تحقیق مقاله الکترونیک قدرت

مبدل DC به AC تک فاز:

در کاربردی که ذکر شد در واقع یک منبع تولید کننده سیگنال AC با ولتاژ و فرکانس مختلف نیاز می باشد. یک مبدل توان DC به AC مد سوئیچینگ (اینورتر) در این نوع کاربردها استفاده می گردد که ورودی آن سیگنال DC و خروجی آن یک سیگنال AC می باشد. اگر ورودی  این اینورتر یک منبع ولتاژ DC باشد به آن اینورتر منبع ولتاژ (VSI)‌گویند و اگر ورودی آن منبع جریان DC باشد به آن اینورتر منبع جریان (CSI) می گویند. که CSI برای توانهای بسیار بالا کاربرد دارد. در اینجا اینورتر مورد نظر، از نوع VSI  می باشد.

VSI در واقع به دو نوع اینورتر تکفاز و اینورتر سه فاز تقسیم می گردد. که اینورتر تکفاز  می بایست بار AC تکفاز با یک کیفیت توان بالا و هارمونیک پایین را تأمین نماید.

در شکل 1-1 توپولوژی کلی یک اینورتر آورده شده است:

جداول و نمودار و تصاویر در فایل اصلی موجود است)

همان طور که در شکل 1-1 نشان داده شده است، اینورتر دارای دو پایه (B, A) می باشد که به بار تکفاز خروجی متصل گشته و آنرا تأمین می کند. دو خازن با مقدار یکسان به صورت سری دو سر ولتاژ DC ورودی قرار گرفته است که نقطه اشتراک آنها به زمین متصل می باشد. که این اتصال باعث می گردد که ولتاژ دو خازن دقیقاً  گردد. یک الگوریتم سوئیچینگ شخصی را می توان به چهار ماژول سوئیچ T1 ، T2، T3 و T4 جهت کنترل اینورتر برای ایجاد یک سیگنال سینوسی با فرکانس و دامنه مورد نظر اعمال نمود. در میان اشکال مختلف سوئیچینگ عملی، روش PWM (Pulse With Modulation) . بطور کلاسیک و وسیعتر بکار می رود که در این مورد در بخشهای بعد توضیح داده خواهد شد.

مدولاسیون پهنای پالس (PWM) ‍:

تکنیک مدولاسیون پهنای باند (PWM)، یک روش موثر برای کنترل فرکانس و دامنه ولتاژ خروجی منحنی باشد. شکلهای کنترلی PWM مختلف که در اینجا بررسی می گردد اصولاً به دو دسته تقسیم می گردد، یکی PWM بر اساس حامل می باشد و دیگری PWM فضای برداری می باشد که PWM فضای برداری برای سه فاز مورد استفاده است که مورد بحث این پروژه نیست. در اینجا PWM بر اساس حامل برای دستگاههای تکفاز مورد بررسی قرار      می گیرد. شکل 2-1 یک شمای کلی از مدولاسیون PWM می باشد:

جهت تولید یک ولتاژ سینوسی در فرکانس مشخص مثلاً  f1، یک سیگنال کنترل سینوسی Vcontrol در فرکانس مورد نظر (f1) با یک موج مثلثی (Vcarrier) مقایسه می گردد شکل 2-1. در هر نقطه مشترک، یک گذر در شکل موج PWM با توجه به شکل 2-1 ظاهر می گردد. وقتی Vcontro1 بزرگتر از Vcarrier باشد خروجی PWM مثبت می شود و و قتی کوچکتر از Vcarrier باشد شکل موج PWM منفی خواهد شد. فرکانس ولتاژ حامل (Vcarrier) در واقع فرکانس سوئیچ (fs) اینورتر را بیان می کند. (fs)، اندیس مدولاسیون را برای این سیستم داریم:

که در این رابطه Vcontro1 در ماکزیمم دامنه سیگنال کنترلی قرار می گیرد، در حالیکه Vtri‌مقدار ماکزیمم سیگنال و مثلثی (حامل) می باشد. همچنین نرخ مدولاسیون فرکانسی بصورت زیر تعریف می گردد:

mf در واقع نرخ بین فرکانس حامل و سوئیچینگ می باشد؛ جزء اصلی ولتاژ خروجی (Vout)  نیم پل، دارای مشخصه معادله زیر و منطقه مدولاسیون خطی می باشد.

