تحقیق مقاله ولتاژ DC

مقدمه

امروزه ولتاژ DC فشار قوی برای انتقال حجم زیادی از قدرت بکار گرفته می شود زیرا نسبت به سیستم انتقال AC رایج ، دارای مزایای زیر است :

الف ) فقط ظرفیت گرمایی خط و تجهیزات آن بر حد پایداری حاکمند .

ب ) هزینه انتقال کمتر است زیرا هادی های کمتری مصرف می شود و به دکلهای کوچکتری احتیاج است.

ج) هادی کوچکتری می توان بکار برد زیرا دیگر اثر پوستی برای جریان ، وجود ندارد.

د ) دو سیستم قدرت AC با فرکانسهای کار مختلف را می توان به یکدیگر اتصال داد و دلیل آن طبیعت غیر سنکرون خط DC است.

ه) آشکارسازی اتصال کوتواه و رفع آن ، سریع تر انجام می گیرد و پایداری کلی سیستم را می توان تا حد زیادی بهبود بخشید زیرا عبور توان را می توان به شکل الکتریکی کنترل کرد .

و ) برای انتقال با کابل (زیرزمینی ) بسیار ایده آل است زیرا توان رآکتیو شارژ دیگر وجود ندارد ؛ اما هزینه اضافی که برای تجهیزات تبدیل AC به DC و بالعکس لازم است انتقال DC در سطوح قدرت پایین و برای فواصل کوتاه را غیر اقتصادی می کند.

با در دسترس قرار گرفتن SCR های پر قدرت ، لامپهای قوس جیوه برای انتقال DC ، جای خود را به کنورترهای نیمه هادی می دهند.

شکل 1-1 (الف ) ، دیاگرام شمایی یک سیستم انتقال دو قطبی DC را نشان می دهد که در آن سیستمهای قدرت AC 1و 2 به وسیله یک رابط DC به هم اتصال داده شده اند پل 1 به عنوان یکسو کننده و پل 2 ، به عنوان اینورتر عمل می کند و زوایای آتش دو پل برای کار در این شرایط به خوبی تنظیم شده اند در روی هر شاخه هر پل ، تعدادی SCR به صورت ترکیب سری – موازی بکار گرفته شده تا ظرفیت جریان و ولتاژ زیادی به دست آید مدارهای متعادل کننده ولتاژ و جریان ، و نیز ضربه گیرهای (snubbers) لازم ، با SCR ها همراه شده اند .

برای کاهش ضریب تموج در خروجی ، و در نتیجه کاهش ظرفیت صافی ، در طرفین رشته رابط DC از دو مدار شش پالس استفاده می شود اولی با ترانسفرمر ورودی که اتصال ستاره – ستاره دارد و دومی با یک ترانسفرمر ورودی که اتصال ستاره – مثلث دارد این منجر به کار در یک وضعیت 12 پالس شده و در نتیجه اعوجاج در جریان ورودی را کاهش می دهد .

(شکل در فایل اصلی موجود است)

شکل 1-1- سیستم انتقال DC ( ادامه دارد)

سیستم انتقال DC از هادیهای یک قطبی یا دو قطبی استفاده می کند در انتقال تک قطبی ، هادی خط دارای علامت مثبت یا منفی است و هادی بازگشت ، زمین شده است در برخی موارد ، هادی بازگشت قابل حذف بوده و از خود زمین ، برای حمل جریان بازگشت استفاده می شود این حذفها ، مسائل پدیده الکترولیتیکی (در مواقعی که از زمین به عنوان یک هادی الکتریکی استفاده شود و جریان عبور کننده از زمین AC  باشد مسئله ای ایجاد نمی گردد اما اگر جریان عبور کننده DC باشد رطوبت زمین که در واقع یک الکترولیت می باشد را تبخیر می کنند و در هدایت ایجاد اشکال به وجود می آید ) تلفات هدایت بیشتر و تغییرات پتانسیل بزرگتری در نزدیک نقطه زمین کردن با خود دارد در انتقال دو قطبی ، دو هادی وجود دارد که یکی نسبت به زمین مثبت و دیگری منفی است سر وسط پلها (پلهای یکسو کننده و اینورتر) در هر دو سر خط DC طبق شکل 1-1 (الف) زمین شده است با این اتصالات ، جریانهای زمین معمولاً کوچک هستند چنانچه یکی از خطها به دلیل بروز حادثه یا اشکال باز شود انتقال تک قطبی با همان وسایل موجود ممکن است و انتقال توان ادامه خواهد یافت البته واضح است که قابلیت اعتماد به سیستم دو قطبی بیشتر و بهتر از سیستم تک قطبی است .

