی و کاربرد در تولید انرژی.

• کنترل سرعت موتورهای القایی در درایوهای الکتریکی

  بررسی روش‌های کنترل سرعت، تنظیم ولتاژ و فرکانس، عملکرد در سرعت‌های کمتر و بیشتر از سرعت نامی.

• درایوهای رلوکتانسی

  شامل معرفی موتورهای پله‌ای (Stepper) و موتورهای رلوکتانسی سوئیچ‌شونده و اصول عملکرد آن‌ها.

• بازده انرژی در درایوهای الکتریکی و تعامل اینورتر–موتور

  بررسی تلفات انرژی، اثر هارمونیک‌های سوئیچینگ، بازده مبدل‌های قدرت و مزایای استفاده از درایوهای با سرعت متغیر در صرفه‌جویی انرژی.

ویژگی‌های کتاب:

• توضیح مفاهیم با شکل‌های زیاد و مثال‌های مفهومی
• مناسب برای دانشجویان کارشناسی مهندسی برق
• ارتباط مفاهیم ماشین‌ها با سیستم‌های قدرت و الکترونیک قدرت

درباره نویسنده

نِد موهان (Ned Mohan) یکی از استادان برجسته مهندسی برق و از پژوهشگران شناخته‌شده در حوزه الکترونیک قدرت، ماشین‌های الکتریکی و سیستم‌های انرژی است. او سال‌ها در دانشگاه مینه‌سوتا در ایالات متحده تدریس و تحقیق کرده و آثار علمی و آموزشی او در بسیاری از دانشگاه‌های جهان مورد استفاده قرار می‌گیرد.

زندگی و تحصیلات

نِد موهان تحصیلات اولیه خود را در رشته مهندسی برق در مؤسسه فناوری هند (IIT) به پایان رساند. سپس برای ادامه تحصیل به آمریکا رفت و در دانشگاه ویسکانسین–مدیسن (University of Wisconsin–Madison) موفق به دریافت مدرک کارشناسی ارشد و دکتری مهندسی برق شد.

فعالیت دانشگاهی و علمی

او پس از پایان تحصیلات به عنوان عضو هیئت علمی در دانشگاه مینه‌سوتا (University of Minnesota) مشغول به کار شد و سال‌ها در این دانشگاه به تدریس و پژوهش پرداخت. حوزه‌های اصلی فعالیت علمی او شامل موارد زیر است:

• الکترونیک قدرت
• ماشین‌های الکتریکی و درایوهای موتور
• تبدیل انرژی الکتریکی
• سیستم‌های انرژی پایدار و شبکه‌های برق

پژوهش‌های او بیشتر بر بهبود روش‌های تبدیل و کنترل انرژی الکتریکی و کاربرد الکترونیک قدرت در سیستم‌های مدرن انرژی متمرکز بوده است.

فعالیت‌های آموزشی

نِد موهان علاوه بر پژوهش، در زمینه آموزش مهندسی برق نیز نقش مهمی داشته است. او تلاش کرده مفاهیم پیچیده مهندسی برق را به صورت مفهومی و قابل فهم برای دانشجویان ارائه کند. به همین دلیل کتاب‌های او معمولاً با توضیح‌های مفهومی، مثال‌های کاربردی و شکل‌های آموزشی همراه هستند.

کتاب‌ها و آثار علمی مهم

از مهم‌ترین کتاب‌های او می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

• Power Electronics: Converters, Applications, and Design

یکی از مشهورترین کتاب‌های درسی در زمینه الکترونیک قدرت که در بسیاری از دانشگاه‌های جهان تدریس می‌شود.

• Electric Machines and Drives: A First Course

کتابی آموزشی برای درس ماشین‌های الکتریکی که مفاهیم تبدیل انرژی و عملکرد موتورهای الکتریکی را به صورت پایه‌ای توضیح می‌دهد.

ویژگی آثار علمی او

کتاب‌ها و منابع آموزشی نِد موهان معمولاً دارای چند ویژگی مهم هستند:

• تأکید بر درک فیزیکی و مفهومی پدیده‌ها
• ارائه مطالب به صورت سیستماتیک و مرحله‌به‌مرحله
• ارتباط دادن مفاهیم نظری با کاربردهای عملی و صنعتی

جایگاه علمی

نِد موهان یکی از چهره‌های شناخته‌شده در حوزه الکترونیک قدرت و تبدیل انرژی الکتریکی محسوب می‌شود و آثار او به عنوان منابع درسی در بسیاری از دانشگاه‌های جهان مورد استفاده قرار می‌گیرد. او همچنین در فعالیت‌های علمی و حرفه‌ای مرتبط با انجمن‌های مهندسی برق، از جمله IEEE، مشارکت داشته است.

هدف و رویکرد کتاب

کتاب « ماشین‌های الکتریکی و درایوها » به عنوان یک منبع آموزشی برای درس مقدماتی ماشین‌های الکتریکی و درایوها نوشته شده است. ند موهان تلاش کرده مفاهیم تبدیل انرژی الکترومکانیکی را به شکل مفهومی، سیستماتیک و قابل درک ارائه دهد. رویکرد کتاب بر این اساس است که دانشجو ابتدا اصول فیزیکی و مفاهیم مشترک میان انواع ماشین‌ها را درک کند و سپس کاربرد آن‌ها را در انواع مختلف ماشین‌های الکتریکی بررسی نماید.

برخلاف برخی کتاب‌های سنتی که هر ماشین را جداگانه و با روابط پیچیده بررسی می‌کنند، این کتاب بیشتر روی مدل‌سازی ساده، درک میدان‌های مغناطیسی، تولید گشتاور و تحلیل عملکرد ماشین‌ها تمرکز دارد. به همین دلیل برای دانشجویان دوره کارشناسی که برای اولین بار با این موضوع آشنا می‌شوند بسیار مناسب است.

ساختار و محتوای کتاب

ویژگی‌های آموزشی کتاب

• تأکید بر درک فیزیکی پدیده‌ها به جای حفظ روابط
• استفاده از نمودارها و شکل‌های مفهومی برای توضیح میدان‌ها و گشتاور
• مثال‌های حل‌شده برای درک بهتر مفاهیم
• ارتباط موضوعات ماشین‌های الکتریکی با الکترونیک قدرت و درایوها
• مناسب برای استفاده در یک درس دانشگاهی یک ترمی

سطح علمی و مخاطبان کتاب

این کتاب عمدتاً برای:

• دانشجویان کارشناسی و کارشناسی ارشد مهندسی برق
• گرایش‌های قدرت، کنترل و مکاترونیک
• دانشجویانی که برای اولین بار درس ماشین‌های الکتریکی را می‌گذرانند

مناسب است. پیش‌نیازهای آن معمولاً شامل مدارهای الکتریکی و مبانی الکترومغناطیس است.

اهمیت کتاب در آموزش ماشین‌های الکتریکی

کتاب ند موهان به دلیل ارائه مفاهیم به صورت یکپارچه و مفهومی یکی از منابع شناخته‌شده در دانشگاه‌ها است. این کتاب به دانشجویان کمک می‌کند ارتباط بین:

• میدان‌های مغناطیسی
• تبدیل انرژی
• عملکرد موتور و ژنراتور
• و کنترل درایوها

را به شکل سیستماتیک درک کنند.

