مقدمه
یکسوسازها گونه ای از مبدلهای الکترونیک قدرت هستند که تبدیل AC به DC را انجام می دهند. این مبدلها می توانند در انواع تک فاز و سه فاز و به صورت دوسطحی یا چندسطحی طراحی و مورد بهره برداری قرار گیرند. نوع سه فاز از این مبدلها بیشتر کاربرد صنعتی دارد و برای سطوح توان بالاتر در نظر گرفته می شود. مزیت ساختارهای چندسطحی نسبت به دوسطحی نیز به کاهش اعوجاج هارمونیکی در سمت جریانهای سمت شبکه و مشخصه ولتاژ صاف در خروجی لینک DC با ریپل کمتر می باشد.
یکسوسازها می توانند بر اساس ادوات الکترونیک قدرت موجود در ساختار خود دارای انواع مختلفی باشند. به طور مثال می توان یکسوسازهای دیودی، تریستوری یا ترازیستوری (IGBT یا MOSFET) را نام برد که در مورد دوم و مورد سوم کلیدهای قدرت برای هر فاز وجود داشته و امکان کنترل آن میسر است (یکسوسازهای کنترل پذیر). با توجه به توضیحات فوق، در این مطلب، یک یکسوساز سه سطحی از نوع T با کلیدهای ترانزیستوری معرفی شده و عملکرد آن توضیح داده شده است. سپس عملکرد مبدل در حالت بار متغیر در خروجی با استفاده از شبیه سازی در نرم افزار متلب بررسی شده و نتایج مربوط به آن مورد تحلیل قرار گرفته است.
معرفی
یکسوساز سه سطحی نوع T با فیلتر LCL در سمت شبکه و بار در سمت خروجی در شکل (1) نمایش داده شده است. استفاده از فیلتر LCL به خاطر این است که در حتی الامکان کمترین سطح از هارمونیکها در جریانهای سمت شبکه حضور داشته باشد و مشخصه های جریانها به سینوسی نزدیک باشد. دو خازن نیز بعد از یکسوساز و قبل از بار در خروجی قرار داده شده است که ولتاژ لینک DC به صورت مساوی بین این دو تقسیم می شود. استفاده از آنها باعث می شود که مشخصه ولتاژ در سمت بار تقریبا صاف و دارای ریپل در سطح مجاز باشد (زیر 5 درصد) [1].
توجه می کنیم در شکل (1) برای هر فاز چهار کلید IGBT با دیود موازی معکوس دوسر هر یک در ساختار یکسوساز تعبیه شده است، مثلا برای فاز A کلیدهای S1a، S2a، S3a و S4a وجود دارد. لازم است این کلیدها بر اساس تکنیک PWM موردنظر به شیوه درست تحریک شوند تا عمل یکسوسازی در هر فاز صورت گیرد.
عملکرد سه سطحی یکسوساز نوع T باعث می شود که نسبت به یکسوسازهای دو سطحی دیگر دارای این مزیت باشد که مقدار THD جریان در سمت ورودی شبکه کمتر باشد، بنابراین اندازه، وزن و هزینه فیلتر ورودی کاهش یافته و ضرر کمتری به شبکه وارد می شود. با توجه به این مزیتها، این یکسوساز می تواند در کاربردهای مثل خودروی الکتریکی، ایستگاه شارژ و سیستم ذخیره ساز انرژی توان بالا بکار برده شود [2].
شکل 1) ساختار یکسوساز سه فاز سه سطحی نوع T
عملکرد یکسوساز
حالتهای مختلف کلیدزنی در یکسوساز نوع T در جـدول (1) نمایش داده شده که در آن حالت کلیدزنی P با روشن شدن دو کلید S1x و S2x در ساق x بیان می شود و Vxm برابر با Vdc/2 است. حالت کلیدزنی N زمانی است که کلیدهای S3x و S4x روشن شده اند و Vxm برابر با –Vdc/2 است. در حالت کلیدزنی O نیز کلیدهای S2x و S3x روشن هستند و ولتاژ ایجاد شده توسط این حالت کلیدزنی برابر با صفر است. با توجه به اینکه کلیدهای S1x و S3x مکمل هم هستند، اگر کلید S1x روشن شود باید کلید S3x خاموش شود. همچنین این حالت به طور مشابه برای کلیدهای S2x و S4x تعریف می شود.
جدول 1) حالتهای مختلف کلیدزنی در یکسوساز نوع T
همانطور که در شکل (2) نمایش داده شده، عملکرد یک پایه فاز نوع T در یک چرخه اساسی را می توان به چهار بازه تقسیم کرد.
شکل 2) تصویری از چهار بازه کاری در یک پایه فاز نوع T
شبیه سازی یکسوساز
در این بخش به شبیه سازی ساختار یکسوساز سه فاز نوع T در نرم افزار متلب/ سیمولینک خواهیم پرداخت و با بدست آوردن نتایج مهم مربوط به شبیه سازی آنها را ارائه و سپس تحلیل خواهیم کرد. مدار یکسوساز شبیه سازی شده به صورت شکل (3) است که در آن منبع ورودی به صورت سه فاز متناوب با ولتاژ خط 400 ولت و بار در خروجی به صورت مقاومتی و متغیر است. یک فیلتر LCL نیز بین منبع و یکسوساز تعبیه شده است. مورد مهم بعدی این است که پارامترهای مدار نظیر اندازه ظرفیت خازنهای لینک DC و اندازه اندوکتانسها و ظرفیت خازن فیلتر LCL به درستی تنظیم شود. برای این منظور باید پارامترهای هدف را مشخص کرد و سپس از روابطی که در [1] ارائه شده، برای محاسبه پارامترها استفاده کرد. در اینجا هدف این است که ولتاژ خروجی در حالت بار متغیر، در مقدار 800 ولت تثبیت شود و تا جای ممکن تحت تأثیر تغییر بار قرار نگیرد. توجه می کنیم که مقدار بار در ثانیه 0.5 از شبیه سازی تغییر می کند.