هنگامی که توان از سیستم 1 به سیستم 2 جاری می شود پل 1 در وضعیت یکسو کنندگی و پل 2 در وضعیت اینورتری کار می کند به شرط معلوم بودن ولتاژ و امپدانس منبع زاویه آتش a یکسو کننده را می توان برای مقادیر مشخص ولتاژ و جریان  در انتهای طرف فرستنده محاسبه کرد ولتاژ DC در طرف دریافت کننده با کسر کردن افت خط از   بدست می آید : بنابراین :

(1-1)

که در آن ، مقاومت DC خط ( به انضمام مقاومت DC راکتور ) می باشد اینورتر معمولاً برای تمامی جریانهای  زاویه اطمینان مشخص y یا زاویه خاموشی ثابت  کار می کند تا از بروز اشکال در عمل کموتاسیون جلوگیری به عمل آید زاویه آتش a لازم برای اینورتر باید از روی ولتاژ ورودی DC ،  جریان  ، زاویه اطمینان  ولتاژ منبع ، و امپدانس منبع محاسبه می شود پل یکسو کننده در وضعیت جریان ثابت کار کرده و زاویه آتش a آن را می توان به قسمی تنظیم کرد که جریان مورد نظر از پل عبور کند این کار به شرطی انجام پذیر است که در کلیه نقاط کار آن در وضعیت دائمی صادق باشد در شکل 1-1(ب) مشخصه اینورتر  در همان طرف مشخصه یکسو کننده ، ترسیم شده است خط چین شکل ، با افزودن افت ولتاژ دو سر مقاومت خط DC به ولتاژ DC اینورتر بدست آمده است نقطه تقاطع مشخصه یکسو کننده و این خط چین ولتاژ و جریان کار یکسو کننده را می دهد .

برای تأمین نقطه کار پایدار برای سیستم ، وضعیت جریان ثابت برای اینورتر باید در سطح جریان  رخ می دهد که در آن  جریانی است که توسط یکسو کننده ثابت نگه داشته شده و ، جریان اطمینان (current margin) می باشد از آنجا که جریان گذرنده از پل یکسو کننده و پل اینورتر باید یکی باشد اینورتر باید با زاویه اطمینان ثابت در سطح جریان  کار کند در شکل 1-1(ب) مشهود است که برای اختلالات و نوسانهای کوچک در ولتاژ سیستم AC نقطه کار برای سیستم DC به خوبی مشخص و ثابت بوده و جریان  در مقدار معین  ثابت باقی می ماند ولتاژ داخلی اینورتر  برای یک پل شش پالس ، باید کمتر از ولتاژ داخلی یکسو کننده  باشد تفاوت  بین آنها برابر است با :

(1-2)

که در آن  و  ، حداکثر ولتاژ فازی – زمین در منبع سیستم AC یک و دو  و  فرکانسهای مربوط به هریک از آنها ،  و  اندوکتانسهای دو منبع در هر فاز، a زاویه آتش پل یکسو کننده و y زاویه اطمینان مشخص شده برای پل اینورتر می باشد.

(شکل در فایل اصلی موجود است)

شکل 2-1- سیستم انتقال DC ( ادامه دارد )

برای یک سیستم انتقال تک قطبی DC هنگامی که بخواهیم توان در جهت عکس جاری شود از مدارهای پل مجزای مثلاً 3 و 4 استفاده می کنیم برای این پلها ، SCR ها در جهتی مخالف با جهت نشان داده شده برای SCR های شکل 1-1 (الف) باید متصل گردند به قسمی که علامت ولتاژ DC ، یکسان و بدون تغییر مانده لیکن جهت جریان عکس شود این امر، مسئله خوردگی الکترولیتیک هادی زمین شده را منتفی می کند قطع پلهای 1 و 2 و وصل پلهای 3 و 4 از طریق کلیدهای خارجی انجام می گیرد سپس پل 3 به عنوان اینورتر و در زاویه اطمینان ثابت و پل 4 به عنوان یکسو کننده جریان ثابت عمل خواهند کرد برای انتقال دو قطبی احتیاج به پلهای مجزا برای معکوس شدن جهت توان نیست .