کاربردهای عملی مباحث کتاب

دانش این کتاب در حوزه‌های زیر استفاده می‌شود:

• طراحی درایو موتور صنعتی
• خودروهای الکتریکی
• رباتیک
• توربین‌های بادی
• سیستم‌های تولید انرژی

 

فهرست مطالب کتاب « ماشین‌های الکتریکی و درایوها » نوشته‌ی ند موهان 

پیش‌گفتار

فصل اول: معرفی سیستم‌های درایو الکتریکی

1.1 تاریخچه

1.2 درایو موتور الکتریکی چیست

1.3 عوامل مؤثر در رشد درایوهای الکتریکی

1.4 کاربردهای معمول درایوهای الکتریکی

1.5 ماهیت چندرشته‌ای سیستم‌های درایو

1.6 ساختار کتاب درسی

منابع

مسائل

فصل دوم: درک نیازمندی‌های سیستم مکانیکی برای درایوهای الکتریکی

2.1 مقدمه

2.2 سیستم‌های با حرکت خطی

2.3 سیستم‌های چرخان

2.4 اصطکاک

2.5 تشدیدهای پیچشی

2.6 تشبیه الکتریکی

2.7 سازوکارهای جفت‌شوندگی (کوپله)

2.8 انواع بارها

2.9 عملکرد چهار ناحیه‌ای

2.10 عملکرد ماندگار و دینامیکی

منابع

مسائل

فصل سوم: مرور مدارهای الکتریکی پایه

3.1 مقدمه

3.2 نمایش فازوری در حالت پایدار سینوسی

3.3 مدارهای سه‌فاز

منابع

مسائل

فصل چهارم: درک پایه‌ای مبدل‌های الکترونیک قدرت سوئیچینگ در درایوهای الکتریکی

4.1 مقدمه

4.2 مروری بر واحدهای پردازش توان

4.3 مبدل‌ها برای درایوهای موتور جریان مستقیم

4.4 سنتز ولتاژ متناوب با فرکانس پایین

4.5 اینورترهای سه‌فاز

4.6 ادوات نیمه‌هادی قدرت

منابع

مسائل

فصل پنجم: مدارهای مغناطیسی

5.1 مقدمه

5.2 میدان مغناطیسی تولید شده توسط هادی‌های حامل جریان

5.3 چگالی شار مغناطیسی و شار مغناطیسی

5.4 ساختارهای مغناطیسی با فاصله هوایی

5.5 اندوکتانس‌ها

5.6 قانون فارادی: ولتاژ القایی در سیم‌پیچ ناشی از نرخ تغییر پیوند شار

5.7 اندوکتانس نشتی و اندوکتانس مغناطیس‌کننده

5.8 ترانسفورماتورها

5.9 آهنرباهای دائم

منابع

مسائل

فصل ششم: اصول پایه تبدیل انرژی الکترومکانیکی

6.1 مقدمه

6.2 ساختار پایه

6.3 تولید میدان مغناطیسی

6.4 اصول پایه عملکرد

6.5 کاربرد اصول پایه

6.6 تبدیل انرژی

6.7 تلفات توان و بازده انرژی

6.8 توان نامی ماشین‌ها

منابع

مسائل

فصل هفتم: درایوهای موتور جریان مستقیم و درایوهای موتور با کموتاسیون الکترونیکی

7.1 مقدمه

7.2 ساختار ماشین‌های جریان مستقیم

7.3 اصول عملکرد ماشین‌های جریان مستقیم

7.4 مدار معادل ماشین جریان مستقیم

7.5 حالات مختلف کاری در درایوهای موتور جریان مستقیم

7.6 تضعیف شار در ماشین‌های با میدان سیم‌پیچی‌شده

7.7 واحدهای پردازش توان در درایوهای جریان مستقیم

7.8 درایوهای موتور با کموتاسیون الکترونیکی

منابع

مسائل

فصل هشتم: طراحی کنترل‌کننده‌های فیدبک برای درایوهای موتور

8.1 مقدمه

8.2 اهداف کنترلی

8.3 ساختار کنترل آبشاری

8.4 مراحل طراحی کنترل‌کننده فیدبک

8.5 نمایش سیستم برای تحلیل سیگنال کوچک

8.6 طراحی کنترل‌کننده

8.7 مثال طراحی یک کنترل‌کننده

8.8 نقش پیش‌خور

8.9 اثرات محدودیت‌ها

8.10 انتگرال‌گیری ضد اشباع

منابع

مسائل و شبیه‌سازی‌ها

فصل نهم: معرفی ماشین‌های جریان متناوب و بردارهای فضایی

9.1 مقدمه

9.2 سیم‌پیچ‌های استاتور با توزیع سینوسی

9.3 استفاده از بردارهای فضایی برای نمایش توزیع‌های سینوسی میدان در فاصله هوایی

9.4 نمایش برداری فضایی جریان‌ها و ولتاژهای ترمینالی ترکیب‌شده

9.5 تحریک متعادل سینوسی در حالت پایدار

منابع

مسائل

فصل دهم: درایوهای AC با آهنربای دائم سینوسی (PMAC)، درایوهای موتور سنکرون با اینورتر کموتاسیون خط (LCI) و ژنراتورهای سنکرون

10.1 مقدمه

10.2 ساختار پایه ماشین‌های AC با آهنربای دائم (PMAC)

10.3 اصول عملکرد

10.4 کنترل‌کننده و واحد پردازش توان

10.5 درایوهای موتور سنکرون تغذیه‌شده با اینورتر کموتاسیون خط (LCI)

10.6 ژنراتورهای سنکرون

منابع

مسائل

فصل یازدهم: موتورهای القایی؛ عملکرد حالت ماندگار سینوسی متعادل

11.1 مقدمه

11.2 ساختار موتورهای القایی سه‌فاز قفس سنجابی

11.3 اصول عملکرد موتور القایی

11.4 آزمون‌ها برای به‌دست‌آوردن پارامترهای مدار معادل هر فاز

11.5 مشخصه‌های موتور القایی در ولتاژ و فرکانس نامی

11.6 موتورهای القایی با طراحی‌های NEMA نوع A، B، C و D

11.7 راه‌اندازی خطی

11.8 راه‌اندازی با کاهش ولتاژ (راه‌اندازی نرم) موتورهای القایی

11.9 صرفه‌جویی انرژی در ماشین‌های با بار سبک

11.10 ژنراتورهای القایی دوسوتغذیه (DFIG) در توربین‌های بادی

منابع

مسائل

فصل دوازدهم: درایوهای موتور القایی؛ کنترل سرعت

12.1 مقدمه

12.2 شرایط لازم برای کنترل سرعت کارآمد در یک محدوده وسیع

12.3 تنظیم دامنه ولتاژ برای ثابت نگه داشتن شار

12.4 ملاحظات راه‌اندازی در درایوها

12.5 قابلیت کار در سرعت‌های کمتر و بیشتر از سرعت نامی

12.6 درایوهای ژنراتور القایی

فصل سیزدهم: درایوهای رلوکتانسی — درایوهای استپر و رلوکتانسی سوئیچ‌شونده

13.1 مقدمه

13.2 اصل عملکرد موتورهای رلوکتانسی

13.3 درایوهای موتور پله‌ای (استپر موتور)

13.4 درایوهای موتور رلوکتانسی سوئیچ‌شونده

منابع

مسائل

فصل چهاردهم: بازده انرژی در درایوهای الکتریکی و تعاملات اینورتر–موتور

14.1 مقدمه

14.2 تعریف بازده انرژی در درایوهای الکتریکی

14.3 بازده انرژی موتورهای القایی با تحریک سینوسی

14.4 اثرات هارمونیک‌های فرکانس سوئیچینگ بر تلفات موتور

14.5 بازده انرژی واحدهای پردازش توان

14.6 بازده انرژی درایوهای الکتریکی

14.7 صرفه‌جویی اقتصادی انرژی با استفاده از موتورهای الکتریکی و درایوهای با بازده بالا

14.8 اثرات مخرب شکل موج ولتاژ اینورتر PWM بر طول عمر موتور

14.9 مزایای استفاده از درایوهای با سرعت متغیر

منابع

مسائل

 

توضیح جامع محتوای کتاب

کتاب ماشین‌های الکتریکی و درایوها (Electric Machines and Drives) نوشته ند موهان با رویکردی آموزشی و مرحله‌به‌مرحله تنظیم شده است. ساختار کتاب از مباحث مقدماتی آغاز می‌شود و سپس به‌تدریج به موضوعات تخصصی‌تر در حوزه درایوهای الکتریکی، سیستم‌های مکانیکی، مدارهای الکتریکی، الکترونیک قدرت، مدارهای مغناطیسی و تبدیل انرژی الکترومکانیکی می‌پردازد. در بخش مورد بررسی، فصل‌های ابتدایی کتاب معرفی شده‌اند و هر فصل معمولاً با بخش منابع و مسائل پایان می‌یابد.

