قدرت

مهندسی برق قدرت

مهندسی برق قدرت  به انگلیسی (Power engineering) :یکی از زیر شاخه‌های اصلی برق است که با سیستمهای قدرت به ویژه تولید، انتقال، توزیع توان الکتریکی، تبدیل انرژی الکتریکی به شکل‌های دیگر انرژی و تجهیزات الکترومکانیکی سروکار دارد. این رشته همچنین شامل راه‌اندازی و تعمیر و نگهداری سیستم‌های حرارتی، برودتی و تجهیزات تولید توان الکتریکی مانند ژنراتورها، پست‌ها و دیگر تجهیزات الکتریکی مورد استفاده در صنایع یا ساختمان‌های بزرگ نیز می‌شود. شناسایی دیگر منابع جدید انرژی الکتریکی نیز از زیر شاخه‌های  رشته برق قدرت‌ است.

رشته برق قدرت چیست؟

می‌توان گفت که رشته مهندسی برق گرایش برق قدرت از قدیمی ترین گرایش‌های رشته مهندسی برق می‌باشد.

در عصر حاضر با توجه به افزایش جمعیت شهرها، توسعه و ایجاد شهرهای جدید نیاز به تامین انرژی برای شهرها به امری مهم و قابل توجه تبدیل شده است. با توجه به ساخت و توسعه نیروگاه‌های برق در خارج از شهر انتقال نیرو باید از نیروگاه‌های به پست‌های توزیع در شهر رسانده شود تا به مصارف خانگی و شهری تبدیل شود. به طور خلاصه می‌توان گفت که یک مهندس قدرت باید بتواند با روش‌های مختلف برق تولیدی در نیروگاه‌ها را به پست‌های توزیع شهری با بهترین و با صرفه ترین روش برساند.

به طور کلی گرایش قدرت با مباحثی هم چون تولید، انتقال و توزیع انرژی الکتریکی از نیروگاه به پست‌های توزیع شهری، طراحی و ساخت نیروگاه‌ها برق، بهینه سازی شبکه‌های انتقال قدرت ، طراحی و ساخت دستگاه‌های مربوط به نیروگاه‌های برق از جمله موتورهای الکتریکی ، ژنراتورهای الکتریکی و تجهیزات مربوط به نیروگاه‌ها می‌پردازند

محور اصلی فعالیت‌های مهندسی برق، تبدیل یک سیگنال به سیگنال دیگر است، که البته این سیگنال ممکن است شکل موج ولتاژ یا شکل موج جریان و یا ترکیب دیجیتالی یک بخش از اطلاعات باشد.

یکی از گرایش‌های مهندسی برق، گرایش قدرت است. مهندسی رشته برق قدرت با تولید، انتقال و توزیع انرژی الکتریکی و ساخت برخی دستگاه‌های مربوط به آن نظیر ژنراتورهای الکتریکی، موتورهای الکتریکی و تجهیزات الکترونیکی مورد نیاز سروکار دارد. این گرایش، به عنوان قدیمی ترین گرایش در رشته مهندسی برق، خود به چندین زیرگرایش تقسیم می‌شود:

انتقال و توزیع

حفاظت

ماشین‌های الکتریکی

الکترونیک قدرت

انتقال و توزیع

فرایند جابجایی توان الکتریکی را انتقال انرژی الکتریکی گویند. این فرایند معمولاً شامل انتقال انرژی الکتریکی از مولد یا تولیدکننده به پستهای توزیع نزدیک شهرها یا مراکز تجمع صنایع است و از این پس یعنی تحویل انرژی الکتریکی به مصرف‌کننده‌ها در محدوده توزیع انرژی الکتریکی است. انتقال انرژی الکتریکی به ما اجازه میدهد تا به سادگی و بدون پذیرفتن هزینه حمل سوختها و همچنین جدای از آلودگی تولید شده از سوختن سوختها در نیروگاه، از انرژی الکتریکی بهره بگیریم. در صورتی که در بسیاری از موارد انتقال منابع انرژی مانند باد یا آب سدها غیرممکن است و تنها راه ممکن انتقال انرژی الکتریکی است.

حفاظت

حفاظت سیستم قدرت شاخه‌ای از مهندسی برق قدرت است که با حفاظت از سیستم‌های قدرت الکتریکی در برابر خطاها از طریق ایزولاسیون بخش‌های خطازده از بقیه شبکه الکتریکی سر و کار دارد. هدف طرح حفاظتی پایدار نگهداشتن سیستم قدرت از طریق ایزوله کردن فقط بخش‌های تحت خطا و تحت بهره‌برداری نگه داشتن بیشترین بخش‌های ممکن از شبکه است؛ بنابراین، طرح‌های حفاظتی لازم است شیوه‌ای بسیار عملگرایانه و بدبینانه را برای پاک کردن خطاهای سیستم مورد استفاده قرار دهند. تکنولوژی و فلسفه‌های استفاده شده در طرح‌های حفاظتی ممکن است اغلب قدیمی و قویاً تثبیت شده باشد چرا که لازمست بسیار قابل اطمینان باشند.