ضریب قدرت ورودی پل یکسو کننده باید پفاز و ضریب قدرت خروجی اینورتر با کموتاسیون خط پیشفاز باشد از این رو برای تصحیح ضریب قدرت باید تجهیزات مناسب (مثلاً خازنهای شنت ) به ترمینالهای AC اتصال یابند به منظور کاهش اعوجاج در طرف DC باید از یک رآکتور صاف کننده اعوجاج استفاده کرد و این موجب می شود که شکل موج جریان در فازهای AC مستطیلی شود محتوی هارمونی این جریان با استفاده از دو پل شش پالس که در آن ترانس پل اول دارای اتصال ستاره – ستاره و ترانس پل دوم دارای اتصال ستاره – مثلث است کاهش می یابد ( به شکل 1-1 (الف) مراجعه شود).

شکل 13-7 (پ) ، بلوک دیاگرام یک کنترل کننده یکسو کننده را نشان می دهد که از طریق تنظیم زوایای آتش برای SCR ها ، جریان را در پل ، ثابت نگه می دارد فرکانس آتش این SCR ها باید f6 باشد که در آن f فرکانس ورودی است چون فرکانس سیستم AC ممکن است تغییر کند فرکانس آتش کننده نیز باید فرکانس سیستم را تعقیب کند این امر با استفاده از بلوک حلقه با فاز قفل شده (phase-looked loop block)(PLL) عملی می گردد که در آن فرکانس خروجی NCO بطور خودکار شش برابر فرکانس ورودی f می شود سیگنال ورودی برای PLL از طریق یک مقایسه کننده تأمین می شود و ولتاژ منبا برای مقایسه کننده خروجی کنترل کننده PI است هر زمان که این ولتاژ کمتر از ولتاژ ورودی (یک ولتاژ شیب که از ولتاژ سیستم AC گرفته می شود ) باشد .

یک خروجی پالس حاصل می شود که فرکانس آن مساوی فرکانس سیستم AC است هنگامی که خطای واقعی در جریان  به صفر برسد ولتاژ خروجی کنترل کننده PI مخالف صفر بوده و در نتیجه خطای استاتیک سیستم کنترل به صفر می رسد برای کنترل اینورتر سیگنال خطای زاویه اطمنیان را می توان به جای سیگنال خطای جریان ، به کنترل کننده PI دارد و زاویه آتش ، خود را بطور خودکار تنظیم می کند تا زاویه اطمینان y را که برای کلیه ولتاژها و جریان مستقیم خط لازم است تأمین کند طرح کنترل مورد بحث ، موجب به وجود آمدن فاصله مساوی در پالسها می شود زیرا فاصله بین پالسهای آتش متوالی که از PLL می رسد برابر T/6 است که در آن T دوره تناوب ورودی AC است کنترل کننده هایی که در آنها به ازای هر SCR از یک مقایسه کننده مجزا استفاده می شود زوایای آتش مساوی به وجود می آورند .

یک سیستم کنترل کننده که بر مبنای فاصله مساوی پالسها پایه ریزی شده باشد از سیستمی که بر مبنای زوایای آتش مساوی باشد بهتر است زیرا در اولی ، هارمونیهای غیر عادی در شکل موج جریان متناوب خط به وجود نمی آید و دلیل آن مدت هدایت هر SCR است که حتی وقتی ولتاژ ورودی با اعوجاج باشد باز هم ثابت نگه داشته می شود.

(شکل در فایل اصلی موجود است)

شکل 3-1- سیستم انتقال DC

چاپر های DC

1- مقدمه

چاپر را می توان معادل DC را به یک ترانسفورماتور ac با نسبت حلقه ای قابل تغییر به صورت پیوسته در نظر گرفت مشابه ترانسفورماتور ، چاپر می تواند جهت افزایش یا کاهش پله ای ولتاژ منبع dc بکار گرفته شود.

2- اساس طرز کار کاهش پله ای

اساس طرز کار مدار را می توان از روی شکل 2-1 الف توضیح داد هنگامی که کلید SW به مدت  بسته می شود ولتاژ ورودی  دو سر بار می افتد اگر کلید به مدت  قطع بماند ولتاژ دو سر بار صفر خواهد بود شکل موجهای ولتاژ خروجی و جریان بار نیز در شکل 2-1 (ب) نشان داده شده اند کلید چاپر را می توان با استفاده از یک (1)BJT قدرت (2)MOSFET قدرت ، (3) GTO یا (4) تریستور با کموتاسیون اجباری ، پیاده سازی کرد عناصر واقعی افت ولتاژ معینی بین 5/0 تا 2 ولت دارند که ما بخاطر ساده کردن محاسبات از افت ولتاژهای این عناصر نیمه هادی قدرت چشم پوشی می کنیم مقدار متوسط ولتاژ خروجی از رابطه زیر بدست می آید.