پیشگفتار

در ابتدای کتاب بخشی با عنوان پیشگفتار قرار دارد که پیش از شروع فصل‌های اصلی آمده و مقدمه‌ای کلی درباره هدف کتاب و نحوه ارائه مطالب ارائه می‌کند.

فصل اول: مقدمه‌ای بر سیستم‌های درایو الکتریکی

در این فصل مفهوم سیستم درایو الکتریکی معرفی می‌شود و اجزای اصلی آن شامل موتور الکتریکی، مبدل الکترونیک قدرت، واحد کنترل و بار مکانیکی مورد بررسی قرار می‌گیرد. ابتدا نقش درایوهای الکتریکی در صنایع مختلف توضیح داده می‌شود و عواملی که باعث گسترش استفاده از این سیستم‌ها شده‌اند بررسی می‌گردد. سپس نمونه‌هایی از کاربردهای صنعتی درایوهای الکتریکی بیان شده و اهمیت کنترل دقیق سرعت و گشتاور در این سیستم‌ها توضیح داده می‌شود. همچنین ماهیت میان‌رشته‌ای درایوهای الکتریکی که ترکیبی از مباحث ماشین‌های الکتریکی، الکترونیک قدرت، کنترل و سیستم‌های مکانیکی است مورد بحث قرار می‌گیرد و در پایان ساختار کلی کتاب معرفی می‌شود.

فصل دوم: درک نیازمندی‌های سیستم مکانیکی برای درایوهای الکتریکی

در این فصل ویژگی‌های سیستم‌های مکانیکی که توسط درایوهای الکتریکی به حرکت در می‌آیند بررسی می‌شود. ابتدا حرکت خطی و دورانی و روابط میان کمیت‌های مکانیکی مانند نیرو، گشتاور، سرعت و شتاب توضیح داده می‌شود. سپس اثرات اینرسی، اصطکاک و پدیده تشدید در سیستم‌های مکانیکی مورد بررسی قرار می‌گیرد. در ادامه روش معادل‌سازی سیستم‌های مکانیکی با مدل‌های الکتریکی معرفی شده و نحوه کوپل شدن موتور با بار مکانیکی توضیح داده می‌شود. همچنین انواع بارهای مکانیکی و مشخصه‌های گشتاور–سرعت آن‌ها بررسی شده و مفهوم عملکرد چهار ناحیه‌ای در درایوهای الکتریکی و تفاوت رفتار ماندگار و دینامیکی سیستم‌ها بیان می‌شود.

فصل سوم: مروری بر مدارهای الکتریکی پایه

این فصل به مرور مفاهیم اساسی مدارهای الکتریکی می‌پردازد که برای درک عملکرد ماشین‌های الکتریکی و درایوها ضروری هستند. ابتدا رفتار مدارهای جریان متناوب بررسی شده و نمایش فازوری ولتاژ و جریان معرفی می‌شود. سپس مفاهیمی مانند امپدانس و توان در مدارهای AC توضیح داده می‌شود. در ادامه سیستم‌های سه‌فاز معرفی شده و روابط ولتاژ و جریان در اتصالات ستاره و مثلث مورد بررسی قرار می‌گیرد.

فصل چهارم: درک پایه‌ای مبدل‌های الکترونیک قدرت سوئیچینگ در درایوهای الکتریکی

در این فصل نقش مبدل‌های الکترونیک قدرت در سیستم‌های درایو الکتریکی بررسی می‌شود. ابتدا ساختار واحدهای پردازش توان معرفی شده و سپس انواع مبدل‌های مورد استفاده در درایوها توضیح داده می‌شود. در ادامه مبدل‌های DC و روش‌های کنترل ولتاژ مستقیم بررسی شده و سپس نحوه سنتز ولتاژ متناوب با استفاده از اینورترها بیان می‌شود. همچنین عملکرد اینورترهای سه‌فاز و نقش ادوات نیمه‌هادی قدرت در فرآیند سوئیچینگ مورد بررسی قرار می‌گیرد.

فصل پنجم: مدارهای مغناطیسی

در این فصل مفاهیم اساسی میدان‌های مغناطیسی که در عملکرد ماشین‌های الکتریکی نقش مهمی دارند بررسی می‌شود. ابتدا مفاهیمی مانند میدان مغناطیسی، شار مغناطیسی و چگالی شار معرفی می‌شوند. سپس قانون آمپر و قانون فارادی توضیح داده شده و نحوه ایجاد ولتاژ القایی در سیم‌پیچ‌ها بررسی می‌شود. در ادامه مفهوم اندوکتانس و رفتار مدارهای مغناطیسی با هسته‌های آهنی مورد بحث قرار می‌گیرد. همچنین عملکرد ترانسفورماتورها و نقش آهنرباهای دائم در سیستم‌های الکتریکی توضیح داده می‌شود.

فصل ششم: اصول پایه تبدیل انرژی الکترومکانیکی

در این فصل اصول بنیادی تبدیل انرژی بین حوزه‌های الکتریکی و مکانیکی بررسی می‌شود. ابتدا ساختار عمومی ماشین‌های الکتریکی معرفی شده و نحوه ایجاد میدان‌های مغناطیسی در آن‌ها توضیح داده می‌شود. سپس اصول تولید نیرو و گشتاور در ماشین‌های الکتریکی بیان شده و روابط اساسی تبدیل انرژی بررسی می‌شود. در ادامه تلفات مختلف در ماشین‌های الکتریکی معرفی شده و مفهوم بازده در فرآیند تبدیل انرژی توضیح داده می‌شود.

فصل هفتم: درایوهای موتور جریان مستقیم و درایوهای موتور با کموتاسیون الکترونیکی

در این فصل عملکرد موتورهای جریان مستقیم و روش‌های کنترل آن‌ها در سیستم‌های درایو بررسی می‌شود. ابتدا اصول کار موتورهای DC و ساختار آن‌ها توضیح داده می‌شود و سپس روش‌های مختلف کنترل سرعت و گشتاور مورد بررسی قرار می‌گیرد. در ادامه درایوهای موتور با کموتاسیون الکترونیکی معرفی شده و ویژگی‌ها و کاربردهای آن‌ها در سیستم‌های مختلف بیان می‌شود.

فصل هشتم: طراحی کنترل‌کننده‌های فیدبک برای درایوهای موتور

این فصل به طراحی سیستم‌های کنترل فیدبک برای درایوهای موتور اختصاص دارد. ابتدا اصول کنترل حلقه بسته معرفی شده و نقش کنترل‌کننده‌ها در بهبود عملکرد سیستم بررسی می‌شود. سپس روش‌های طراحی کنترل‌کننده برای تنظیم سرعت و گشتاور موتور ارائه شده و پاسخ دینامیکی سیستم‌های درایو مورد تحلیل قرار می‌گیرد.

فصل نهم: معرفی ماشین‌های جریان متناوب و بردارهای فضایی

در این فصل اصول عملکرد ماشین‌های جریان متناوب معرفی می‌شود. ابتدا نحوه ایجاد میدان مغناطیسی دوار در ماشین‌های AC توضیح داده می‌شود و سپس مفهوم بردارهای فضایی برای تحلیل سیستم‌های سه‌فاز بیان می‌شود. این روش امکان تحلیل ساده‌تر ولتاژها و جریان‌های سه‌فاز را فراهم می‌کند و در طراحی درایوهای پیشرفته کاربرد گسترده‌ای دارد.

فصل دهم: درایوهای AC با آهنربای دائم سینوسی، درایوهای سنکرون با LCI و ژنراتورهای سنکرون

در این فصل انواع مختلف درایوهای ماشین‌های سنکرون بررسی می‌شود. ابتدا درایوهای موتورهای سنکرون با آهنربای دائم معرفی شده و نحوه کنترل آن‌ها توضیح داده می‌شود. سپس درایوهای سنکرون با مبدل LCI بررسی شده و در ادامه عملکرد ژنراتورهای سنکرون و کاربرد آن‌ها در سیستم‌های قدرت بیان می‌شود.

