طراحی مدارات سوئیچینگ

انجام پروژه

شماره تماس تلگرام واتس اپ  09906118613

طراحی مدارات سوئیچینگ در سال 1970 توسط مهندسان الکترونیک مطرح گردید که در ابتدای امر از بازدهی پایینی برخوردار بود ولی در مقایسه با باتریها و منابع تغذیه آنالوگ وزن و حجم کوچکتر ولی در عین حال توان بالایی داشتند. در طرحهای نخستین منابع تغذیه از عناصر ابتدایی نظیر BJT استفاده می شد که این خود باعث کاهش راندمان درحدود 68 % می شد.

با پیشرفت الکترونیک و ایجاد حوزه های تخصصی، نیاز به قطعات الکترونیکی و سریع بیشتر و بیشتر شد و رگولاتور ها هم، چون به عنوان منابع تأمین انرژی و توان دستگاهها و وسایل دیگر استفاده می شدند از اهمیت خاصی برخوردار شدند.

حدود 35 سال قبل با پیشرفتی که در زمینه منابع تغذیه صورت گرفت، طراحی مدارات سوئیچینگ پا به عرصه وجود گذاشت. و به تدریج جهت روبرو شدن با نیازهای مختلف تکامل یافتند و می توان گفت اینگونه منابع، نقش بسزایی در پیشرفت صنعت الکترونیک داشته اند. رگولاتورهای طراحی شده در طراحی مدارات سوئیچینگ برتری های زیادی به رگولاتور خطی دارد که در ادامه بررسی شده است.

​

طراحی مدارات سوئیچینگ

امروزه منابع تغذیه سوییچینگ جایگاه خاصی در صنعت برق و الکترونیک و مخابرات یافته اند و بدلیل برتری ها و مزایای زیادی که نسبت به دیگر منابع تغذیه دارا می باشند توجه صنعتگران و مهندسان برق را به خود معطوف کرده اند. تا جایی که گروهی از مهندسان الکترونیک در بهبود و کارایی و کیفیت آنها تحقیقات گسترده ای انجام داده اند البته نتیجه این تلاشها پیشرفت روزافزونی است که در ساخت این سیستمها پدید آمده است همچنین پیشرفت در تکنولوژی ساخت قطعات نیز تاثیر بسزایی در ساخت منابع تغذیه سوئیچینگ داشته است.

با پیداش ماسفت های سریع و پرقدرت، تلفات ترانزیستور ی بطور چشمگیری کاهش پیدا کرده است و عمده تلفات در ترانسها خلاصه می شود که برای غلبه بر این مشکل فرکانس کاری مدار را تا حد 1MHz افزایش داده اند.

طراحی مدارات سوئیچینگ

رگولاتور

رگولاتور ها قطعات بسیار مهمی هستند که می توان از آنها برای تأمین انرژی و توان دستگاهها و وسایل دیگر استفاده کرد.
رگولاتور ها به دو نوع عمده تقسیم می شوند که عبارتند از:

1- رگولاتور خطی 2- رگولاتور سوییچینگ

در گذشته از رگولاتور خطی به وفور استفاده می شد و چون به مرور زمان در مصارف مختلف کارآیی و بازده خوبی نداشت به تدریج منسوخ شده و جای خود را به رگولاتور سوییچینگ داد. این منابع از اوایل دهه ی 1970 همزمان با عرضه ی ترانزیستور های قدرت مطرح شدند و به تدریج جهت روبرو شدن با نیازهای مختلف تکامل پیدا کردند.

امروزه این گونه منابع در ابعاد مختلفی همانند ولتاژ ورودی یا توان خروجی بالا و قیمت پایین و… توسعه یافته اند.

برای انتخاب بین یک منبع تغذیه سوئیچینگ یا یک منبع تغذیه خطی می توان بر اساس کاربرد آنها اقدام نمود که دارای مزایا و معایب خاص خود می باشند و بر این اساس یکی از این دو را انتخاب می کنیم و همچنین حوزه های متعددی وجود دارد که تنها یکی از این دو می تواند مورد استفاده قرار گیرد و یا کاربردهایی که یکی از آنها بر دیگری برتری دارد. در زیر مزایا و معایب رگولاتور خطی و رگولاتور سوئیچینگ را بررسی می کنیم.

مزایا و معایب رگولاتور خطی در مقایسه با طراحی مدارات سوئیچینگ

مزایای رگولاتور خطی

• سادگی مدار (طراحی مدار بسیار ساده و با قطعات کمی، به راحتی پایدار می شود)
• قابلیت تحمل بار زیاد، نویز ناچیز در خروجی و زمان پاسخ دهی بسیار کوتاه
• برای توانهای کمتر از 10 وات، ارزانتر از طراحی مدارات سوئیچینگ مشابه تمام می شوند.

معایب رگولاتور خطی

• تنها به صورت رگولاتور کاهنده بکار می رود (ورودی باید حداقل 2 تا 3 ولت بیشتر از خروجی باشد)
• قابلیت انعطاف کم و افزون هر خروجی به مدار مستلزم اضافه کردن قطعات اضافی است.
• بهره کم و در حدود 30 % تا 40 % می باشد. این تلفات توان در ترانزیستور خروجی تولید حرارت می نماید و نیاز به ترانزیستور قویتری تا حدود 15 وات است. روش های معمول خنک سازی مفید است ولی بیش از این توان نیاز به سرمایش تحت فشار (Forced) می باشد.
• راندمان مدار هنگامی خوب است که مقدار ولتاژ خروجی، به ولتاژ ورودی نزدیک باشد.
  در شکل زیر نمونه ای از یک مدار ساده رگولاتور خطی نشان داده شده است:

​

مدار رگولاتور در طراحی مدارات سوئیچینگ

در شکل فوق ترانزیستور T1 باید از نوع قدرت باشد زیرا باید جریان بالایی را تحمل کند.

نکات عملی در مورد ترانزیستور T1

• حداکثر جریان بار بوسیله حداکثر جریان کلکتور ترانزیستور سری T1 تعیین می شود.
•  اختلاف بین ولتاژ ورودی و خروجی به ترانزیستور سری اعمال می شود، بنابراین حداکثر VCE برای این ترانزیستور توسط ولتاژ خروجی و حداکثر ورودی تعیین می گردد.
• حاصلضرب جریان بار در VCE تقریباً توان تلف شده این ترانزیستور می باشد.

البته برای بهتر شدن عملکرد یک رگولاتور خطی، می توان حفاظت های ویژه و قطعات ویژه ای را اضافه کرد که به تفصیل این مباحث نمی پردازیم و در همین جا بحث رگولاتورهای خطی را به پایان می رسانیم و بحث در مورد رگولاتورهای سوییچینگ را آغاز می کنیم.

مزایا و معایب رگولاتور سوئیچینگ

​

طراحی مدارات سوئیچینگ

مزایای رگولاتور سوئیچینگ

1. افزایش راندمان در حدود 68 % تا 90 % و این موضوع کارکرد ترانزیستور در نواحی و اشباع را به انتخاب حرارت گیر یا خنک کننده و ترانزیستور کوچکتر منوط کرده است

2. به دلیل اینکه قدرت خروجی از یک ولتاژ DC بریده شده که به شکل AC در یک قطعه مغناطیسی ذخیره می شود تأمین می گردد، لذا با اضافه کردن تنها یک سیم پیچ می توان خروجی دیگری را به دست آورد، که در مقایسه بسیار ارزانتر و ساده تر تمام می شود.

3. به دلیل افزایش فرکانس کاری به حدود 50 تا 60 کیلوهرتز، اجزاء ذخیره کننده انرژی می توانند خیلی کوچکتر انتخاب شوند و بدین دلیل از نظر سایز و اندازه کوچک هستند.

4. برخلاف رگولاتور خطی، در توان های خیلی بالا قابل استفاده می باشد.

5. قابلیت افزایش ولتاژ ورودی در خروجی همه موارد ذکر شده در بالا، به کاهش هزینه و توان تلفاتی و افزایش بهره دهی و انعطاف پذیری منجر می شود.