ماشین‌های الکتریکی

نام کلی برای دستگاهی است که انرژی مکانیکی را به انرژی الکتریکی یا برعکس تبدیل می‌کند یا سطح ولتاژ جریان متناوب را به سطح دیگری از ولتاژ تغییر می‌دهد.

ژنراتورها انرژی مکانیکی را به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کنند. موتورهای الکتریکی، انرژی الکتریکی را به انرژی مکانیکی تبدیل می‌کنند. ترانسفورماتورها سطح ولتاژ جریان متناوب را تغییر می‌دهند.

ماشین‌های الکتریکی به دسته زیر تقسیم میشوند :

·       ژنراتور 

·       موتور 

·       ترانسفورماتور 

ژنراتور

ژنراتور الکتریکی دستگاهی است که انرژی مکانیکی را به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کند. یک ژنراتور الکترون‌ها را به حرکت درون یک مدار الکتریکی بیرونی سوق می‌دهد. روش کار آن تا حدی شبیه به پمپ آب است، از این نظر که جریان آب را ایجاد می‌کند اما خود آب در پمپ ایجاد نمی‌شود. منبع انرژی مکانیکی (محرک اصلی) ممکن است یک موتور بخار بالا و پایین رونده یا یک توربین باشد، یا آبی که از میان یک توربین یا چرخ آبی می‌گذرد، یا یک موتور درون‌سوز، یا یک توربین بادی، یک هندل دستی، یا هوای فشرده یا هر منبع دیگری از انرژی مکانیکی.

هر ژنراتور شامل دو بخش اصلی است که هر کدام دارای دو اصطلاح هستند - یکی اصطلاح مکانیکی و دیگری الکتریکی- از نظر مکانیکی، روتور قسمت چرخان ماشین الکتریکی است و استاتور قسمت ایستا. در اصطلاح الکتریکی آرمیچر قسمتی از ماشین است که نیرو در آن تولید می‌شود. میدان قسمتی از ماشین خواهد بود که میدان مغناطیسی در آن به وجود می‌آید. آرمیچر ممکن است در روتور یا استاتور باشد. میدان مغناطیسی ممکن است توسط آهن‌ربای الکتریکی یا آهن‌ربای دائمی ایجاد شود که بر روی روتور یا استاتور سوار شده‌اند. ژنراتورها را به دو دسته اصلی تقسیم می‌کنند: ژنراتورهای اِی‌سی و ژنراتورهای دی‌سی

ژنراتور AC

ژنراتور DC

ژنراتور AC :

یک ژنراتور شامل قطب‌های میدان است که روی بخش‌های چرخان دستگاه قرار گرفته است. یک ژنراتور از دو قسمت اصلی تشکیل شده است: روتور و استاتور. روتور در استاتور می‌چرخد ​​و قطب‌های میدان بر روی بدنه روتور ژنراتور پیش بینی می‌شوند. هادی‌های آرمیچر روی استاتور قرار دارند. ولتاژ سه فاز متناوب نشان داده شده توسط aa ، bb، cc  در رسانا‌های آرمیچر ایجاد می‌شود و در نتیجه باعث تولید برق سه فاز می‌شود. تمام ایستگاه‌های تولید برق مدرن از این فناوری برای تولید برق سه فاز استفاده می‌کنند و در نتیجه، یک ژنراتور (همچنین به عنوان ژنراتور سنکرون شناخته می‌شود) خود را به موضوعی پر اهمیت برای مهندسان برق تبدیل کرده است.