فصل یازدهم: موتورهای القایی؛ عملکرد حالت ماندگار سینوسی متعادل

در این فصل عملکرد موتورهای القایی در شرایط ماندگار با ولتاژهای سینوسی متعادل بررسی می‌شود. ابتدا ساختار موتور القایی معرفی شده و سپس نحوه ایجاد میدان مغناطیسی دوار و القای جریان در روتور توضیح داده می‌شود. در ادامه مدار معادل موتور القایی ارائه شده و مشخصه‌های گشتاور–سرعت آن تحلیل می‌شود.

فصل دوازدهم: درایوهای موتور القایی و کنترل سرعت

در این فصل روش‌های مختلف کنترل سرعت موتورهای القایی بررسی می‌شود. ابتدا اصول کنترل ولتاژ و فرکانس معرفی شده و سپس روش‌های پیشرفته‌تر کنترل در درایوهای موتور القایی مورد بررسی قرار می‌گیرد. همچنین عملکرد این درایوها در شرایط مختلف کاری و تأثیر آن‌ها بر پاسخ دینامیکی سیستم تحلیل می‌شود.

فصل سیزدهم: درایوهای رلوکتانسی شامل موتورهای استپر و رلوکتانسی سوئیچ‌شونده

در این فصل ماشین‌های رلوکتانسی و درایوهای مربوط به آن‌ها معرفی می‌شود. ابتدا اصول عملکرد موتورهای استپر توضیح داده شده و نحوه کنترل موقعیت و سرعت در این موتورها بررسی می‌شود. سپس موتورهای رلوکتانسی سوئیچ‌شونده معرفی شده و ساختار، عملکرد و مزایای آن‌ها در کاربردهای صنعتی مورد بحث قرار می‌گیرد.

فصل چهاردهم: بازده انرژی در درایوهای الکتریکی و تعاملات اینورتر–موتور

در فصل پایانی کتاب موضوع بازده انرژی در سیستم‌های درایو الکتریکی بررسی می‌شود. در این فصل عوامل مؤثر بر تلفات انرژی در موتور و مبدل‌های الکترونیک قدرت تحلیل شده و روش‌های بهبود بازده در سیستم‌های درایو معرفی می‌شود. همچنین تعاملات بین اینورتر و موتور و اثرات آن بر عملکرد، تلفات و کیفیت توان مورد بررسی قرار می‌گیرد.

جمع‌بندی

کتاب ماشین‌های الکتریکی و درایوها (Electric Machines and Drives) نوشته ند موهان یک منبع جامع برای درک کامل سیستم‌های درایو الکتریکی است. این کتاب با ترکیب مباحث نظری، تحلیل‌های مهندسی، و مدل‌سازی ریاضی خواننده را با اصول عملکرد ماشین‌های الکتریکی و نحوه کنترل آن‌ها آشنا می‌کند. همچنین با تمرکز بر کاربردهای صنعتی و فناوری‌های نوین، دانشجویان و مهندسان را برای طراحی و تحلیل سیستم‌های درایو مدرن آماده می‌سازد.

پیشگفتار 

نقش ماشین‌های الکتریکی و درایوها در سامانه‌های انرژی الکتریکی پایدار

سامانه‌های انرژی الکتریکی پایدار ایجاب می‌کنند که از منابع تجدیدپذیر برای تولید برق استفاده شود و انرژی الکتریکی تا حد امکان به‌صورت کارآمد مصرف گردد. برای دستیابی به این هدف، ماشین‌ها و درایوهای الکتریکی برای بهره‌برداری و مصرف انرژی ضروری هستند. برای مثال، تقریباً نیمی تا دو‌سوم انرژی الکتریکی مصرفی ما توسط سیستم‌های موتور–درایو استفاده می‌شود. در بسیاری از کاربردها، با تنظیم مناسب سرعت بر اساس شرایط کاری، می‌توان به بازده بسیار بالاتری در کل سیستم دست یافت. نمونه‌هایی از این کاربردها شامل وسایل نقلیه الکتریکی و هیبریدی–الکتریکی است.

این کتاب درسی اصول پایه‌ای عملکرد ماشین‌های الکتریکی و چگونگی کنترل کارآمد سرعت آن‌ها را توضیح می‌دهد.

یک رویکرد جدید

این کتاب برای یک درس مقدماتی در زمینه ماشین‌های الکتریکی و درایوها تدوین شده است و فرض می‌شود که خواننده پیش‌زمینه‌ای قبلی در این موضوع ندارد. برای دستیابی به این هدف در قالب یک درس یک‌ترمی، از رویکردی مبتنی بر فیزیک استفاده شده است؛ رویکردی که نه‌تنها به درک عمیق اصول اساسی عملکرد ماشین‌های الکتریکی منجر می‌شود، بلکه همچنین نشان می‌دهد چگونه می‌توان آن‌ها را از طریق الکترونیک قدرت کنترل کرد. افزون بر این، مباحث کنترلی سیستم‌های درایو الکتریکی، شامل مبدل‌های الکترونیک قدرت و کنترل آن‌ها، مطرح می‌شود و در نتیجه، کاربردهای مرتبط و جالبی مانند توربین‌های بادی و وسایل نقلیه الکتریکی نیز مورد بحث قرار می‌گیرند.

این کتاب درسی، سیستم‌ها را عمدتاً در شرایط کاری حالت ماندگار بررسی می‌کند. با این حال، منطق و رویکرد به‌کاررفته به‌گونه‌ای یکپارچه است که امکان ادامه مباحث برای تحلیل و کنترل سیستم‌ها در شرایط دینامیکی را فراهم می‌سازد؛ مباحثی که در دوره‌های تحصیلات تکمیلی بررسی می‌شوند.

فصل ۱ مقدمه‌ای بر سیستم‌های درایو الکتریکی

با پیشرفت‌های به‌وجود آمده در الکترونیک قدرت، درایوهای الکتریکی با سرعت قابل تنظیم امروزه فرصت‌های گسترده‌ای را در کاربردهای متنوع فراهم کرده‌اند؛ از جمله در پمپ‌ها و کمپرسورها برای صرفه‌جویی در انرژی، ماشین‌آلات دقیق در کارخانه‌های خودکار، و در وسایل نقلیه الکتریکی برای حرکت خودروها. نمونه‌ای از کاربردهای اخیر، خودروهای هیبریدی–الکتریکی است. شکل 1.1 تصویری از یک آرایش هیبریدی را نشان می‌دهد که در آن خروجی موتور احتراق داخلی (IC)، موتور الکتریکی و درایو الکتریکی به‌صورت مکانیکی و به‌طور موازی برای به حرکت درآوردن چرخ‌ها به هم متصل شده‌اند. در مقایسه با خودروهایی که تنها با بنزین کار می‌کنند، این خودروهای هیبریدی مصرف سوخت را بیش از ۵۰ درصد کاهش می‌دهند و آلاینده‌های بسیار کمتری تولید می‌کنند.

1.1 تاریخچه

ماشین‌های الکتریکی بیش از یک قرن است که وجود دارند. همه ما با وظیفه اصلی موتورهای الکتریکی آشنا هستیم: به حرکت درآوردن بارهای مکانیکی از طریق تبدیل انرژی الکتریکی. در نبود هرگونه کنترل، موتورهای الکتریکی اساساً با سرعت ثابت کار می‌کنند. برای مثال، زمانی که موتور–کمپرسور در یک یخچال روشن می‌شود، با سرعتی تقریباً ثابت کار می‌کند.

شکل 1.1: تصویر یک خودروی هیبریدی–الکتریکی.

 

شکل 1.2: سیستم‌های کنترل دبی سنتی و مبتنی بر درایو با سرعت قابل تنظیم (ASD).