معایب رگولاتور سوییچینگ

•  طرح چنین منابعی اصولاً مشکل و پیچیده است.
• نویز قابل ملاحظه ای ایجاد می کنند و البته می توان با کمک فیلتر و محافظ آن را کاهش داد.
• ماهیت کار این منابع که بر اساس برش یک ولتاژ DC است باعث می شود که زمان رسیدن ولتاژ خروجی به مقدار مطلوب در مقایسه با منابع خطی زیاد باشد این زمان اصطلاحاً زمان پاسخ گذرا گویند.
• شامل ترکیبات خارجی اضافه از جمله، خازن ها و سلفها می باشد.

تمامی موارد ذکر شده فوق در کاهش کارآمدی و افزایش قیمت مؤثر هستند ولی البته با طراحی شماتیک بهتر قابل بهبود می باشند. تا به حال در مورد مزایا و معایب رگولاتورهای خطی و سوئیچینگ بحث شد و از مطالب فوق می توان نتیجه گرفت که این منابع حوزه های کاری مشخصی را دارند که عموماً برای مدارهای با راندمان بالا و ولتاژ بالا مثل مدارهای تغذیه شونده با باطریهای قابل حمل، منبع تغذیه سوئیچینگ برتری دارد ولی برای ولتاژهای ثابت و کم، منابع تغذیه خطی ارزانتر و بهترند.

چگونگی عملکرد یک منبع تغذیه سوئیچینگ

همانطور که ذکر شد یک رگولاتور خطی براساس تأمین جریان و ولتاژ مطلوب در خروجی بوسیله یک نیمه هادی قدرت که در حالت خطی بکار گرفته شده است کار می کند که حاصلضرب اختلاف ولتاژ خروجی با ورودی در جریان بار، توانی است که در این عنصر نیمه هادی باید تلف شود که بعضا زیاد است و مهمترین عامل پائین بودن راندمان می باشد.

دلیل این امر، همانطور که در ابتدای بحث رگولاتور خطی ذکر شد عملکرد ترانزیستور در حالت خطی است یعنی جایی که ولتاژ در سر سوئیچ و جریان عبوری آن هر دو زیاد است.

اما یک رگولاتور سوئیچینگ را می توان بعنوان یک منبع خطی در نظر گرفت، در حالی که در یک منبع تغذیه سوئیچینگ ، تغییر سطح ولتاژ خروجی از طریق تغییر در روشن به خاموش یا اصطلاحا زمان کارکرد ( Duty Cycle) ترانزیستور خروجی انجام می گیرد. به دلیل کارکرد ترانزیستور در حالت خاموش و روشن تلفات در نیمه هادی در مقایسه با حالت خطی خیلی کم است. دلیل نامگذاری این منابع به نامهای خطی و سوئیچینگ هم حالت عملکرد عنصر نیمه هادی است.

انواع منابع تغذیه سوئیچینگ

​

طراحی مدارات سوئیچینگ

طراحی مدارات سوئیچینگ به دو نوع کلی قابل تقسیم بندی هستند :
Forward .1
Flyback .2

با وجود شباهتهای فراوان، تفاوتهای متمایز کننده ای هم وجود دارد. نحوه عملکرد و چگونگی قرارگیری عنصر مغناطیسی تعیین کننده نوع مدار است.
عناصر اصلی هریک از انواع این منابع عبارتند از:

• یک منبع سوئیچ جهت تهیه موج PWM
• القاگر(در مورد منابع پیشرفته، القاگر جای خود را به ترانس می دهد)
• سوئیچ قدرت (ترانزیستور قدرت)
• خازن ذخیره کننده ی انرژی در خروجی
• شبکه های حس کننده و عمل کننده بازخورد

​

مهندسی معکوس بردهای الکترونیکی

​انجام پروژه تخصصی

شماره تماس واتس اپ تلگرام 09906118613

مهندسی معکوس بردهای الکترونیکی یکی از راههای خروج از وابستگی به محصولات خارجی و رسیدن به محصولات پیشرفته می باشد که با استفاده از خدمات مهندسی معکوس بردهای الکترونیکی می توان به دانش فنی شرکت های بزرگ دنیا دست یافت. امروزه کشورهای در حال توسعه برای داشتن تکنولوژی نو، استفاده از خدمات مهندسی معکوس بردهای الکترونیکی را برای کوتاه کردن مسیر پیشرفت انتخاب نموده اند.

با کمک خدمات مهندسی معکوس بردهای الکترونیکی و با پیشرفت علم و تکنولوژی، شرکت ها و مجموعه ها در حوزه های مختلف در تلاش هستند تا با دستیابی به دانش فنی شرکت های بزرگ دنیا، با تولید محصولات جدیدتر و به روزتر با هدف افزایش رضایت مشتریان خود، فضای رقابتی بازار داخل و خارج از کشور خود را در دست گرفته و بتوانند محصول خود را با کیفیت بالاتری در سطح دنیا عرضه نمایند.

با نگاه به پیرامون خود در محل زندگی، محیط کار، لوازم، ابزار، خودرو، امکاناتی که جهت رفاه در زندگی روزمره خود استفاده می کنیم به خوبی به این مهم پی می بریم که دنیای الکترونیک و دیجیتال با صنایع مختلف آمیخته شده و به شدت نیاز به آن ها حس می شود به طوری که امروزه نقش جدایی ناپذیری در زندگی روزمره انسان ایفا می کنند. و نقش پررنگ شرکت مهندسی معکوس الکترونیک در دستیابی به دانش و اطلاعات فنی روز دنیا به خوبی نمایان می شود.

شرکت مهندسی معکوس الکترونیک با آنالیز دقیق مدار الکترونیک و قطعات موجود بر روی برد مدار چاپی و نیز بررسی ورودی ها و خروجی های برد PCB، یک نمونه جدید طراحی و تولید می کند.

درچه شرایطی از مهندسی معکوس بردهای الکترونیکی استفاده می کنیم؟

​

مهندسی معکوس بردهای الکترونیکی

مهندسی معکوس بردهای الکترونیکی زمانی کاربرد دارد که یک برد الکترونیکی موجود است و می خواهیم یک برد دیگر شبیه آن را تولید کنیم و هیچگونه دسترسی به طراح و طرح اولیه نداریم. عواملی نظیر تحریم و مشکلات در واردات باعث بروز مشکلاتی می شوند که شرکت مهندسی معکوس الکترونیک در بسیاری از موارد با ارائه خدمات مهندسی معکوس بردهای الکترونیکی و تولید در داخل این تهدید را به فرصت تبدیل کند.

به کمک مهندسی معکوس می توان به تکنولوژی ساخت انواع بردهای الکترونیکی و اطلاعات طراحی و همچنین تعمیر و نگهداری دستگاه ها دست پیدا کرد. از طرفی می توان با ساخت و تولید بردهای یدکی و جایگزین کردن در خطوط تولید، فاصله زمانی ناشی از خرابی دستگاهها را کاهش داد و در نتیجه از از کار افتادن خط تولید جلوگیری کرد.

شرکت مهندسی معکوس الکترونیک با در اختیار گرفتن تکنولوژی طراحی و ساخت بردهای الکترونیکی سبب آشنایی با طراحی های شرکتهای بزرگ دنیا می شود و این امر باعث می شود تا نسبت به طراحی های مختلف دید متفاوتی کسب کرده و بتوان از این تجربه و اطلاعات در طراحی های داخلی استفاده نمود.

مهندسی معکوس بردهای الکترونیکی برای اهدافی مثل تعمیر تجهیزات، قطعاتی که مستند سازی آنها موجود نیست، ترکیب چند عدد برد، مستند سازی ضعیف و کامل نبودن اطلاعات برد و برای شناسایی قطعات بلااستفاده و… مفید است. مهندسی معکوس PCB راهکاری است که در موارد زیادی کاربرد دارد. مواردی از جمله:

قدیمی بودن بردهای الکترونیکی و عدم تولید آنها توسط سازنده برد

در  مواردی دستگاهی که دارای برد الکترونیکی است پس از گذشت سالها از تولید، نیاز به تعمیر اساسی پیدا می کند که با توجه به تغییرات تکنولوژی و نیز عدم تولید قطعات توسط سازنده، نیاز است تا قسمتی از برد الکترونیکی باز طراحی یا به صورت کامل مهندسی معکوس شود تا از صرف هزینه برای خرید سیستم جدید جلوگیری گردد.