ژنراتور DC :

در یک ژنراتور DC، میدان کویل یک میدان الکترومغناطیسی تولید می‌کند و هادی‌های آرماتور به دور یک میدان می‌چرخند. بنابراین الکترومغناطیس ایجاد شده در اهرم‌های الکترومغناطیسی ایجاد می‌شود. جهت جریان القایی توسط قانون دست راست فلمینگ داده می‌شود. ژنراتورهای زنجیرهای سری DC در لوکوموتیوهای DC برای ترمز احیا کننده جهت ارائه جریان تحریک میدان استفاده می‌شود. ژنراتور تجمعی ترکیبی در روشنایی و تامین انرژی منابع سنگین استفاده می‌شود. ژنراتورهای ترکیبی در دفاتر، هتل‌ها، خانه ها، مدارس و غیره استفاده می‌شود. به علت توانایی این ژنراتورها در ارائه طیف گستردهای از خروجی ولتاژ، ژنراتور DC ، معمولا برای آزمایش در آزمایشگاه‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرند

موتور الکتریکی

یک موتور الکتریکی انرژی الکتریکی را به انرژی مکانیکی تبدیل می‌کند. بیشتر موتورهای الکتریکی از راه تقابل میدان‌های مغناطیسی و هادی‌های حامل جریان برای تولید نیروی گرداننده استفاده می‌کنند. موتورها و ژنراتورها شباهت‌های زیادی دارند و بسیاری از گونه‌های موتورهای الکتریکی را می‌توان به عنوان ژنراتور هم به کار برد، یا برعکس.

موتورهای الکتریکی نیز به دو دسته اصلی تقسیم می‌شوند:

موتورهای الکتریکی جریان متناوب

موتورهای الکتریکی جریان مستقیم

موتورهای الکتریکی جریان متناوب

 موتورهای القایی AC عمومی‌ترین موتورهایی هستند که در سامانه‌های کنترل حرکت صنعتی و همچنین خانگی استفاده می‌شوند. طراحی ساده و مستحکم، قیمت ارزان، هزینه نگه داری پایین و اتصال آسان و کامل به یک منبع نیروی AC امتیازات اصلی موتورهای القایی AC هستند. انواع متنوعی از موتورهای القایی AC در بازار موجود است. موتورهای مختلف برای کارهای مختلفی مناسب اند. با اینکه طراحی موتورهای القایی AC آسانتر از موتورهای DC است، ولی کنترل سرعت و گشتاور در انواع مختلف موتورهای القایی AC نیازمند درکی عمیقتر در طراحی و مشخصات در این نوع موتورهاست.

موتورهای الکتریکی جریان مستقیم

موتور الکتریکی است، که با جریان مستقیم کار می‌کند. این موتور، انرژی الکتریکیِ جریان مستقیم را به انرژی مکانیکی تبدیل می‌کند.

همه موتورهای جریان مستقیم به یک مکانیسم داخلی (مکانیکی یا الکترونیکی) برای تغییر مداوم جهت جریان در آرمِیچر موتور نیاز دارند. به این مکانیسم، کوموتاسیون می‌گویند.

اکثر موتورهای DC حرکت چرخشی دارند، به جز موتورهای خطی که حرکت خطی دارند (نمی‌چرخند).

موتورهای DC دارای گشتاور راه‌اندازی بالا و قابل تغییر هستند و کاربرد بسیاری در صنعت دارند. سرعت موتور DC با روش‌های مختلفی قابل کنترل است؛ از جمله با تغییر ولتاژ تغذیه‌ یا تغییر جریان سیم‌پیچ‌های موتور.

موتورهای DC با ابعاد کوچک در ابزارآلات برقی و لوازم برقی خانگی به شکل موتور یونیورسال، اسباب‌بازی‌ها و ... با ابعاد بزرگ در آسانسورها، خودروهای الکتریکی، بالابرها و در کارخانه‌های نَوَرد لوله و فولاد استفاده می‌شوند. همچنین این موتورها در کاربردهای صنعتی که به کنترل دقیق سرعت و گشتاور نیاز دارند، استفاده‌های فراوان دارند. 

ترانسفورماتور 

ترانسفورماتور وسیله‌ای است که انرژی الکتریکی را به وسیله دو یا چند سیم‌ پیچ و از طریق القای الکتریکی از یک مدار به مداری دیگر منتقل می‌کند. به این صورت که جریان جاری در مدار اول (اولیه ترانسفورماتور) موجب به وجود آمدن یک میدان مغناطیسی در اطراف سیم‌پیچ اول می‌شود، این میدان مغناطیسی به نوبه خود موجب به وجود آمدن یک ولتاژ در مدار دوم می‌شود که با اضافه کردن یک بار به مدار دوم این ولتاژ می‌تواند به ایجاد یک جریان ثانویه بی انجامد.