(2-1) (فرمول در فایل اصلی موجود است)

و مقدار متوسط جریان بار برابر   است که T دوره تناوب چاپر،  سیکل کاری چاپر و f فرکانس چاپر است مقدار مؤثر ولتاژ خروجی از رابطه زیر بدست می آید .

(2-2)(فرمول در فایل اصلی موجود است)

اگر فرض کنیم چاپر بی تلفات باشد توان ورودی چاپر برابر توان خروجی خواهد بود و خواهیم داشت .

(2-3)

مقاومت ورودی مؤثر که توسط منبع دیده می شود برابر خواهد بود با

(2-4)(فرمول در فایل اصلی موجود است)

سیکل کاری K با تغییر  ، T یا f می تواند از 0 تا 1 تغییر کند بنابراین ولتاژ خروجی  با کنترل k می توان از 0 تا  تغییر کند و انتقال توان کنترل خواهد شد.

1- عملکرد فرکانس ثابت ، فرکانس چاپر f متغیر است یا زمان روشن بودن  ، تغییر داده می شود پهنای پالس در این روش تغییر می کند و این نوع کنترل ، کنترل مدولاسیون پهنای پالس (PWM) نام دارد.

2- عملکرد فرکانس متغیر ، فرکانس چاپر f متغیر است یا زمان روشن بودن  و یا زمان خاموش بودن  ثابت نگه داشته می شود این روش مدولاسیون فرکانس نام دارد فرکانس باید در محدوده وسیعی تغییر یابد تا رنج کاملی از ولتاژ خروجی را داشته باشیم در این نوع کنترل  هارمونیکهایی با فرکانسهای غیر قابل پیش بینی تولید خواهند شد و طراحی فیلتر آن دشوار است .

(شکل  در فایل اصلی موجود است)

شکل 1-2- چاپر کتهش پله ای با بار مقاومتی

3- اساس طرز کار افزایش پله ای

از چاپر می توان جهت بالا بردن ولتاژ dc استفاده کرد که در شکل 2-1 (الف) یک نمونه آن نشان داده شده است هنگامی که کلید SW برای زمان  بسته می شود جریان سلف افزایش می یابد و در سلف L انرژی ذخیره می شود اگر کلید به مدت  باز شود جریان ذخیره شده در سلف از طریق دیود به بار منتقل می شود و جریان سلف کاهش می یابد با فرض بر قرار بودن جریان بطور پیوسته شکل موج جریان سلف در شکل 2-1 (ب) نشان داده شده است .

هنگامی که چاپر روشن می شود ولتاژ سلف برابر خواهد بود با :

که جریان ریپل پیک تا پیک سلف را به صورت زیر می دهد

(2-5)(فرمول در فایل اصلی موجود است)

ولتاژ خروجی لحظه ای برابر خواهد بود با

(2-6)(فرمول در فایل اصلی موجود است)

(شکل در فایل اصلی موجود است)

شکل 2-2- آرایش عملکرد افزایش پله ای

(شکل در فایل اصلی موجود است)

شکل 3-2- آرایش انتقال انرژی

و به صورت زیر بیان می شود

(2-7)

که در آن  جریان اولیه برای حالت اول هستند در حالت اول جریان باید صعود کند و شرط آن برابر است با

جریان حالت دوم از رابطه زیر بدست می آید.

که پس از حل خواهیم داشت

(2-8)(فرمول در فایل اصلی موجود است)

که در آن  جریان اولیه برای حالت دوم است در یک سیستم پایدار ، جریان باید نزول کند وشرط آن به شکل زیراست .

اگر شرط فوق برقرار نشود جریان سلف به صعود خود ادامه می دهد و یک وضعیت ناپایدار پیش می آید بنابراین شرایط انتقال توان برابر خواهد بود با :

(2-9)

از رابطه 2-9 معلوم می گردد که ولتاژ منبع  باید از ولتاژ E کمتر باشد تا انتقال توان از یک منبع ثابت ( یا متغیر) به یک ولتاژ dc ثابت ممکن گردد .

هنگامی که چاپر روشن می شود انرژی از منبع  به سلف L منتقل می گردد اگر چاپر خاموش گردد مقداری از انرژی ذخیره شده در سلف به باتری E بر می گردد.