مهندسی معکوس بردهای الکترونیکی و عدم دسترسی به طرح pcb یا طراح مدار آن

گاهی یک برد الکترونیکی قدیمی نیست؛ اما مشکلاتی از قبیل موارد زیر وجود دارد:

• دانش فنی طراحی و ساخت آن به دلایلی در کشور وجود ندارد.
• طراح و سازنده خارجی به دلایلی چون تحریم بین المللی از ارائه خدمات سرباز می زند.

در این گونه موارد، خدمات شرکت مهندسی معکوس الکترونیک کمک شایانی به صاحبان صنایع می کند تا با یک بار صرف هزینه مناسب، نیاز خود را مرتفع نمایند. در کنار مهارت بالایی که برای مهندسی معکوس بردهای الکترونیکی لازم است، دقت بالا، دانش الکترونیکی و قدرت آنالیز مدارهای الکترونیکی نیز از اهمیت بالایی برخوردار است.

مهندسی معکوس بردهای الکترونیکی و هزینه بالای ملاحظات طراحی و مقرون به صرفه نبودن برای بسیاری از صنایع

همان گونه که در بالا اشاره شد، طراحی برد الکترونیکی در مواردی یک راهکار مناسب است. با این حال، با توجه به ماهیت زمانبر بودن فرآیند طراحی، هزینه های بالا و نیاز به دانش فنی کافی، می تواند باعث شود تا راهکاری جایگزین پذیرفته شود. مهندسی معکوس pcb در بسیاری از موارد این راهکار جایگزین خواهد بود.

گروه مهندسی جینار الکترونیک با بیش از 10 سال سابقه در امر ارائه خدمات مهندسی معکوس بردهای الکترونیکی و با داشتن تیمی مجرب و استفاده ار تکنولوژی روز دنیا می تواند مهندسی معکوس بردهای الکترونیکی را با دقت 100 درصد انجام دهد. و به عنوان یک شرکت مهندسی معکوس الکترونیک قادر است پروژه های الکترونیکی در صنایع مختلف را بازسازی، طراحی و تولید نماید که تاکنون پروژه های مهندسی معکوس موفقیت آمیز فراوانی را به اتمام رسانده است.

مراحل اجرایی مهندسی معکوس بردهای الکترونیکی :

​

مهندسی معکوس بردهای الکترونیکی

بررسی اولیه و شناسایی قطعات:

پس از تحویل برد نمونه از کارفرما، لازم است شرکت مهندسی معکوس الکترونیک بررسی های اولیه را توسط تیم مهندسی بر روی برد الکترونیکی صورت دهد و تمامی جزئیات در نظر گرفته شود. این جزئیات شامل امکان سنجی، تخمین لایه های بردهای چند لایه، بررسی دقیق تمامی قطعات (قطعات خاص، آی سی های برنامه پذیر، بررسی قفل بودن یا نبودن آی سی های برنامه پذیر)، تهیه لیست قطعات BOM، برنامه ریزی جهت زمان بندی و مدیریت پروژه می باشد.

پس از بررسی های اولیه به شناسایی دقیق قطعات پرداخته می شود. هر قطعه دارای پارت نامبر منحصر به فردی است که از طریق آن می توان به اطلاعات فنی آن قطعه دسترسی پیدا کرد. شناسایی قطعات و پیدا کردن پارت نامبر دقیق قطعات، کار حساسی است که نیاز به تجربه و مهارت بالایی دارد. کوچکترین اشتباه در شناسایی قطعات می تواند خسارات مالی و زمانی را به همراه داشته و حتی ممکن است در روند مهندسی معکوس اختلال بوجود آورد.

گاهی ممکن است قطعات داخل برد به دلیل قدیمی بودن و اینکه تولید آن توسط کمپانی سازنده متوقف شده باشد یا به هر دلیلی در بازار داخل و خارج موجود نباشد در این صورت باید با توجه به مشخصات فنی آن، قطعه ای جایگزین برای آن درنظر گرفت که مشخصات فنی آن دقیقا مطابق با قطعه اصلی باشد. برای این کار نیز تخصص، مهارت و تجربه بالایی لازم است. کیفیت و اصل بودن قطعات در کیفیت و طول عمر محصول نهایی بسیار تاثیر گذار است لذا می بایست قطعات اصل و با کیفیت از تامین کننده های اصلی تهیه شوند.

ساخت نمونه ی PCB :

پس از انجام بررسی های اولیه و شناسایی قطعات، جهت استخراخ نقشه مدار اقدام می شود. فایل PCB استخراج شده نقطه به نقطه با برد اصلی مقایسه می شود در صورت تایید نهایی جهت طراحی شماتیک اقدام می شود. طراحی فایل شماتیک باید مطابق با استاندارد باشد زیرا در تحلیل، راه اندازی و عیب یابی به شدت مورد نیاز بوده و کوچکترین اشتباهی سبب گمراهی و از دست رفتن زمان می شود. در نهایت جهت نمونه سازی فایل PCB اقدام می شود.

​

مهندسی معکوس بردهای الکترونیکی

خدمات مهندسی معکوس بردهای الکترونیکی ما عبارتند از:

• مهندسی معکوس بردهای الکترونیکی و طراحی برد الکترونیکی دقیقا مشابه نمونه اصلی
• طراحی و مهندسی معکوس بردهای الکترونیکی چند لایه
• طراحی و مهندسی معکوس تجهیزات نظامی
• طراحی و مهندسی معکوس بردهای الکترونیکی مهندسی پزشکی
• ادغام کردن چند برد در یک برد مدار چاپی PCB
• تغییر بردهای طراحی شده DIP به صورت SMD
• کوچک کردن مساحت برد الکترونیکی PCB به درخواست مشتری
• تغییر طراحی برد الکترونیکی ( برد مدار چاپی PCB ) یکرو یا دورو بصورت PCB چند لایه – مولتی لایر
• استخراج دانش فنی و تحلیل مدار
• تبدیل فایل های PDF و GERBER به PCB
• خدمات مهندسی معکوس بردهای الکترونیکی انواع مدارات آنالوگ و دیجیتال
• خدمات مهندسی معکوس بردهای الکترونیکی انواع مبدلها (ترانسدیوسر، کانورتر، اینورتر، مبنع تغذیه، آمپلی فایر، بردهای سوئیچینگ)
• خدمات مهندسی معکوس بردهای الکترونیکی مدارات چند برابر کننده
• ارائه لیست قطعات – BOM – با پارت نامبر کامل و دقیق

​

شبیه سازی برد الکترونیکی

شبیه سازی  برد الکترونیکی (3D) برای طراحی بدنه و قاب محصول امری لازم و ضروری است تا قبل از تولید از صحت بدنه مکانیکی اطمینان حاصل کرد. به کمک این روش، نمونه مونتاژ شده برد را بصورت شبیه سازی شده در اختیار طراح بدنه و قاب محصول قرار داده تا از رعایت شدن کلیه الزامات مکانیکی اطمینان حاصل کرد.

برخی از دلایل شبیه سازی  برد الکترونیکی جهت الزامات طراحی بدنه :

​

شبیه سازی  برد الکترونیکی

• بررسی محل جاپیچ ها و اسپیسرها
• بررسی محل کانکتورها
• محل نمایشگرها
• ابعاد بردهای مدار چاپی pcb
• بررسی عدم تداخل بلندترین قطعه روی برد مدار چاپی pcb با بدنه محصول
• بررسی محل ال ای دی ها (LED)
• بررسی محل عبور دسته سیمهای داخل بدنه – جهت اطمینان از اینکه دسته سیم از محل پرنویز و یا محل با حرارت بالا عبور نکند.
• و…

در صورتیکه نیاز به شبیه سازی  برد الکترونیکی داشته باشید کارشناسان ما بعد از طراحی برد های الکترونیکی PCB ، شبیه سازی سه بعدی برد الکترونیکی را آماده کرده و در اختیارتان قرار می دهند.

شماره تماس [phone]

​

شبیه سازی اینورتر سه فاز در سیمولینک

توپولوژی اینورتر سه فاز از ۳ پا تشکیل شده است.