یکی از کاربردهای بسیار مهم ترانسفورماتورها کاهش جریان پیش از خطوط انتقال انرژی الکتریکی است. دلیل استفاده از ترانسفورماتور در ابتدای خطوط این است که همه هادی‌های الکتریکی دارای میزان مشخصی مقاومت الکتریکی هستند، این مقاومت می‌تواند موجب اتلاف انرژی در طول مسیر انتقال انرژی الکتریکی شود. میزان تلفات در یک هادی با مجذور جریان عبوری از هادی رابطه مستقیم دارد و بنابر این با کاهش جریان می‌توان تلفات را به شدت کاهش داد. با افزایش ولتاژ در خطوط انتقال به همان نسبت جریان خطوط کاهش می‌یابد و به این ترتیب هزینه‌های انتقال انرژی نیز کاهش می‌یابد، البته با نزدیک شدن خطوط انتقال به مراکز مصرف برای بالا بردن ایمنی ولتاژ خطوط در چند مرحله و باز به وسیله ترانسفورماتورها کاهش می‌یابد تا به میزان استاندارد مصرف برسد. به این ترتیب بدون استفاده از ترانسفورماتورها امکان استفاده از منابع دوردست انرژی فراهم نمی‌آمد

ترانسفورماتورها به سه دسته کلی تقسیم میشوند :

·        ترانسفورماتور جریان

·        ترانسفورماتور ولتاژ

·        ترانسفورماتور ولتاژ خازنی

ترانسفورماتور جریان :

ترانس‌های جریان برای نمونه گیری جریان به نسبت گذر جریان از سیم پیچ اولیه خود و القای آن در سیم پیچ ثانویه کاربرد دارند. این ترانسفورماتورها برای حفاظت و اندازه گیری در ابتدای توان راه‌های ورودی به پست‌ها و همچنین در ورودی ترانس توان و ورودی ثانویه ترانس و همچنین در خروجی‌های پست و نقاط کلیدی دیگر که نیاز است جریان در آن نقطه تحت نظر باشد به کار گرفته می‌شود که هر کدام از این نقاط با ترانس ویژه به خود چه از نظر جداگری و ساختمان و چه از دید نیرو و دقت (ریزسنجی) ، نصب و به کار برده می‌شوند.
ترانسفورماتور جریان از دو سیم پیچ اولیه و ثانویه پدید آمده که جریان واقعی در پست از اولیه گذر نموده و در پی گذر این جریان و فراخور آن، جریان کمی (نزدیک به چند آمپر) در ثانویه پدید می‌آید. ثانویه این ترانس‌ها با اندازه کمتری از اولیه خود که تا حد بسیار بالایی همه ویژگی‌های جریان در سیم پیچ اولیه خود را دارد به ابزار فشار ضعیف پست و رله‌ها و نشان دهنده‌ها متصل می‌شوند. ثانویه این ترانس‌ها دارای سیم پیچ با دورهای بیشتری نسبت به اولیه است که اغلب تنها شامل یک شمش و یا چند دور از شمش است ساخته می‌شود.

ترانسفورماتور ولتاژ

ترانسفورماتور ولتاژ، ترانسفورماتور خاصی است که اولیهﺍی با ولتاژ زیاد و ثانویهﺍی با ولتاژ کم دارد. توان نامی این ترانسفورماتور بسیار کم است، و تنها هدف آن فراهم کردن نمونهﺍی از ولتاژ سیستم قدرت برای دستگاﻩهای اندازﻩگیری و کنترل است. چون ترانسفورماتور ولتاژ به منظور نموﻧﻪگیری ولتاژ به کار می‌رود، باید بسیار دقیق باشد تا موجب اعوجاج ولتاژهای واقعی نشود. ترانسفورماتورهای ولتاژ از لحاظ دقت در کلاس‌های مختلفی ساخته می‌شوند و هنگام خرید باید با توجه به دقت مورد نیاز در اندازﻩگیری به این کلاس‌ها توجه کرد. دو سر خروجی ترانس ولتاژ برخلاف ترانس جریان هیچ گاه نباید اتصال کوتاه شود.

ترانسفورماتور ولتاژ خازنی

ترانسفورماتور ولتاژ خازنی یا (CVT) نوعی ترانسفورماتور ولتاژ است که برای تبدیل ولتاژهای بالای سامانه انتقال انرژی به مقادیر قابل اندازه‌گیری و استفاده‌ پذیر برای حفاظت و کنترل سامانه ولتاژ بالا استفاده می‌شود. مبدل‌های پتانسیل (پی‌تی) که دارای دو سیم‌پیچ اولیه و ثانویه هستند و اولیه آن‌ها یک‌راست به ولتاژ بالا متصل می‌شود، تا سطح ولتاژ ۱۳۲کیلوولت کاربرد دارند، در حالی که سی‌وی‌تی‌ها در ولتاژهای بالاتر به کار می‌روند. در ترانسفورماتور ولتاژ خازنی از خازن به عنوان مقسم ولتاژ استفاده می‌شود و بخش مقسم ولتاژ بین فاز و زمین شبکه قدرت متصل می‌شود. سی‌وی‌تی نقش خازن جفت‌شدگی را نیز بازی می‌کند و سیگنال‌های فرکانس‌بالای حامل خط نیرو را به خط انتقال جفت می‌کند.