در گذشته، موتورهای الکتریکی به‌صورت کنترل‌نشده و با سرعت ثابت کار می‌کردند، حتی در کاربردهایی که کنترل کارآمد سرعت آن‌ها می‌توانست بسیار سودمند باشد. برای مثال، فرایندهای صنایع شیمیایی و پالایشگاه‌های نفت را در نظر بگیرید که در آن‌ها دبی گازها و سیالات اغلب باید کنترل شود. همان‌طور که شکل 1.2a نشان می‌دهد، در روش سنتی، یک پمپ که با سرعت ثابت کار می‌کند، از یک شیر محدودکننده (Throttle Valve) برای تنظیم دبی استفاده می‌کند. این روش مکانیکی کنترل دبی، انرژی زیادی را هدر می‌دهد. در صنایع فرایندی امروزی، پمپ‌ها و کمپرسورهای کنترل‌شونده به‌صورت الکترونیکی، یعنی درایوهای با سرعت قابل تنظیم (ASD)، همان‌طور که در شکل 1.2b نشان داده شده است، سرعت پمپ را متناسب با نیاز بار تنظیم می‌کنند. این درایوها نه‌تنها ساده‌تر قابل خودکارسازی هستند، بلکه بازده انرژی بسیار بالاتری دارند و هزینه سرمایه‌گذاری و بهره‌برداری کمتری نسبت به سیستم‌های سنتی مبتنی بر شیرهای محدودکننده دارند.

این پیشرفت‌ها تنها به صنایع فرایندی محدود نمی‌شوند. درایوهای الکتریکی برای کنترل سرعت و موقعیت، به‌طور فزاینده‌ای در حوزه‌های متنوعی از جمله تولید صنعتی، گرمایش، تهویه و تهویه مطبوع (HVAC) و سیستم‌های حمل‌ونقل مورد استفاده قرار می‌گیرند.

1.2 درایو موتور الکتریکی چیست؟

شکل 1.3 نمودار بلوکی یک درایو موتور الکتریکی را نشان می‌دهد که به اختصار «درایو الکتریکی» نامیده می‌شود. در پاسخ به یک فرمان ورودی، درایوهای الکتریکی سرعت و/یا موقعیت بار مکانیکی را به‌طور کارآمد کنترل می‌کنند و بدین ترتیب نیاز به روش‌های مکانیکی ناکارآمد مانند کنترل با شیر یا دریچه را حذف می‌نمایند. در این سامانه، کنترل‌کننده، با مقایسه فرمان ورودی با مقادیر واقعی اندازه‌گیری‌شده توسط حسگرها، سیگنال‌های کنترلی مناسبی را به واحد پردازش توان (PPU) که از ادوات نیمه‌هادی قدرت تشکیل شده است، ارسال می‌کند.

همان‌طور که در شکل 1.3 نشان داده شده است، واحد پردازش توان انرژی خود را از شبکه برق دریافت می‌کند؛ این انرژی معمولاً به‌صورت ولتاژهای سینوسی تک‌فاز یا سه‌فاز با فرکانس و دامنه ثابت است.

واحد پردازش توان، در پاسخ به سیگنال‌های کنترلی، این ولتاژهای ورودی با فرکانس ثابت را به ولتاژهایی با فرکانس، دامنه و تعداد فاز مناسب تبدیل می‌کند تا موتور الکتریکی در بهترین شرایط برای بار مکانیکی مورد نظر کار کند. کنترل‌کننده، که هسته اصلی درایو الکتریکی محسوب می‌شود، اهداف کل سامانه را در نظر گرفته و بر اساس فرمان ورودی، تصمیم‌گیری لازم برای کنترل بار مکانیکی را انجام می‌دهد. با این حال، در کاربردهای عمومی، درایوهای الکتریکی اغلب به‌صورت حلقه‌باز و بدون بازخورد عمل می‌کنند.

در سراسر این کتاب، از اصطلاح «درایو موتور الکتریکی» یا به‌اختصار «درایو» برای اشاره به مجموعه بلوک‌هایی استفاده می‌شود که در شکل 1.3 با خط‌چین مشخص شده‌اند. تمامی این بلوک‌ها در فصل‌های بعدی به‌طور مفصل بررسی خواهند شد.

شکل 1.3: نمودار بلوکی یک سیستم درایو الکتریکی.

1.3 عوامل مؤثر بر رشد درایوهای الکتریکی

پیشرفت‌های فناورانه. کنترل‌کننده‌هایی که در درایوهای الکتریکی به‌کار می‌روند (مطابق شکل 1.3)، از پیشرفت‌های چشمگیر در روش‌های میکروالکترونیکی بهره‌مند شده‌اند؛ پیشرفت‌هایی که منجر به توسعه مدارهای مجتمع قدرتمند و ریزپردازنده‌های دیجیتال شده است. این تحولات در فناوری ساخت نیمه‌هادی‌ها همچنین امکان افزایش قابل توجه توان تحمل ولتاژ و جریان، و نیز افزایش سرعت کلیدزنی ادوات نیمه‌هادی قدرت را فراهم کرده‌اند؛ ادواتی که واحد پردازش توان درایوهای با سرعت قابل تنظیم (ASD) را تشکیل می‌دهند.

نیازهای بازار. بازار درایوهای با سرعت قابل تنظیم در ایالات متحده در سال ۱۹۹۷ حدود ۲۰ میلیارد دلار برآورد شده است. این بازار با نرخی سالم در حال رشد است، زیرا کاربران به مزایای بهره‌برداری از موتورهایی با سرعت متغیر پی می‌برند. این مزایا شامل بهبود کنترل فرایند، کاهش مصرف انرژی و کاهش هزینه‌های نگهداری است.

بازار جهانی درایوهای الکتریکی از فرصت‌های قابل‌توجهی برای صرفه‌جویی در مقیاس بزرگ انرژی برخوردار است. این موضوع به‌ویژه برای کاربردها در کشورهای در حال توسعه اهمیت دارد، جایی که نرخ رشد بیشترین مقدار را دارد.

کاربردهای درایوهای الکتریکی در ایالات متحده از اهمیت ویژه‌ای برخوردارند. اگرچه مصرف سرانه انرژی در ایالات متحده تقریباً دو برابر اروپا است، اما بازار درایوهای الکتریکی در سال ۱۹۹۷ کمتر از نصف اروپا بوده است. این عدم توازن، در کنار هزینه نسبتاً پایین انرژی در ایالات متحده، نشان‌دهنده یک فرصت بسیار بزرگ برای گسترش کاربرد درایوهای الکتریکی است.

1.4 کاربردهای متداول درایوهای الکتریکی

درایوهای الکتریکی به‌طور فزاینده‌ای در اغلب بخش‌های اقتصاد مورد استفاده قرار می‌گیرند. شکل 1.4 نشان می‌دهد که درایوهای الکتریکی دامنه بسیار گسترده‌ای از توان و سرعت را پوشش می‌دهند؛ به‌طوری‌که توان آن‌ها تا حدود ۱۰۰ مگاوات و سرعت آن‌ها تا حدود ۸۰٬۰۰۰ دور بر دقیقه می‌رسد.

شکل 1.4 گستره توان و سرعت درایوهای الکتریکی

به دلیل وجود واحد پردازش توان، درایوها از نظر سرعت مانند موتورهایی که مستقیماً از شبکه تغذیه می‌شوند محدود نیستند؛ موتورهای متصل به شبکه با فرکانس ۶۰ هرتز معمولاً به سرعتی در حدود ۳۶۰۰ دور بر دقیقه و با فرکانس ۵۰ هرتز به حدود ۳۰۰۰ دور بر دقیقه محدود می‌شوند. بخش عمده‌ای از کاربردهای درایوها در محدوده توان کم تا متوسط قرار دارد؛ یعنی از کسری از یک کیلووات تا چند صد کیلووات. برخی از حوزه‌های کاربردی آن‌ها در ادامه آمده است:

• صنایع فرایندی: همزن‌ها، پمپ‌ها، فن‌ها و کمپرسورها
• ماشین‌کاری: رنده‌ها، وینچ‌ها، کلندرها، خردکن‌ها، دریل‌پرس‌ها، سنباده‌زن‌ها، اره‌ها، اکسترودرها، فیدرها، سنگ‌زنی‌ها، آسیاب‌ها و پرس‌ها
• گرمایش، تهویه و تهویه مطبوع: دمنده‌ها، فن‌ها و کمپرسورها
• صنایع کاغذ و فولاد: بالابرها و غلتک‌ها
• حمل‌ونقل: آسانسورها، قطارها و خودروها
• صنایع نساجی: ماشین‌های بافندگی
• بسته‌بندی: قیچی‌های برش
• صنایع غذایی: نوار نقاله‌ها و فن‌ها
• کشاورزی: فن‌های خشک‌کن، دمنده‌ها و نوار نقاله‌ها
• نفت، گاز و معدن: کمپرسورها، پمپ‌ها، جرثقیل‌ها و بیل‌های مکانیکی
• کاربردهای خانگی: پمپ‌های حرارتی، دستگاه‌های تهویه مطبوع، فریزرها، لوازم خانگی و ماشین‌های لباس‌شویی

در بخش‌های بعدی، چند نمونه از کاربردهای مهم درایوهای الکتریکی را در صرفه‌جویی انرژی، تولید برق بادی و حمل‌ونقل الکتریکی بررسی خواهیم کرد.