هر پا شامل سوئیچ در موقعیت بالا یا پایین می باشد. هشت تنظیم سوئیچینگ احتمالی منجر به ۶ بردار فضای ولتاژ فعال و ۲ بردار صفر می شود.

این انیمیشن ترتیب توالی خاصی از ۸ حالت را نشان می دهد که در آن ناقلین فعال در مراحل ۶۰o گسسته می چرخند.

آموزش شبیه سازی با DSL دیگسایلنت

​انجام پروژه و شبیه سازی دیگسایلنت  شماره تماس، واتس اپ تلگرام 09906118613

در این آموزش قصد دارم شما رو با شبیه سازی DSL دیگسایلنت آشنا کنم. حتما میدونید که نرم افزار دیگسایلنت یک نرم افزار قدرتمند در زمینه مهندسی برق می باشد. با توجه به اینکه در اکثر دانشگاه ها نرم افزار متلب مورد توجه عام می باشد، توجه بسیاری از دانشجویان از قابلیت های نرم افزار دیگسایلنت به دور مانده است. خیلی از دانشجویان فکر میکنند که نمی توانند کنترل کننده ها یا حتی الگوریتم های بهینه سازی مانند PSO را در دیگسایلنت انجام داد. اما باید بگم که برخلاف تصور شما، نرم افزار دیگسایلنت تنها یک نرم افزار برای مدلسازی سیستم قدرت و پخش بار گرفتن نیست. بلکه شما می توانید از این نرم افزار برای انجام پروژه های الکترونیک قدرت، کنترل خطی و کنترل مدرن، سیستم های قدرت، ادوات فاکتس، مسائل بهینه سازی و کیفیت توان نیز استفاده کنید. با استفاده از قابلیت DSL دیگسایلنت شما قادر خواهید بود اینورتر خود را با کنترل کننده مورد نظر خود کلیدزنی کنید، توربین بادی خود را کنترل کنید، ژنراتور سنکرون خود را برای عملکرد پایدار به کنترل کننده های ساخته شده با DSL مجهز کنید و هر کاری کنترلی دیگری که می توان در سیستم قدرت انجام داد.

زمانیکه یک در شبیه سازی خود یک سیستم قدرت را با استفاده از یک ژنراتور سنکرون مدل می کنید، در حالت عادی ژنراتور سنکرون موجود در کتابخانه نرم افزار دیگسایلنت به هیچ کنترل کننده ای مجهز نیست. بنابراین در صورتی که خطایی در سیستم اتفاق یبفتد یا تعادل بین عرضه و تقاضای توان در شبکه بهم بخورد سیستم قدرت به سمت ناپایداری خواهد رفت. کتابخانه نرم افزار دیگسایلنت دارای تعداد زیادی کنترل کننده و پایدارساز برای نصب بر روی ژنراتور سنکرون می باشد که همگی با استفاده از زبان شبیه سازی DSL دیگسایلنت شبیه سازی شده اند. گاهی اوقات لازم است که یک کنترل کننده خاص برای سیستم قدرت یا ژنراتور سنکرون و یا هر عنصر دیگری از کتابخانه طراحی شود که در این زمان باید با استفاده از قابلیت DSL دیگسایلنت کنترل کننده خود را ساخته و بر روی عنصر مورد نظر پیاده سازی کنیم. سیستم نیروگاه آبی زیر را در نظر بگیرد.

​

همانطور که مشاهده می شود، به منظور کنترل یک نیروگاه آبی چندین واحد کنترل با یکدیگر در ارتباط هستند. در شکل زیر که نقشه خارجی DSL کنترل نیروگاه آبی را نشان می دهد، کل متلعقات سیستم شامل ژنراتور سنکرون، توربین، گاورنر و کنترل کننده ولتاژ قابل مشاهده هستند. این درواقع همان مدل کامپوزیت شده سیستم کنترل نیروگاه می باشد که درباره آن توضیحاتی داده شد. هر یک از بلوک های نشان داده شده در شکل زیر خودشان یک مدل DSL هستند به جز ژنراتور سنکرون که خودش یکی از اجزای کتابخانه است و درواقع یک مدل Built in می باشد. در شبیه سازی DSL دیگسایلنت باید سه بلوک دیگر یعنی گاورنر، توربین بخار و کنترل کننده ولتاژ را شبیه سازی کرد. البته در صورتی که فقط نیاز دارید کنترل کننده ولتاژ را طراحی کنید، می توانید از مدل های DSL آماده نرم افزار دیگسایلنت برای بلوک توربین و گاورنر استفاده کنید. 

​

در شکل زیر یک مدل نمونه برای کنترل کننده ولتاژ که در شکل بالا به آن اشاره شد نشان داده شده است. این شکل در واقع مدل شبیه سازی شده کنترل کننده ولتاژ نیروگاه آبی را توسط DSL دیگسایلنت نشان می دهد. که وارد شکل بالا شده و بر روی ژنراتور سنکرون سوار می شود.

​

در صورتی که پنجره تنظیمات مدل کامپوزیت کنترل کننده ژنراتور باز شود شکل زیر نمایان می شود که هر چهار عنصر نشان داده شده در نقشه خارجی یعنی ژنراتور سنکرون، مدل توربین بخار، گاورنر و کنترل کننده ولتاژ وجود دارند.

​

با کلیک راست بر روی هر یک از مدل های DSL مانند شکل زیر و گزینه Show graphic می توان ساختار کنترلی آنها را مشاهده کرد.

​

​

منابع ایجاد هارمونیک و تاثیر هارمونیک بر سیستم قدرت

۱-هارمونیک از گذشته‌ تا به امروز

هارمونیک یکی از عوامل تاثیرگذار بر کیفیت توان سیستم قدرت می باشد و باید بطور دقیق در برنامه ریزی سیستم منظور شود. در نخستین سال‌ها، الکتریسیته به شکل مستقیم (DC) مورد استفاده قرار می‌گرفت که نمونه بارز آن باتری‌های الکتروشیمیایی بودند که در تلگراف کاربرد وسیعی داشتند. در اولین نیروگاه برق که در سال ۱۸۸۲ میلادی توسط توماس ادیسون در شهر نیویورک احداث گردید، از ماشین بخار و دینام‌های جریان مستقیم برای تولید برق استفاده شد و نیروی حاصله به همان فرم DC از طریق کابل‌های زیر زمینی توزیع و مصرف گردید.