شکل3) مدار شبیه سازی شده از یکسوساز نوع T در متلب
برای عملکرد مؤثر یکسوساز، یک ساختار کنترلی نیز در نظر گرفته شده که در شکل (4) ارائه شده است. در این قسمت کنترلی بخش اصلی بلوک آبی رنگ است که با استفاده از ورودیهای ولتاژهای شبکه، ولتاژهای خازن فیلتر و ولتاژ طرف DC، مشخصه های ولتاژ مرجع سه گانه را تولید می کند. این قسمت به کمک فرمولهای ریاضی و مکانیزم کنترل توضیح داده شده در [1] طراحی شده است و بعلت گسترده و پیچیده بودن آن، در اینجا از ذکر جزئیات بیشتر در مورد آن می پرهیزیم. سپس این مشخصه ها به بلوک SPWM اعمال می شوند که بر طبق مکانیزم طراحی شده از [3] وظیفه تولید سیگنالهای تحریک کلیدهای یکسوساز را بر عهده دارد.
شکل 4) سیستم کنترلی یکسوساز نوع T
در ادامه نتایج شبیه سازی ارائه شده است. در شکل (5) مشخصه ولتاژهای فاز شبکه نمایش داده شده است که دارای مقدار مؤثر 230 ولت هستند.
شکل 5) مشخصه ولتاژهای ورودی شبکه
در شکل (6) مشخصه ولتاژ یکسو تولید شده که به بار متغیر اعمال می شود، نمایش داده شده است که بر اساس آن مقدار ولتاژ بعد از گذشت تقریبا 0.15 ثانیه به مقدار متوسط 800 ولت می رسد و بعد از آن تقریبا تا انتهای زمان شبیه سازی در همین مقدار ثابت حفظ می شود. توجه می کنیم در لحظه تغییر بار (0.5 ثانیه) کمی بالازدگی در مشخصه ایجاد می شود اما این تغییر بعد از زمان کوتاهی برطرف می شود. مقدار ریپل مشخصه نیز بسیار کم و در حد 0.17 درصد است.
شکل6) مشخصه ولتاژ یکسو لینک DC اعمالی به بار
در شکل (7) مشخصه جریان در سمت بار نمایش داده شده است. همانطور که مشخص است مقدار متوسط جریان ابتدا 13.35 آمپر بوده و سپس به دلیل تغییر در مقدار مقاومت بار، به سطح 8.9 آمپر کاهش می یابد و تا آخر شبیه سازی در همین مقدار ثابت باقی می ماند.
شکل 7) مشخصه جریان در سمت بار
در شکل (8) مشخصه جریانهای سمت شبکه نمایش داده شده است که قبل از تغییر بار دارای مقدار مؤثر 16.5 آمپر و بعد از تغییر بار دارای مقدار مؤثر 10.7 آمپر هستند. همچنین تحلیل مشخصه جریان فاز A برای بررسی میزان THD انجام شده که در شکل (9) نمایش داده شده است. همانطور که مشخص است میزان THD زیر 5 درصد و برابر 3.42 درصد است که در سطح مطلوبی قرار دارد.
شکل 8) مشخصه جریانهای سه فاز در سمت شبکه
شکل 9) تحلیل THD مشخصه جریان فاز A در سمت شبکه
نتیجه گیری:
از نتایج مشخص شد که اولاً ساختار کنترل طراحی شده مؤثر است زیرا می تواند ولتاژ سمت بار را در شرایط تغییر بار در مقدار متوسط 800 ولت حفظ کند، ثانیاً جریانهای سمت شبکه تقریبا به شکل سینوسی بوده و با اعوجاج هارمونیک کم (حدود 3.4 درصد) بدست می آید که مطلوب است.
مراجع:
[1]
S. Bayhan and H. Komurcugil, “A current sensorless control method for multi-level active front-end rectifiers with LCL filter”, IET Power Electronics, 01 November 2022.
[2]
Xinwei Duan, Longyun Kang, Hailan Zhou and Ming Zhao, “Three-vector model predictive power control for three-level T-type rectifier based on dead-beat control”, IET Power Electronics, 26 May 2022.
[3]
S. Bayhan and H. Komurcugil, “Sliding-Mode Control Strategy for Three-Phase Three-Level T-type Rectifiers with DC Capacitor Voltage Balancing”, IEEE Access, v. 8, 16 March 2020.
توجه:
در این صفحه، به معرفی یکسوساز سه سطحی سه فاز از نوع T پرداخت شد و سپس شبیه سازی آن درنرم افزار متلب به همراه تعدادی از نتایج مهم شبیه سازی ارائه شد. شما می توانید برای تهیه شبیه سازی و همچنین گزارش کار این پروژه از لینک خرید زیر استفاده کنید.