1.4.1 نقش درایوها در صرفه‌جویی انرژی

بدیهی است که درایوهای الکتریکی می‌توانند در بسیاری از کاربردها مصرف انرژی را کاهش دهند. با ادامه روند افزایشی هزینه برق، توجیه اقتصادی جایگزینی موتورهای با سرعت ثابت با درایوهای الکتریکی با سرعت قابل تنظیم، صرفاً بر پایه کاهش هزینه انرژی نیز امکان‌پذیر می‌شود (به فصل ۱۵ مراجعه کنید). همچنین اثرات زیست‌محیطی صرفه‌جویی انرژی، از جمله کاهش گرمایش جهانی و باران اسیدی، اهمیت فراوانی دارد.

برای برآوردی از نقش بالقوه درایوهای الکتریکی در صرفه‌جویی انرژی، توجه کنید که سیستم‌های موتورمحور در ایالات متحده مسئول … هستند.

در این حالت، بیش از ۷۵٪ از کل توان الکتریکی تولیدشده و ۲۰٪ از کل انرژی مصرفی به سیستم‌های موتورمحور مربوط می‌شود. وزارت انرژی ایالات متحده برآورد کرده است که اگر موتورهای با سرعت ثابت که مستقیماً از شبکه تغذیه می‌شوند و در سیستم‌های پمپ و کمپرسور به کار می‌روند با درایوهای با سرعت قابل تنظیم جایگزین شوند، بازده مصرف انرژی می‌تواند تا ۲۰٪ بهبود یابد. این بهبود بهره‌وری انرژی می‌تواند منجر به صرفه‌جویی‌های بسیار بزرگ شود (به تمرین 1.1 مراجعه کنید). در واقع، صرفه‌جویی سالانه بالقوه انرژی تقریباً معادل کل مصرف سالانه برق در ایالت نیویورک است. برخی از کاربردهای صرفه‌جویی در انرژی در ادامه توضیح داده می‌شوند.

شکل 1.5: عملکرد پمپ حرارتی با موتورهای تغذیه‌شده از شبکه.

1.4.1.1 پمپ‌های حرارتی و دستگاه‌های تهویه مطبوع

دستگاه‌های تهویه مطبوع ساختمان‌ها را با استخراج انرژی از هوای داخل ساختمان و انتقال آن به محیط بیرون خنک می‌کنند. پمپ‌های حرارتی علاوه بر عملکرد تهویه مطبوع در تابستان، می‌توانند ساختمان‌ها را در زمستان نیز گرم کنند؛ به این صورت که انرژی را از هوای بیرون استخراج کرده و به داخل ساختمان منتقل می‌کنند. استفاده از پمپ‌های حرارتی برای گرمایش و سرمایش در حال افزایش است؛ به‌طوری‌که تقریباً از هر سه خانه جدید ساخته‌شده در ایالات متحده، یکی دارای این سیستم است (شکل 1.5).

در سیستم‌های متداول، دمای ساختمان با روشن و خاموش شدن متناوب کمپرسور کنترل می‌شود؛ یعنی دمای ساختمان با مقدار تنظیم‌شده در ترموستات مقایسه شده و کمپرسور به‌طور متناوب روشن و خاموش می‌شود. هنگامی که کمپرسور پس از خاموش بودن دوباره روشن می‌شود، ابتدا باید فشار لازم را ایجاد کند تا جریان مبردی که در زمان خاموش بودن در سیستم حرکت کرده است دوباره برقرار شود. این چرخه روشن و خاموش شدن (که هر بار ممکن است پنج دقیقه یا بیشتر طول بکشد) باعث ایجاد تفاوت قابل توجهی بین مقادیر ایده‌آل و واقعی خروجی کمپرسور می‌شود، همان‌طور که در شکل 1.6 نشان داده شده است.

این مشکل را می‌توان با کارکرد پیوسته کمپرسور در سرعتی که خروجی آن با بار حرارتی ساختمان مطابقت دارد برطرف کرد. در مقایسه با سیستم‌های متداول، کمپرسورهایی که توسط درایوهای با سرعت قابل تنظیم به حرکت درمی‌آیند می‌توانند مصرف توان را تا حدود ۳۰٪ کاهش دهند.

1.4.1.2 پمپ‌ها، دمنده‌ها و فن‌ها

برای درک صرفه‌جویی انرژی، دو سیستمی را که در شکل 1.2 نشان داده شده‌اند مقایسه می‌کنیم. در شکل 1.6، منحنی A مشخصه پمپ در سرعت کامل را نشان می‌دهد؛ یعنی فشار (یا هد) تولیدشده توسط پمپی که با سرعت کامل کار می‌کند، به‌عنوان تابعی از نرخ جریان سیستم بدون محدودیت.

با استفاده از شیر گلوگاهی (Throttle Valve)، منحنی B مشخصه سیستم محدودشده را نشان می‌دهد؛ یعنی فشار موردنیاز به‌عنوان تابعی از نرخ جریان برای گردش سیال یا گاز در سیستم، با در نظر گرفتن هد استاتیکی (در صورت وجود) و اصطکاک. نرخ جریان در سرعت کامل از نقطه تقاطع منحنی پمپ A با منحنی سیستم بدون محدودیت B به دست می‌آید.

اکنون حالتی را در نظر بگیرید که نرخ جریان کمتری مورد نیاز است؛ در این حالت فشار برابر با خواهد بود که از منحنی سیستم بدون محدودیت B به دست می‌آید. در ادامه، دو روش برای دستیابی به این نرخ جریان کاهش‌یافته بررسی خواهیم کرد.

شکل 1.6: منحنی نمونه پمپ و منحنی سیستم

اگر از موتور با سرعت ثابت استفاده شود، همان‌طور که در شکل 1.2a نشان داده شد، شیر گلوگاهی تا حدی بسته می‌شود. در این حالت پمپ باید فشار بیشتری تولید کند تا بتواند بر مقاومت ایجادشده غلبه کند؛ بنابراین منحنی سیستم گلوگاهی‌شده در نقطه C با منحنی پمپ در سرعت کامل A یکدیگر را قطع می‌کنند و نرخ جریان به دست می‌آید. توان تلف‌شده در شیر گلوگاهی متناسب با ضربدر است. به دلیل این اتلاف توان، میزان کاهش بازده انرژی به مدت زمانی که سیستم در نرخ جریان کاهش‌یافته کار می‌کند بستگی دارد.

این اتلاف توان در شیر گلوگاهی را می‌توان با استفاده از درایو با سرعت قابل تنظیم حذف کرد. در این حالت سرعت پمپ کاهش می‌یابد به‌گونه‌ای که منحنی پمپ در سرعت کاهش‌یافته در شکل 1.6 با منحنی سیستم بدون گلوگاه در نرخ جریان مورد نظر تلاقی کند.