ادوارد اوئن در سال  ۱۸۹۸میلادی،‌ تاریخچه‌ای را در مورد هارمونیک ها در شبکه قدرت منتشر نمود. او از تجربه شهر هاتفورد امریکا در سال ۱۸۹۳ میلادی به عنوان اولین مشکل اعوجاجات  هارمونیکی یاد می‌کند، ‌و اینکه مهندسین قدرت با مشکل گرم شدن بیش  از حد یک موتور الکتریکی و خرابی عایق‌بندی آن مواجه شده بودند. شایان ذکر است که این موتور قبل از ارسال به هارتفورد در کارخانه ساخته شده و به خوبی کار کرده بود. تنها تفاوت بین شرایط آزمایش در کارخانه وشرایط کار واقعی در هارتفورد یک خط انتقال ۱۰ مایلی بود. به منظور پیدا کردن دلیل این مشکل، ‌تحلیل هارمونیکی بر روی شکل موج‌های جریان و ولتاژ خط انتقالی که موتور را تغذیه می‌کرد، ‌انجام گرفت. نتایج بدست آمده عامل گرم شدن موتور را تشدید ایجاد شده در خط انتقال ناشی از وجود هارمونیک‌ها تشخیص داد. شایان ذکر است که تولید کنندگان تجهیزات الکتریکی در اروپا برخلاف امریکایی‌ها به دلیل اینکه در سیستم های انتقال خود از فرکانس‌های بالا ( مانند ۱۲۵،  ۱۳۳ یا ۱۴۰ هرتز ) استفاده  نمی‌کردند، ‌تا آن زمان با تشدید خط انتقال مواجه نشده بودند. ازدیگر تجارب هارمونیک‌ها در شبکه قدرت در آن سال‌ها می‌توان به بکارگیری یک ژنراتور سه فاز ۱۲۵هرتز با ولتاژ نامی ۸/۳ کیلو ولت اشاره نمود که توسط شرکت جنرال الکتریک برای نیروگاه طراحی شده بود. قدرتی که توسط این ژنراتور تولید می‌شد از طریق یک خط انتقال به سمت دیگر شهر هارتفورد منتقل می‌گردید و در آنجا یک موتور سنکرون را تغذیه می‌کرد. موتور سنکرون نیز به نوبه خود به عنوان محرک یک ژنراتور DC بود که قطارهای شهر را تغذیه می‌کرد. مهندسین با محاسبه اندوکتانس وخازن خط انتقال و اندوکتانس بار ‌مشاهده کردند که در فرکانس حدود ۱۶۰۰ هرتز ( هارمونیک سیزدهم فرکانس اصلی ) در خط تشدید ایجاد می‌شود. شکل موج‌های ولتاژ ژنراتور نیروگاه و موتور سنکرون دارای مولفه‌های هارمونیکی قابل توجه بودند. شاید جالب‌ترین جنبه این تحقیقات این باشد که آنها چگونه توانستند با وجود وسایل و تجهیزات بسیار ابتدایی کار خود را به اتمام برسانند. آنها به تجهیزات اندازه‌گیری مدرن مانند اسیلوسکوپ یا هارمونیک‌سنج دسترسی نداشتند. درسال ۱۸۹۳ حتی امکان دسترسی به یک ولتمتر خوب نیز وجود نداشت. اسیلوگراف‌ها هم هنوز اختراع نشده بودند و تنها وسیله‌ای که امکان استفاده از آن وجود داشت موج‌نما نام داشت که شکل موج را به صورت نقطه به نقطه از طریق قطع و وصل مرتب یک زبانه نمونه‌گیری می‌کرد. آنان موفق شدند که شکل موج‌ها را ثبت کرده وتحلیل فوریه را بر روی این شکل موج‌ها انجام دهند. طبق گزارشات موجود محاسبه هر یک از ضرایب فوریه یک ساعت طول می‌کشید. شایان ذکر است که کموتاتور موج نما با فرکانس ۴۵۰۰ هرتز اطلاعات را ثبت می‌کرد که برای فرکانس پایه ۱۲۵ هرتز ، ۳۶ نمونه در هر سیکل بدست خواهد آمد. امروزه با استفاده از هارمونیک سنج‌های دیجیتال و با به کارگیری الگوریتم‌های سریع تبدیل فوریه گسسته  می‌توان به راحتی اعوجاجات هارمونیکی را اندازه‌گیری کرد

اولین پیامد وجود عناصر غیر خطی در شبکه، بروز هارمونیک‌ها در سیستم قدرت می‌باشد، که با توجه به گسترش فزاینده استفاده از این عناصر در سیستم‌های قدرت مانند مبدل‌های الکترونیکی قدرت و راه‌اندازها (درایورهای تنظیم سرعت و ولتاژ) مقادیر هارمونیک در شکل موج‌های جریان و ولتاژ به طور چشمگیری افزایش یافته است و بنابراین اهمیت موضوع را به مراتب بیشتر از قبل حساس و آشکار نموده است. این امر منجر به تحقیقات و بررسی مسائلی در مورد هارمونیک‌ها گردید که نتایج آن به وجود آمدن نقطه نظرات متعددی در مورد کیفیت برق بود و به نظر برخی از محققین، اعوجاج هارمونیکی هنوز به عنوان مهم‌ترین مسئله کیفیت برق مطرح می‌باشد. مسائل هارمونیکی با بسیاری از قوانین معمولی طراحی سیستم‌های قدرت و عملکرد آن تحت فرکانس اصلی مغایرت دارد.

بنابراین مهندسین برق با پدیده های ناشناخته زیادی روبرو هستند که برای حل مشکلات و تجزیه و تحلیل آن‌ها نیازمند ابزار و تجهیزات پیشرفته ای می‌باشند. گرچه تحلیل مسائل هارمونیکی بسیار دشوار و پیچیده است ولی خوشبختانه همه سیستم‌های قدرت دارای مشکلات هارمونیکی نیستند و فقط درصد کمی از فیدرهای مربوط به سیستم‌های توزیع تحت تاثیر عوامل ناشی از هارمونیک‌ها قرار می‌گیرند.

مشترکین برق در صورت وجود هارمونیک‎ها مشکلات و خسارات زیادی از شرکت‎های برق را تحمل می‎کنند. مشترکین صنعتی که از محرکه‎‎های موتور با قابلیت تنظیم سرعت، کوره‎‎های قوس الکتریکی، کوره‎‎های القایی، یکسو کننده‌ها، اینورترها، دستگاه‎‎های جوش و نظایر آن استفاده می‎‎کنند، نسبت به مسائل ناشی از اعوجاج هارمونیکی ضربه‌پذیر تر از بقیه مشترکین می‎باشند.

اعوجاج هارمونیکی یک پدیده جدید در سیستم‎های قدرت به شمار نمی‎رود. نگرانی ناشی از اعوجاج در بسیاری از دوره‎های سیستم‌ قدرت الکتریکی جریان متناوب وجود داشته و دنبال شده است. جستجوی منابع و مطالب تکنیکی دهه‎های قبل نشان می‎دهد که مقالات مختلفی در رابطه با این موضوع انتشار یافته است. اولین منابع هارمونیکی شناخته‎‎شده، ترانسفورماتورها بودند و اولین مشکل نیز در سیستم‎های تلفن پدید آمد. استفاده گروهی از لامپ‎های قوس الکتریک به دلیل مؤلفه‎های هارمونیکی توجهات خاصی را برانگیخت ولی این مسائل به اندازه اهمیت مسئله مبدل‎های الکترونیک قدرت در سال‎های اخیر نبوده است.

خوشبختانه در طی این سال‌ها پژوهشگران متوجه شده‌اند که اگر سیستم انتقال به نحو مناسبی طراحی گردد، به ‎‎نحوی که بتواند مقدار توان مورد نیاز بارها را به راحتی تأمین نماید، احتمال ایجاد مشکلات ناشی از هارمونیک‎ها برای سیستم قدرت بسیار کم خواهد بود، گرچه این هارمونیک‎ها می‎توانند موجب مسائلی در سیستم‎های مخابراتی شوند. اغلب در سیستم‎های قدرت مشکلات زمانی بروز می‎کنند که خازن‎های موجود در سیستم باعث ایجاد تشدید در یک فرکانس هارمونیکی گردند. در این شرایط اغتشاشات و اعوجاجات، بسیار بیش از مقادیر معمول می‎گردند و امکان ایجاد این مشکلات در مورد مراکز کوچک مصرف وجود دارد ولی شرایط بدتر در سیستم‎های صنعتی به دلیل درجه زیادی از تشدید رخ می‎دهد.

سطوح هارمونیک‌های جریان و ولتاژ در سیستم توزیع، دائم در حال افزایش هستند. یک دلیل مهم استفاده گسترده از وسایلی است که تولید هارمونیک می‌نمایند. وسایل کنترل کننده تریستوری، نمونه ایست که در سطوح قدرت صنعتی، تجاری و خانگی در حد وسیعی مورد استفاده پیدا نموده، این وسایل برای کنترل ولتاژ، سرعت تغییر فرکانس و مدل قدرت بکار برده می‌شوند و عموماً به سبب قیمت پایین‌تر، بازده بیشتر و نگهداری ساده تر جایگزین دیگر وسایل شده‌اند. دلیل دیگر افزایش هارمونیک‌ها، ازدیاد تحریک ترانسفورماتور های توزیع است که کاربرد پذیری آن‌ها عملاً بیشتر و بیشتر می‌شود.بعنوان دلیل سوم استفاده از خازن‌های شنت را می‌توان نام برد، خازن‌ها در هیچ شرایطی تولید هارمونیک نمی‌نمایند. اما نصب خازن‌های تصحیح کننده ضریب قدرت مسائل پتانسیلی را افزایش و حضور آن‌ها در مدار القائی اساساً امکان حلقه های شبکه را برای رزونانس محلی، عمومی یا بزرگ سازی هارمونیک مهیا می‌سازد و تمایل به سوی ظرفیت بیشتر و ولتاژ بالاتر سیستم‌های توزیع در سطوح هارمونیک اثر خواهد گذاشت. پوشش‌های وسیع سیستم‌ها همراه با تمایل به سوی حلقه های شبکه طویل‌تر مدار تلفن، رویارویی با مسائل تداخل القایی اضافی را میسر خواهد ساخت. آمیختن بارهای مسکونی، تجاری و صنعتی به درجه زیاد روی همان فیدرها امکان تداخل القائی اضافی را مطرح خواهد نمود. با تغذیه کانورترهای قدرت با ظرفیت بالاتر از این فیدرها در نتیجه مقدار بیشتر منابع و جریان هارمونیک از شبکه نیرو کشیده خواهد شد.