الکترونیک قدرت

الکترونیک قدرت به بررسی استفاده از نیم‌رساناها در مهندسی قدرت می‌پردازد. محدوده جریان‌ها و ولتاژها در الکترونیک قدرت می‌تواند تا هزاران ولت و یا هزاران آمپر باشد. الکترونیک قدرت باعث صرفه جویی بسیار خوبی در انرژی (saving energy) میشود

تقریبا تمام منابع تغذیه جدید همچون شارژرها، اینورترها و یو پی ‌اس‌ها از ساختارهای الکترونیک قدرت استفاده می‌کنند. شارژر موبایل و لپ‌تاپ، منابع تغذیه کامپیوتر یا سایر لوازم برقی، از ساده‌ترین مثال‌ها برای الکترونیک قدرت هستند.

در صنعت، از رایج‌ترین استفاده‌های الکترونیک قدرت، راه‌اندازهای (درایور) سرعت ‌متغیرِ موتور القایی است. در سطوح توان بالاتر، الکترونیک قدرت در کاربردهایی مانند انرژی‌های نو و بهینه‌سازی سیستم قدرت مورد استفاده قرار می‌گیرد. مباحثی مانند طراحی یک‌سوسازهای سه‌فاز، تبدیل جریان‌های متناوب به مستقیم (مثلاً در HVDS و برعکس)، همه در الکترونیک قدرت مطرح می‌شوند.

بازار کار مهندسی برق قدرت

از نظر بسیاری از داوطلبان، گرایش قدرت در رده اول بازار کار گرایش‌های ارشد برق قرار دارد. با توجه به تولید و تامین برق به عنوان یکی از زیرساخت‌های اصلی کشور، جایگاه مهندسان برق با کارشناسی ارشد قدرت بهتر از سایر گرایش‌هاست. بزرگترین مشکل در بازار کار مهندسی برق تعریف می‌شود، یعنی زیاد بودن تقاضا ولی کم بودن بازار کار. تعداد فارغ التحصیلان برق زیاد است و از طرفی این همه بازار کار برای این همه فارغ التحصیلی وجود ندارد. مشکل بعدی در سطح پایین حقوق است؛ شما تا زمانی که تجربه، مهارت و سابقه کار زیادی نداشته باشید به حقوق مناسبی دست پیدا نمی‌کنید. در واقع مشکل بزرگ مهندسان برق این است که باید برای رسیدن به یک سطح حقوق قابل قبول، سال‌های زیادی را کار کنند و تجربه و تخصص جمع آوری کنند.

در مجموع می‌توان گفت گرایش قدرت از نظر بازار کار در راس سایر گرایش‌ها قرار دارد و بیشترین تقاضا برای آن در نیروگاه‌ها و کارخانجات صنعتی با اتوماسیون‌های سنگین و دستگاه‌های چند کاربره برقی با چندین شیفت کاری می‌باشد. از این بحث گذشته، مهمترین علت گرایش مهندسان برق به گرایش قدرت این است که شمایل بیشتری به یک مهندس برق که عاشق کارهای عملیاتی است می‌دهد. این گرایش بیشتر در بین داوطلبان پسر تقاضا دارد تا داوطلبان دختر، چرا که همانطور که گفته شد، گرایش عملیاتی است.

برای دخترها، گرایش‌هایی که مربوط به سیتم‌های انرژی‌های تجدید پذیر و گرایش‌های مدیریتی، برنامه ریزی و طراحی در سیستم‌های قدرت بسیار پرکاربردتر است. از طرفی با توجه به بازار کار پایین برای این زیرگرایش‌ها، شانس دختران که حقوق پایینتری نسبت به پسران می‌طلبند در این بازار کار محدود بیشتر می‌شود. عرصه فروش تجهیزات به نیروگاه‌ها یا بازاریابی پروژه‌ها و تاسیسات نیز یکی از مشاغلی است که رونق گرفته است ولی اکثر مهندسان از این شغل فراری هستند و کسانی که مهارت دارند می‌توانند درآمد خوبی داشته باشند.

نرم افزارهای مهندسی برق مناسب رشته برق قدرت

۱) Matlab (متلب(

۲) CST Studio suite (سی اس تی استودیو سوئیت(

۳) ANSYS Maxwell (انسیس ماکسول(

۴) Dig SILENT (دیجی سایلنت(

۵) PS CAD (پی اس کد(