به همین ترتیب، در بسیاری از کاربردها می‌توان مصرف توان را به‌طور قابل توجهی کاهش داد (همان‌طور که در شکل 1.7 نشان داده شده است)؛ این کار با کاهش سرعت دمنده به کمک یک درایو با سرعت قابل تنظیم انجام می‌شود، به جای آنکه از دمپرها در ورودی هوا استفاده شود. درصد کاهش مصرف توان به پروفایل نرخ جریان بستگی دارد (به تمرین 1.5 مراجعه کنید).

درایوهای الکتریکی تقریباً در تمام پمپ‌ها، کمپرسورها و دمنده‌ها که در سیستم‌های جابه‌جایی هوا، صنایع فرایندی و نیروگاه‌های تولید برق به کار می‌روند، کاربرد مفیدی دارند. نمونه‌های مستند بسیاری از صرفه‌جویی در مصرف انرژی گزارش شده‌اند که در آن‌ها هزینه نصب سیستم‌های درایو (به جای موتورهای متصل مستقیم به شبکه) در کمتر از شش ماه بهره‌برداری جبران شده است. البته این مزیت درایوهای الکتریکی به دلیل توانایی آن‌ها در کنترل سرعت موتور به‌صورت کارآمد از نظر انرژی است؛ موضوعی که در فصل‌های بعدی بررسی خواهد شد.

1.4.2 بهره‌برداری از انرژی باد

درایوهای الکتریکی نقش مهمی در تولید برق از منابع انرژی تجدیدپذیر مانند باد و نیروگاه‌های آبی کوچک نیز ایفا می‌کنند. نمودار بلوکی یک سیستم تولید برق بادی در شکل 1.8 نشان داده شده است که در آن فرکانس متغیر تولیدشده توسط توربین بادی ژنراتور از طریق یک واحد پردازش توان با شبکه برق سراسری در ارتباط است.

شکل 1.7 – مصرف توان در یک دمنده (Blower)

این نمودار نشان می‌دهد که با کاهش درصد دبی جریان (% Flow)، مصرف توان نیز کاهش می‌یابد. در سیستم‌های مجهز به درایو الکتریکی با سرعت متغیر (Electric Drive)، توان مصرفی به‌طور قابل توجهی پایین‌تر از حالت‌هایی است که از دمپرهای ورودی یا خروجی برای کنترل جریان استفاده می‌شود. بنابراین، استفاده از درایوهای الکتریکی باعث صرفه‌جویی چشمگیر در انرژی در کاربردهایی مانند فن‌ها و دمنده‌ها می‌شود.

شکل 1.8 – درایو الکتریکی برای ژنراتورهای بادی

شماتیک این شکل یک سیستم تولید برق بادی را نشان می‌دهد. در این سیستم، توربین بادی به یک ژنراتور با سرعت متغیر متصل است. برق خروجی ژنراتور که دارای فرکانس متغیر AC است، از طریق یک واحد پردازش توان (Power Processing Unit) به شبکه برق عمومی (Utility) متصل می‌شود.

با اجازه دادن به تغییر سرعت چرخش توربین با سرعت باد، می‌توان مقدار بیشتری انرژی نسبت به سیستم‌هایی که سرعت توربین تقریباً ثابت است (به‌دلیل اتصال مستقیم ژنراتور به شبکه) بازیابی کرد. بهره‌برداری از انرژی باد در حال تبدیل شدن به یکی از کاربردهای عمده‌ی درایوهای الکتریکی است و انتظار می‌رود این بخش با سرعت بالا رشد کند.

1.4.3 حمل و نقل الکتریکی (Electric Transportation)

حمل‌ونقل الکتریکی در بسیاری از کشورها به‌طور گسترده مورد استفاده قرار گرفته است. قطارهای مغناطیسی با سیستم تعلیق مغناطیسی (magnetically-levitated trains) در کشورهایی مانند ژاپن و آلمان در حال آزمایش و توسعه هستند. همچنین، قطارهای برقی سریع‌السیر در ایالات متحده برای حمل‌ونقل بین مناطق شمال‌شرقی و جنوب‌غربی کشور در دست بررسی و پیاده‌سازی می‌باشند.

کاربرد مهم دیگر درایوهای الکتریکی در خودروهای برقی و هیبریدی است. مزیت اصلی خودروهای تمام‌برقی (به‌ویژه برای مناطق شهری بزرگ) این است که هیچ آلاینده‌ای تولید نمی‌کنند.

با این حال، خودروهای تمام‌برقی هنوز به دلیل نیاز به تجهیزاتی مانند باتری‌های مناسب، سلول‌های سوختی یا چرخ‌طیارها (Flywheels) که بتوانند ذخیره انرژی مؤثری فراهم کنند، در مرحله‌ی توسعه باقی مانده‌اند.

در مقابل، خودروهای هیبریدی-الکتریکی (Hybrid-Electric) هم‌اکنون به‌صورت تجاری تولید و عرضه می‌شوند.

کاربردهای رو‌به‌گسترش دیگری از درایوهای الکتریکی در خودروهای بنزینی معمولی نیز وجود دارد (مانند سیستم‌های فرمان برقی، پمپ‌های برقی و کمپرسورهای مستقل).

افزون بر این، امروزه پروژه‌هایی برای جایگزینی درایوهای هیدرولیکی با درایوهای الکتریکی در هواپیماها و کشتی‌ها نیز در حال انجام است.

1.5 ماهیت چندرشته‌ای سیستم‌های درایو

نمودار بلوکی در شکل 1.3 به حوزه‌های مختلفی اشاره می‌کند که برای درایوهای الکتریکی ضروری هستند؛ از جمله نظریه ماشین‌های الکتریکی، الکترونیک قدرت، نظریه کنترل آنالوگ و دیجیتال، کاربرد بلادرنگ کنترل‌کننده‌های دیجیتال، مدل‌سازی سیستم‌های مکانیکی و تعامل با سیستم‌های قدرت الکتریکی. در زیربخش‌های زیر توضیح کوتاهی درباره هر یک از این حوزه‌ها ارائه شده است.

1.5.1 نظریه ماشین‌های الکتریکی

برای دستیابی به حرکت مورد نظر، لازم است موتورهای الکتریکی به‌طور مناسب کنترل شوند. این امر مستلزم درک عمیق از اصول عملکرد انواع متداول موتورها مانند موتورهای dc، سنکرون و القایی و همچنین موتورهای پله‌ای است. تأکید در درس درایوهای الکتریکی باید با درس‌های سنتی ماشین‌های الکتریکی متفاوت باشد؛ زیرا در آن درس‌ها بیشتر بر طراحی و کاربرد ماشین‌هایی تمرکز می‌شود که مستقیماً از شبکه تغذیه می‌شوند.

1.5.2 الکترونیک قدرت

حوزه‌ای که به واحد پردازش توان در شکل 1.3 مربوط می‌شود، معمولاً الکترونیک قدرت نامیده می‌شود. ولتاژها و جریان‌ها از یک شکل ثابت (از نظر فرکانس و دامنه) باید به شکلی قابل تنظیم تبدیل شوند که برای موتور مناسب باشد. این تبدیل باید با بازده بالا انجام شود که با به‌کارگیری ادوات نیمه‌هادی قدرت به‌صورت کلیدهای الکترونیکی امکان‌پذیر است.

امروزه پردازش توان با استفاده از تجهیزاتی موسوم به «Smart Power» ساده‌تر شده است. در این تجهیزات، کلیدهای نیمه‌هادی قدرت به همراه مدارهای حفاظتی و مدارهای راه‌انداز گیت در یک واحد یکپارچه قرار داده می‌شوند. سیگنال‌های منطقی در سطح سیگنال‌های دیجیتال، مانند سیگنال‌هایی که توسط یک پردازنده سیگنال دیجیتال تولید می‌شوند، می‌توانند مستقیماً کلیدهای با توان بالا را در واحد پردازش توان کنترل کنند. ماژول‌های یکپارچه قدرتی در دسترس هستند که قابلیت تحمل ولتاژ تا حدود 4 کیلوولت و جریان بیش از 1000 آمپر را دارند. همچنین با موازی کردن این ماژول‌ها می‌توان به ظرفیت‌های جریان حتی بالاتر نیز دست یافت.