نکته : بدون کارکرد چاپر ،  باید از E بزرگتر باشد تا انتقال توان از  به E صورت پذیرد .

4- پارامترهای کارآیی

5- طبقه بندی چاپر ها

چاپر کاهش پله ای شکل 2-1 (الف) فقط اجازه انتقال توان از منبع به بار را می دهد و چاپر کلاس A نام دارد بسته به جهت ولتاژ و جریان ، چاپرها را می توان به پنج نوع بسته بندی کرد :

چاپر کلاس A

چاپر کلاس B

چاپر کلاس C

چاپر کلاس D

چاپر کلاس E

چاپر کلاس A در این چاپر جریان بار به بار وارد می شود همانطور که در شکل 2-2 الف نشان داده شده است جریان و ولتاژ بار هر دو مثبت هستند این چاپر یک چاپر تک ربعی است و مشابه یک یکسو کننده عمل می کند .

چاپر کلاس B در این چاپر جریان بار از بار خارج می شود همان طور که در شکل 2-2 ب نشان داده شده است ولتاژ بار مثبت و جریان بار منفی است این چاپر نیز یک چاپر تک ربعی است اما در ربع دوم کار می کند و مشابه یک اینورتر عمل می کند یک چاپر کلاس B در شکل 2-3 الف نشان داده شده است که در آن باتری E بخشی از بار است.

هنگامی که کلید  بسته می شود ولتاژ E به سلف L جریان می دهد و ولتاژ بار  و جریان بار  به ترتیب در شکلهای 2-3 ب و ج نشان داده شده اند جریان  که صعودی است با رابطه زیر تعریف می شود

که با شرط اولیه  خواهیم داشت

(2-10)(فرمول در فایل اصلی موجود است)       

در

هنگامی که کلید  خاموش می شود مقداری از انرژی ذخیره شده در سلف L از طریق دیود  به منبع  بر می گردد جریان بار  نزول می کند با تعریف مجدد مبدأ زمان t=0 ،جریان  با رابطه زیر تعریف می شود .

که با شرط اولیه  خواهیم داشت

(2-11)(فرمول در فایل اصلی موجود است)       

که  در :

برای جریان پیوسته حالت پایدار

برای جریان ناپیوسته حالت پایدار

چاپر کلاس C همان طور که در شکل 2-2 ج نشان داده شده است جریان بار مثبت یا منفی می تواند باشد ولتاژ بار همواره مثبت است این چاپر یک چاپر دو ربعی است چاپرهای کلاس B,A همانطور که در شکل 2-3 نشان داده شده می توانند ترکیب شوند و یک چاپر کلاس C پدید آورند  مانند یک چاپر کلاس   مانند یک چاپر کلاس B کار می کند باید دقت شود که دو کلید همزمان آتش نشوند در غیر این صورت منبع  اتصال کوتاه خواهند شد یک چاپر کلاس C می توانند هم مانند یکسو کننده و هم مانند یک اینورتر کار کند .

(شکل در فایل اصلی موجود است)       

شکل 4-2- طبقه بندی چاپرها

شکل 5-2- چاپر کلاس B

چاپر کلاس D ، همان طور که در شکل 2-2 د نشان داده شده است جریان بار همواره مثبت و ولتاژ بار یا مثبت یا منفی است یک چاپر کلاس D نیز می تواند هم مثل یک یکسو کننده و هم مثل یک اینورتر عمل کند و مدار آن در شکل 2-4 نشان داده شده است اگر  روشن شوند  مثبت خواهند بود اگر  خاموش باشند جریان بار  مثبت خواهد بود و در صورتی که اندوکتانس بار زیاد باشد به طور پیوسته جریان خواهد یافت دیودهای  مسیری برای جریان بار فراهم می کنند و  معکوس خواهد شد .

چاپر کلاس E همان طور که در شکل 2-2 ه نشان داده شده است جریان بار یا مثبت یا منفی خواهد بود ولتاژ بار نیز یا مثبت یا منفی خواهد بود این چاپر یک چاپر چهار ربعی است مشابه شکل 2-5 الف ، دو چاپر C را می توان ترکیب کرد تا یک چاپر E بدست آید قطبیت ولتاژ و جریان بار در شکل 2-5 ب نشان داده شده است عناصری که در ربعهای مختلف در حال کار کردن می باشند در شکل 2-5 ج نشان داده شده اند برای این که در ربع چهارم کار کنیم باید باتری E معکوس شود.