Vout=mi.Vd       mi≤1.0

این معادله نشان می دهد که نتیجه مورد نظر که دامنه می باشد بطور خطی با اندیس مدولاسیون نسبت مستقیم دارد. مقدار mi از صفر تا 1 را می توان بعنوان محدوده کنترل خطی سیگنال حامل سینوسی PWM در خروجی تعریف کرد.

اشکال مختلف روش سوئیچینگ PWM :

تا به حال با مفاهیم مبدل توان DC به AC و مدولاسیون PWM آشنا شدیم. در کاربردهای تکفاز آنچه بطور خاص مورد نظر می باشد ولتاژ خروجی است که به بار منتقل می شود. همانطور که قبلا دیده شد، ولتاژ خروجی، اختلاف بین دو پایه A و B از پل ترانزیستوری    می باشد. نکته دیگری که مد نظر است مقدار THD (Total Harmonic Disturtion)   می باشد که باید تا حدامکان مقدار کمی داشته باشد.

مدولاسیون PWm دو قطبی :

سوئیچینگ PWM دو قطبی در واقع یک شمای سوئیچینگ کلاسیک می باشد که برای اینورتر تکفاز بکار می رود. جفت ترانزیستور (T4, T1) و (T3, T2) در شکل 1-1 روی لنگه های مختلف پل بطور همزمان روشن و خاموش می گردند. ولتاژ خروجی در این حالت بصورت دو قطبی (مثبت و منفی) می گردد چون هیچ حالت صفری در آن وجود ندارد.شکل موج خروجی برابر ولتاژ نقطه VAO در شکل 1-1 می باشد با این تفاوت که دامنه آن دو برابر می باشد. اصول یک PWM دو قطبی را می توان در معادله  زیر خلاصه کرد:

Vout = Vd   when   Vcontrol > Vcarrier

Vout == Vd   when   Vcontrol < Vcarrier

جداول و نمودار و تصاویر در فایل اصلی موجود است)

شکل 3-1 یک شرحی از مدولاسیون PWM دو قطبی را با پارامترهای mf=15 و mi=0.8 بصورت گرافیکی بیان می کند. از روی شکل می توان فهمید که VBO دقیقاً معکوس VAO در هر زمان می باشد، بنابراین هیچ حالت صفری در خروجی ندارد، Vout=VAO-VBO که باعث

تولید ولتاژ دو قطبی در خروجی گردیده است. در شمای مدولاسیون PWM دو قطبی، اگر نرخ مدولاسیون فرکانس را عدد فرد انتخاب کنیم، ولتاژ خروجی Vout نسبت به مبدأ یک شکل موج متقارن و دو نیم موج می گردد که در این حالت هارمونیکهای زوج در خروجی حذف   می گردد.

مدولاسیون PWM تک قطبی :

در این مدولاسیون جفت سوئیچهای (T4, T1) و (T3, T2) در اینورتر H-Bridge (نیم پل)، بطور همزمان همانطور که در دو قطبی دیده شد عمل نمی کند. در واقع لنگه A و B در    شکل 1-1 بطور مجزا و غیر وابسته با قیاس دو سیگنال Vcontrol1 و Vcontrol2 با سیگنالهای حاصل مشابه آنها عمل می کند. شکل 4-1 این شمای سوئیچینگ تک قطبی را به همراه خروجی mi=0.8 و mf=12 نشان می دهد:

جداول و نمودار و تصاویر در فایل اصلی موجود است)

الگوریتم سوئیچینگ PWM تک قطبی، در معادله زیر نشان داده شده است:

Vout = Vd   when   T1, T4 is ON

Vout = -Vd   when   T2, T3 is ON

Vout= 0   when   T1,T3  or  T3, T4 is ON

از شکل 1-3 و معادله بالا مشخص می گردد که ولتاژ خروجی بین 0 تا +Vd یا 0 تا  -Vd در هر نیم پریود اصلی تغییر می کند. بنابراین شمای PWM بنام PWM تک قطبی شناخته      می گردد. تغییر ولتاژ در هر سوئیچینگ در قیاس با حالت قبل که مقدار 2Vd را داشت در این حالت (تک قطبی) تغییر ولتاژ Vd می باشد. همچنین در این نوع PWM امکان انتخاب مقدار نرخ مدولاسیون فرکانس( mf ) بعنوان یک عدد زوج برای حذف اجزای هارمونیکها در فرکانس سوئیچینگ (fs) وجود دارد.

شمای PWM تک قطبی بهبود یافته :

این نوع PWM با دو حالت قبل تفاوت دارد. در این مورد، هر دو لنگه های نیم پل اینورتر تک فاز در فرکانسهای مختلف سوئیچ می کند. بطور مثال لنگه A در فرکانس پایه f1 سوئیچ می کند در حالی که لنگه B در فرکانس حامل f2 سوئیچ می کند که مقدار آن خیلی بزرگتر از f1 می باشد. این نمای سوئیچینگ PWM یک سرعت سوئیچینگ، متعادل بین دو لنگه های اینورتر ایجاد می کند. همچنین یک ولتاژ خروجی تک قطبی که مقدارش بین 0 و +Vd و بین  0 و Vd می باشد ایجاد می گردد. شکل 5-1 یک شرحی از این نوع مدولاسیون با mi=0.8 و mf=15 آورده شده است:

جداول و نمودار و تصاویر در فایل اصلی موجود است)

 برای بدست آوردن تقارن نیم موج و فرد در ولتاژ خروجی جهت حذف هارمونیکهای زوج، نرخ مدولاسیون فرکانس نباید بعنوان مضرب فردی انتخاب گردد. این نوع مدولاسیون دارای مزایای کاهش مزاحمتهای مغناطیسی الکتریکی فرکانس بالا (EMI) می باشد. همانطور که در شکل 5-1 دیده می شود، بر عکس دو نوع مدولاسیون دیگر، سیگنال مدولاسیون (Vcontrol)  در این الگوریتم یک سیگنال ناپیوسته می باشد که در واقع اسپکتروم فوریه متفاوتی را ایجاد  می کند.

همانطور که در شکل 6-1 مشاهده می شود، سیگنال AC برق شهر وارد یک یکسوساز تمام موج شده و بعد از یکسو شدن توسط خازن صاف می گردد. سپس سیگنال DC وارد مبدل DC به AC تمام پل (Full Bridge) شده و در آنجا به یک سیگنال AC مربعی تبدیل می گردد، ورودی این بلوک از یک مدار کنترلی (میکروکنترلر) می آید و فرمانهای آن توسط میکروکنترلر سری 8051 تولید می گردد، صفحه کلید جهت وارد کردن مقدار فرکانس به ورودی میکروکنترلر بکار می رود، همچنین نمایشگر LCD برای نمایش عدد وارد شده استفاده می شود. در خروجی اینورتر دو سیگنال مربعی و سینوسی تولید می گردد، که خروجی مربعی بعد از یک فیلتر LC پایین گذر به یک سیگنال تقریبا سینوسی تبدیل می گردد، در این بخش بلوک دیاگرام آورده شده را بطور دقیق تری بررسی می کنیم

جداول و نمودار و تصاویر در فایل اصلی موجود است)