پیشرفت‌های حاصل در این حوزه تأثیر چشمگیری بر واحدهای پردازش توان داشته است؛ به‌طوری که اندازه و وزن آن‌ها کاهش یافته و در عین حال تعداد عملکردهایی که می‌توانند انجام دهند به‌طور قابل توجهی افزایش یافته است.

1.5.3 نظریه کنترل

در بسیاری از کاربردها لازم نیست سرعت و موقعیت درایوها با دقت بسیار بالا کنترل شود. با این حال، در تعداد رو به افزایشی از کاربردها، مانند رباتیک در کارخانه‌های خودکار، کنترل دقیق گشتاور، سرعت و موقعیت اهمیت زیادی دارد. چنین کنترلی با استفاده از بازخورد از کمیت‌های اندازه‌گیری‌شده و مقایسه آن‌ها با مقادیر مطلوب انجام می‌شود تا کنترل سریع و دقیقی حاصل شود.

در بیشتر کاربردهای کنترل حرکت، استفاده از یک کنترل‌کننده تناسبی–انتگرالی (PI) کافی است که در فصل 8 مورد بحث قرار گرفته است. طراحی و تحلیل کنترل‌کننده‌های نوع PI به کمک ابزارهای قدرتمند شبیه‌سازی مانند PSpice بسیار ساده‌تر شده است.

1.5.4 کنترل بلادرنگ با استفاده از DSPها

تمام درایوهای الکتریکی مدرن از ریزپردازنده‌ها و پردازنده‌های سیگنال دیجیتال (DSP) برای ایجاد انعطاف‌پذیری در کنترل، تشخیص خطا و ارتباط با رایانه میزبان استفاده می‌کنند.

1.5.5 مدل‌سازی سیستم‌های مکانیکی

مشخصات درایوهای الکتریکی به الزامات گشتاور و سرعت بارهای مکانیکی بستگی دارد. بنابراین، اغلب لازم است بارهای مکانیکی نیز مدل‌سازی شوند. به جای آنکه بار مکانیکی و درایو الکتریکی به‌صورت دو سیستم جداگانه در نظر گرفته شوند، بهتر است در فرایند طراحی به‌طور هم‌زمان بررسی شوند. این رویکرد طراحی، هسته اصلی مکاترونیک را تشکیل می‌دهد.

1.5.6 حسگرها

همان‌طور که در نمودار بلوکی درایوهای الکتریکی در شکل 1.3 نشان داده شده است، ممکن است اندازه‌گیری ولتاژ، جریان، سرعت و موقعیت مورد نیاز باشد. همچنین برای حفاظت حرارتی، لازم است دما نیز اندازه‌گیری شود.

1.5.7 اندرکنش درایوها با شبکه برق

برخلاف موتورهای الکتریکی متصل مستقیم به شبکه، موتورهای الکتریکی در سیستم‌های درایو از طریق یک واسط الکترونیک قدرت، همان‌طور که در شکل 1.3 نشان داده شده است، تغذیه می‌شوند. در نتیجه، درایوهای الکتریکی جریان‌هایی از شبکه می‌کشند که شکل موج آن‌ها اعوجاج‌دار و غیرسینوسی است. این اعوجاج جریان با سیستم برق‌رسانی تداخل ایجاد کرده و کیفیت توان شبکه را کاهش می‌دهد. ولتاژهای موجود در شبکه که شامل هارمونیک‌ها هستند نیز حتی بیش از موتورهای خطی معمولی، بر درایوها تأثیر می‌گذارند. بنابراین، حساسیت درایوها نسبت به اغتشاشات سیستم قدرت، مانند افت ولتاژ، افزایش ولتاژ و اضافه‌ولتاژهای گذرا، باید مورد توجه قرار گیرد. خوشبختانه، راهکارهایی برای کاهش یا حذف اثرات این اغتشاشات در دسترس است.

1.6 ساختار کتاب

فصل 1 نقش‌ها و کاربردهای درایوهای الکتریکی را معرفی می‌کند. فصل 2 به مدل‌سازی سیستم‌های مکانیکی کوپل‌شده با درایوهای الکتریکی می‌پردازد و نشان می‌دهد چگونه می‌توان مشخصات درایو را برای انواع مختلف بارها تعیین کرد. فصل 3 مدارهای الکتریکی خطی را مرور می‌کند. فصل 4 به معرفی واحدهای پردازش توان اختصاص دارد. مبدل‌های الکترونیک قدرت، از جمله یکسوسازها و اینورترها، در فصل 5 مورد بحث قرار می‌گیرند. فصل 6 اصول پایه تبدیل انرژی الکترومغناطیسی را تشریح می‌کند.

فصل 7 به درایوهای موتور dc اختصاص دارد. اگرچه سهم درایوهای موتور dc در کاربردهای جدید رو به کاهش است، اما استفاده از آن‌ها همچنان گسترده است. دلیل دیگر مطالعه درایوهای dc این است که درایوهای موتور ac اغلب به‌گونه‌ای کنترل می‌شوند که عملکردی مشابه آن‌ها داشته باشند. طراحی کنترل مبتنی بر فیدبک برای درایوها، با استفاده از درایوهای dc به‌عنوان مثال، در فصل 8 ارائه می‌شود.

به‌عنوان پیش‌زمینه‌ای برای بحث درباره درایوهای موتور ac، میدان‌های دوار در ماشین‌های ac در فصل 9 و با استفاده از بردارهای فضایی توصیف می‌شوند. با بهره‌گیری از نظریه بردار فضایی، درایوهای موتور سنکرون با موج سینوسی PMAC در فصل 10 بررسی می‌شوند. فصل 11 به معرفی موتورهای القایی می‌پردازد و بر اصول اساسی عملکرد آن‌ها در حالت ماندگار تمرکز دارد. همچنین یک بحث مختصر اما جامع درباره کنترل سرعت با درایوهای موتور القایی در فصل 12 بررسی شده‌اند. درایوهای رلوکتانسی، شامل موتورهای پله‌ای و درایوهای رلوکتانسی سوئیچ‌شونده نیز در فصل 13 توضیح داده می‌شوند. ملاحظات مربوط به تلفات و روش‌های گوناگون برای بهبود راندمان انرژی در درایوها در فصل 14 مورد بحث قرار گرفته است.

پرسش‌های خلاصه و مرور

1. درایو الکتریکی چیست؟ نمودار بلوکی آن را رسم کرده و نقش هر یک از اجزای آن را توضیح دهید.
2. روش سنتی کنترل نرخ جریان در صنایع فرایندی چه بوده است؟ چه معایب اصلی در آن روش وجود دارد که با استفاده از درایوهای با سرعت قابل تنظیم می‌توان آن‌ها را برطرف کرد؟
3. عوامل اصلی رشد بازار درایوهای با سرعت قابل تنظیم کدام‌اند؟
4. یک سیستم تهویه مطبوع چگونه کار می‌کند؟
5. پمپ حرارتی چگونه کار می‌کند؟
6. درایوهای با سرعت قابل تنظیم چگونه موجب صرفه‌جویی در انرژی در سیستم‌های تهویه مطبوع و پمپ‌های حرارتی می‌شوند؟
7. نقش اصلی درایوهای با سرعت قابل تنظیم در سیستم‌های صنعتی چیست؟
8. برخی از پیشنهادها برای ذخیره انرژی در چرخ‌طیارها برای هم‌سطح‌کردن بار شبکه چیست؟ توضیح دهید که چگونه در دوره‌های با مصرف پایین، انرژی در چرخ‌طیار ذخیره و در ساعات اوج مصرف، انرژی به شبکه بازگردانده می‌شود. نقش درایوهای مدرن در این سیستم چیست؟
9. نقش درایوهای الکتریکی در سیستم‌های حمل‌ونقل الکتریکی از انواع مختلف چیست؟
10. چند نمونه از کاربردهای ذکرشده در بخش 1.4 را که برای شما آشنا هستند، فهرست کنید.
11. رشته‌های مختلفی را که در مطالعه و طراحی سیستم‌های درایو الکتریکی نقش دارند، نام ببرید.