بانک‌های خازن تصحیح کننده ضریب قدرت به تعداد زیادتر یا در اندازه بزرگ‌تر منجر به ترکیبات بیشتر پارامترهای مدار برای تولید حلقه های رزونانس می‌شوند، ایستگاه های کششی قدرت (مانند مترو، تراموا) برای ترانزیت سریع از سیستم‌های توزیع تغذیه شده، به علت آمیختن با بارهای تجاری و مسکونی عموماً سطوح هارمونیک محیطی را افزایش می‌دهند.

بیشتر صنایع آلومینیوم در فرآیند تولیدات خود از سیستم‌های DC استفاده می‌نمایند. این تأسیسات هارمونیک بالا را تولید می‌کنند. خلاصه آنکه کوچک‌ترین تردیدی باقی نمی‌گذارد که هارمونیک‌ها بدون کنترل در سیستم‌های قدرت در حال افزایش و توسعه می‌باشند.

۲- مفهوم هارمونیک

به بیان ساده می‌توان هارمونیک را چنین بیان کرد:

به دلیل وجود عواملی در سیستم، شکل موج جریان و در نتیجه شکل موج ولتاژ از حالت سینوسی خود خارج شده و با ضرایبی دارای نوسان می شود. درسال‌های اولیه هارمونیک‌ها به خاطر مصرف‌کننده‌های خطی متعادل در صنایع چندان رایج نبودند. مانند: موتورهای القایی سه فاز، گرم کننده‌ها و ….. این بارهای خطی جریان سینوسی را در فرکانسی برابر با فرکانس ولتاژ می‌کشند. بنابراین با این تجهیزات اداره کل سیستم نسبتاً با سلامتی بیشتری همراه خواهد بود. ولی پیشرفت سریع در الکترونیک صنعتی در کاربری صنعتی سبب بوجود آمدن بارهای غیر خطی صنعتی شد. درساده‌ترین حالت، بارهای غیرخطی شکل موج بار غیر سینوسی از شکل موج ولتاژ سینوسی به دست خواهند آمد(شکل موج جریان غیر سینوسی). پدیدآورنده‌های اصلی بارهای غیر خطی درایوهای AC / DC ، نرم راه اندازها می‌باشند. عناصر غیرخطی جزئی از مدار الکتریکی است که در آن ولتاژ متناسب با جریان نمی‌باشد. این بارها باعث آسیب رساندن به شکل موج ولتاژ و جریان می‌شوند. در یک عنصر خطی مانند راکتور هوایی زمانی که ولتاژ مشخصی به سر آن اعمال می‌شود جریان معینی اندازه‌گیری می‌شود که عموماً لزومی ندارد که این جریان دارای همان شکل موج ولتاژ باشد. در هر حال اگر ولتاژ دو برابر شود جریان نیز دو برابر خواهد شد و شکل موج جریان همان نوع شکل موج قبلی را خواهد داشت. این موضوع در مورد عناصر غیر خطی صادق نمی‌باشد و جریان شکل‌موج متفاوتی به خود خواهد گرفت. دو مقاومت را که دارای مشخصه V-I مطابق شکل زیر در نظر می‌گیریم. یکی از مقاومت‌ها خطی است و مشخصه V-I یک خط مستقیم است و دیگری یک مقاومت غیر خطی است. اگر یک ولتاژ سینوسی به هر دو مقاومت اعمال شود متوجه خواهیم شد که جریان در مقاومت غیر خطی تغییر شکل خواهد داد. این یک پدیده اساسی در ایجاد هارمونیک‌ها در سیستم قدرت می‌باشد.

​

۳- منابع تولید هارمونیک

در این بخش سعی خواهد شد ضمن شناسائی منابع تولید هارمونیک به صورت فشرده، به اثرات زیان آور آن‌ها بر روی دستگاه‌ها و روش‌های کنترل و همچنین تقلیل آنها نیز اشاره گردد. منابع تولید هارمونیک را می‌توان به سه گروه تقسیم بندی نمود.

۱-۳- منابع وابسته به عناصر نیمه هادی

با استفاده روز افزون از عناصر نیمه هادی و المان‎‎های غیرخطی نظیر دیود، تریستور و … در شبکه‎‎های قدرت عامل جدیدی برای ایجاد هارمونیک در سیستم‎های قدرت به ‎وجود آمده است. کاربرد این عناصر را می‎توان در تجهیزات الکتریکی و سیستم‎های قدرت زیر به عنوان برخی از منابع تولید هارمونیک مشاهده کرد :

• کوره‎های قوس الکتریکی و القایی که به روش ( PBM ) کنترل می‌شوند.
• یکسو کننده‌ها و مبدل‎‎های الکترونیک قدرت
• تجهیزات کنترلی مورد استفاده در کنترل کننده‌های سرعت ماشین‎های الکتریکی
• کاربرد کنترل کننده های ولتاژ ساکن ( SVC ) به عنوان ابزار مهمی در کنترل توان راکتیو
• اتصال نیروگاه‌های خورشیدی و بادی به سیستم‌های توزیع
• سیستم‌های HVDC

سیستم‌های انتقال HVDC دارای دو ایستگاه مبدل در ابتدا و انتهای خط DC می‌باشند که یکی در حالت یکسوکنندگی و دیگری در وضعیت اینورتری کار می‌کند که این ایستگاه های مبدل حاوی پل‌های سه فاز تریستوری می‌باشند و همان‌گونه که می‌دانیم این پل‌ها یکی از مهم‌ترین تولید کنندگان هارمونیک می‌باشند. ولی به دلیل عدم وجود سیستم HVDC در شبکه سراسری برق ایران فعلاً از این نوع هارمونیک‌ها در امان هستیم.

۲-۳- منابع غیر وابسته به عناصر نیمه هادی

• بارهای غیرخطی شامل دستگاه‎‎های جوشکاری
• جریان مغناطیسی ترانسفورماتور
• استفاده زیاد از یکسو کننده‌ها برای دشارژ باتری‌ها
• تولید شکل موج غیر سینوسی توسط ماشین‎های سنکرون ناشی از وجود شیارها و عدم توزیع یکنواخت سیم‎‎پیچی‎های اپراتور
• توزیع غیر سینوسی فوران مغناطیسی در ماشین‎های سنکرون
• عدم یکنواختی در راکتانس ماشین‌های سنکرون

 ۳-۳- تولید هارمونیک به وسیله صنایع و کارخانجات در شبکه های قدرت

• صنایع شامل مجتمع‌های شیمیایی و پتروشیمی و نیز صنایع ذوب آلومینیوم که از یکسو کننده های پرقدرت برای تولید برق DC مورد نیاز انجام فرآیندهای شیمیایی و ذوب آلومینیوم استفاده می‌کنند. با توجه به قدرت بالا، این یکسو کننده‌ها هارمونیک قابل ملاحظه ای در شبکه قدرت به وجود می‌آورند.
• از سوی دیگر استفاده از سیستم‌های HVDC به منظور ارتباط بین دو نقطه با فواصل طولانی باعث ایجاد هارمونیک در سیستم می‌گردد.
• استفاده از سیستم‌های الکترونیک قدرت در سیستم حمل و نقل برقی مانند اتوبوس برقی و متروها باعث می‌شود که سطوح بالایی از هارمونیک به سیستم توزیع تزریق شود.
• بارهای غیرخطی مانند کوره های قوس الکتریکی که در صنایع ذوب آهن استفاده می‌شود از عوامل تولید هارمونیک در مقیاس بزرگ می‌باشند.
• سوئیچ کردن سریع بارهای بزرگ (مانند پرس‌های اتوماتیک)
• راه اندازی موتورهای با توان بالا (خصوصاً با کارکرد پریودیک)
• بارهای نوسانی (مانند کوره های الکتریکی کنترل شده توان بالا)
• ماشین‌های گردنده:

در ماشین‌های القایی مهم‌ترین هارمونیک‌ها عمدتاً به دلیل تغییر در مقاومت مغناطیسی ایجاد شده به واسطه شیارها در روتور استاتور تولید می‌شوند. تولید هارمونیک در ماشین‌های سنکرون بستگی به عواملی چون تحریک اشباع در مدار اصلی، مسیر نشتی و فضای نامتقارن سیم پیچی مستهلک کننده دارد. کانورترهای کاربردی حذف کامل ترتیب‌های پایین‌تر هارمونیک را نشان نمی‌دهند، زیرا مدار ترانسفورماتور و نامتعادلی در آتش تریستور وجود داشته که در ملاحظات تئوریکی طرح‌های اصلاحی در نظر گرفته نمی‌شود.

۴- آثار هارمونیک

اعوجاجات هارمونیکی حاصل از بارهای غیر خطی به صورت جریان‌های هارمونیکی به بقیه شبکه تزریق می‌گردد و با توجه به امپدانس شبکه، ‌به صورت اعوجاجات ولتاژ هارمونیکی به تجهیزات مختلف اعمال می‌شود. لذا تجهیزات مورد استفاده در شبکه های قدرت به طور دائم در معرض این اعوجاجات و آلوده به هارمونیک می‌باشند. لازم است تاثیرات این اعوجاج‌ها بر تجهیزات را مورد بررسی قرار داده و عملکرد صحیح تجهیزات مورد مطالعه قرار بگیرد. بنا بر این می‌بایستی روش‌هایی را به منظور کاهش این‌گونه تاثیرات جستجو نمود. اعوجاجات هارمونیکی دارای اثرات متفاوتی بر روی تجهیزات و سیستم‌های الکتریکی می‌باشند. به عنوان مثال اگر چنانچه خطوط انتقال انرژی در نزدیکی خطوط مخابراتی قرار بگیرند، وجود هارمونیک‌های جریانی می‌تواند باعث ایجاد تداخلات در سیستم مخابرات گردد که میزان این تداخلات بستگی به مسیر و اندازه هارمونیک‌های جریان دارد. همچنین وجود هارمونیک‌های جریانی در سیستم قدرت سبب ایجاد تلفات اضافی در ترانسفورماتورها شده و تلفات را در خط انتقال می‌دهد و ممکن است در این حالت دستگاه‌های اندازه گیری موجود در سیستم قدرت دچار خطای اندازه گیری گردند؛ لذا اثرات هارمونیک‌های یک سیستم قدرت در دو بخش قابل بررسی است، بخش نخست تجهیزات و سیستم‌های الکتریکی، بخش دوم کنترل، حفاظت و اندازه گیری.

در ادامه این بخش به چگونگی تاثیرات مخرب هارمونیک‌ها بر روی ادوات سیستم‌های قدرت خواهیم پرداخت.

در یک سیستم قدرت، به دلیل افزایش بار و تجهیزات غیرخطی، جبران اغتشاشاتی که این تجهیزات غیرخطی به وجود آورده‌اند، امری لازم و ضروری است. این بارهای غیرخطی ممکن است موجب کاهش ضریب توان و درجه بالای هارمونیک شوند. فیلترهای توان اکتیو (APF) می‌توانند مشکلات وجود هارمونیک ها را مرتفع سازند و کیفیت توان سیستم را افزایش دهند.APF  این توانایی را دارد که اندازه ولتاژ ساخته شده توسط اینورتر را با استفاده از مدولاسیون پهنای پالس سینوسی و یا کنترل ولتاژ لینک DC تنظیم کند و موجب کشیدن توان راکتیو پیش فاز و یا پس فاز از منبع ولتاژ شود. استفاده از APF یک روش مدرن برای از بین بردن مشکلات کیفیت توان است.APF موازی، به صورت هم زمان امکان جبران هارمونیک جریان و اصلاح ضریب توان را به وجود می‌آورد و می‌تواند روش بهتری نسبت به روش‌های سنتی (فیلترهای پسیو و خازنها) باشد. ساده‌ترین روش حذف هارمونیک‌های جریان خط و بهبود ضریب توان سیستم استفاده از فیلترهای پسیو است. با این حال عناصر پسیو بزرگ، تشدید سری و موازی و داشتن مشخصه جبران ثابت از معایب اصلی فیلترهای پسیو است.

به منظور کنترل APF از منطق فازی استفاده شده است که پیچیدگی دینامیکی زیادی دارد. در طراحی و کنترل APF ، تئوری توان لحظه‌ای معمولاً به عنوان اساس محاسبه جریان جبران‌سازی به حساب می‌آید. در این تئوری فرض می‌شود که ولتاژهای اصلی در فرآیند محاسبه ایده‌آل هستند. با این حال، در اکثر زمانها و در اکثر سیستم‌های قدرت صنعتی، ولتاژهای اصلی ممکن است نامتعادل و یا مغشوش باشند. در چنین شرایطی این تئوری ممکن است برای کاربرد معتبر نباشد.

​

خودرو تسلا

​

تسلا اخیرا از مدل SUV خودرهای خود که در کلاس H قرار دارد رونمایی کرده است. این قول SUV دارای ظرفیت ۸ سرنشین می باشد و بصورت تمام برقی است. این خودرو که “تریتون” نام دارد، قادر است با یکبار شارژ کامل مسافت ۷۰۰ مایل یا بیشتر از ۱۱۰۰ کیلومتر را بپیماید که در نوع خود بی نظیر است. همچنین تریتون می تواند یک کاروان ۷ تنی را نیز با خود بکشد. از مهمترین ویژگی های خودرو تریتون کلاس H پیمودن مسافت بالا نسبت به وزن آن، ظرفیت بالا و همچنین قدرت کشندگی آن است.

در قسمت پیشرانه این خودرو چهار موتور الکتریکی وجود دارند که هر یک بر روی یکی از چرخها سوار می شود و این خودرو رو به یک قول All wheel drive تبدیل می کند. قدرت مجموع این موتورها برابر با ۱۵۰۰ اسب بخار یا ۱٫۱ مگاوات است. میزان شتاب تریتون برابر ۲٫۶ ثانیه برای ۰ تا ۱۰۰ کیلومتر بر ساعت می باشد. تسلا می گوید که این خودرو SUV برای خانواده طراحی شده تا بتواند کاروانهای سنگین را بدون ایجاد خطر برای راننده به راحتی به یدک بکشد.

​

Triton Solar (با شرکت تابعه TritonEV) اعلام کرد که پیش پرداخت سفارشات  ۵۰۰۰ دلار سپرده می باشد، و ۱۳۵ هزار دلار دیگر در طی ۵ روز کاری باید به تسلا پرداخت شود. این خودروی زیبا هزینه ای بالغ بر ۱۴۰ هزار دلار دارد که در مقایسه با خودروهای بنزینی هم رده خود قیمت آن حدودا دو تا سه برابر است.

​

شبیه سازی سخت افزار در حلقه

طراحی مبتنی بر مدل فرایندی برای طراحی و پیاده‌سازی سیستم‌های کنترل است که در آن همه مراحل طراحی، پیاده‌سازی، تست و ارزیابی سیستم کنترل با استفاده از یک مدل نرم‌افزاری انجام می‌شود. شرکت MathWorks‌ به‌عنوان یکی از توسعه‌دهندگان اصلی این روش طراحی است و توسعه نرم‌افزار MATLAB و به‌صورت خاص SIMULINK‌ به‌نحوی صورت می‌گیرد که همه مراحل طراحی، تست و پیاده‌سازی یک سیستم کنترلی را بتوان در این محیط انجام داد.
در سال‌های اخیر توسعه قدرت پردازش و میزان حافظه در سیستم‌های توکار (embedded) از یک‌سو و افزایش پیچیدگی سیستم‌های کنترل از سوی دیگر و همچنین نیاز به کاهش زمان رسیدن به محصول باعث شده‌است که روش طراحی مبتنی بر مدل توسط شرکت‌های بزرگ و در پروژه‌های حساس مورد استفاده قرار گیرد. برای نمونه می‌توان به سیستم کامپیوتر پرواز هواپیمای F35‌ شرکت Lockheed Martin و پروژه سیستم کنترل سوخت هواپیمای Airbus A380 و کامپیوتر پرواز هواپیمای Scramjet X-43 (محصول مشترک BAE و NASA‌) اشاره کرد که در آن از روش تولید خودکار کد و نرم‌افزار MATLAB‌ استفاده شده‌است.
روند طراحی مبتنی بر مدل به بیان ساده بدین‌صورت است: ابتدا مدل نرم‌افزاری سیستم در محیط SIMULINK‌ طراحی شده و سپس پارامتر‌های مدل با استفاده از ورود‌ی‌ها و خروجی‌های سیستم واقعی تنظیم می‌شوند. این کار با استفاده از ابزار Parameter Estimation‌ انجام می‌شود. سپس سیستم کنترل با استفاده از ابزار‌های متنوع موجود برای مدل نرم‌افزاری طراحی می‌شود. در ادامه نمونه‌سازی سریع و شبیه‌سازی سخت‌افزار در حلقه پلنت انجام می‌شود که در آن کنترل‌کننده طراحی‌شده در محیط SIMULINK با استفاده از ‌ابزار‌های Real Time Windows Target‌ یا xPC Target‌ به‌صورت زمان‌حقیقی اجرا شده و به پلنت واقعی متصل می‌شود. در این حالت می‌توان عملکرد سیستم کنترل را روی پلنت واقعی ارزیابی کرد و تنظیمات نهایی را انجام داد.
پس از تنظیم پارامتر‌های کنترل‌کننده نوبت به پیاده‌سازی آن روی یک برد سخت‌افزاری می‌رسد. در روش طراحی مبتنی مدل این کار با استفاده از ابزار‌های تولید خودکار کد انجام می‌شود. در این حالت نیازی به کدنویسی سخت‌افزار پردازشی به‌صورت دستی نیست و با انجام یکسری تنظیمات ساده می‌توان مدل توسعه‌داده‌شده در محیط SIMULINK‌ را روی برد سخت‌افزاری موردنظر پیاده‌سازی کرد.
در سال‌های اخیر نرم‌افزار MATLAB توسعه روش تولید خودکار کد را برای برد‌های ارزان قیمت آغاز کرده است. این موضوع باعث شده که دانشجویان و کارشناسان همه رشته‌ها با داشتن اطلاعات کمی در مورد الکترونیک دیجیتال،‌ توانایی پیاده‌سازی سیستم‌های کنترل را برای انواع سیستم‌ها پیدا کنند.

سخت افزار در حلقه

ایده اصلی شبیه سازی سخت افزار در حلقه (HIL)، به قراردادن یک یا چند زیر سیستم از یک سامانه به صورت سخت افزار واقعی در حلقه ی شبیه سازی مربوط می شود. مزیت عمده این روش این است که بدون نیاز به ساخت تمام اجزای سیستم، می توان سیستم کنترل را در شرایطی تا حد امکان واقعی مورد آزمایش قرار داد و چون به جای برخی از زیر سیستم ها، سخت افزار واقعی قرار گرفته است، نتایج شبیه سازی به عملکرد واقعی سیستم نزدیکتر خواهد بود و در نتیجه می توان از ریسک و هزینه ی آزمایش هایی که ممکن است ناموفق باشند، جلوگیری کرد.

گام اول در طراحی مفهومی آزمایشگاه، تعیین حلقه های موجود در سیستم و تعیین زیر سیستم های هر حلقه است. ممکن است یک سیستم برای انجام صحیح مأموریت خود، از چندین حلقه استفاده کند که هرکدام از این حلقه ها دارای زیر سیستم های متعدد هستند. پس از تعیین حلقه های موجود در سیستم لازم است که تعیین شود که شبیه سازی سخت افزار در حلقه برای کدام حلقه ها انجام می شود. اینکه کدام یک از زیر سیستم ها و کدام حلقه در شبیه سازی سخت افزار در حلقه مورد بررسی قرار بگیرند، به نظر طراحان سیستم و امکانات در دسترس بستگی داشته و در جلسات مشترک تعیین می شود. پس از تعیین حلقه-هایی که در شبیه سازی سخت افزار در حلقه به آنها توجه می شود، بررسی از داخلی ترین حلقه آغاز شده و تا بیرونی ترین حلقه ادامه خواهد یافت. شبیه سازی سخت افزار در حلقه برای یک سیستم بسته به اینکه کدام قسمت از آن به صورت نرم افزاری و کدام قسمت به صورت سخت افزاری در حلقه شبیه سازی قرار گیرد، متفاوت است.
در مرحله دوم، تمام حالاتی که زیر سیستم های یک حلقه به صورت سخت افزار یا نرم افزاری در حلقه ی شبیه سازی قرار می گیرند در جدولی به نام جدول حالات رسم می شوند. بعد از رسم جدول حالات برای حلقه های مورد نظر سیستم، لازم است حالاتی که از لحاظ منطقی غیرممکن هستند از جدول حالات حذف شوند. یک نمونه از حالات غیرممکن حالت هایی است که در آنها پلنت به صورت سخت افزاری و حسگرها و عملگرها به صورت نرم افزاری در حلقه ی شبیه سازی قرار داده شده اند، زیرا در حالتی که پلنت واقعی باشد، نمی توان با استفاده از عملگر شبیه سازی شده، فرمانی به آن اعمال کرد، همچنین در این حالت نمی توان با استفاده از حسگر شبیه سازی شده اطلاعات مورد نیاز را خواند، علاوه بر آن، حالت هایی که حسگر به صورت سخت افزاری در حلقه شبیه سازی قرار داشته و پارامتری که قرار است توسط آن اندازه گیری شود، به صورت نرم افزاری در حلقه قرار داده شود، به عنوان حالات غیرممکن حذف می شوند.
در فاز طراحی اولیه آزمایشگاه، ملاحظات مربوط به انجام هرکدام از تست هایی که در مرحله طراحی مفهومی تعیین شد، مورد بررسی قرار می گیرد. در شبیه سازی سخت افزار در حلقه، به منظور اجرای شبیه سازی، لازم است اطلاعاتی از شبیه سازی نرم افزاری برای سخت افزار ارسال شده یا اطلاعاتی از سخت افزار مورد نظر دریافت شده و برای شبیه سازی ارسال شود. در این مرحله با بررسی هر کدام از زیر سیستم ها، اطلاعاتی که لازم است بین سخت افزار و نرم افزار هر زیر سیستم رد و بدل شود، مشخص می-شود. در برخی موارد علاوه بر اطلاعاتی که به منظور اجرای صحیح شبیه سازی، بین نرم افزار و سخت افزار رد و بدل می شود، به منظور بررسی دقیق تر صحت عملکرد سیستم و عیب یابی آن، لازم است اطلاعات دیگری از قسمت های گوناگون سیستم دریافت شود. با توجه به اینکه معمولاً این اطلاعات، جمع آوری شده و برای تحلیل و نمایش برای رایانه شبیه ساز ارسال می شود، لازم است توسط طراح آزمایشگاه، مدنظر قرار گیرد، برای این منظور، طراح آزمایشگاه با برگزاری جلسات متعدد با طراحان هر کدام از زیر سیستم ها، اطلاعات مورد نیاز برای هر زیر سیستم را تعیین می کند. پس از تعیین این اطلاعات، حسگرهای مورد نیاز هر کدام مشخص می شود. در شبیه سازی سخت افزار در حلقه، به منظور تست دقیق عملکرد سیستم در شرایط نزدیک به واقعیت، لازم است، شرایطی تا حد امکان واقعی برای هر زیر سیستم، مانند دما، لرزش و… شبیه سازی شود.