شبیهسازی و ساخت مدار اصالح فعال ضریب توان با استفاده از مبدل افزاینده برای راهاندازی موتور القایی سه فاز

Transcript

1 No. F-15-AAA-0000 شبیهسازی و ساخت مدار اصالح فعال ضریب توان با استفاده از مبدل افزاینده برای راهاندازی موتور القایی سه فاز مهدی محمدی ایرایی دانشکده مهندسی برق دانشگاه شهید بهشتی تهران ایران محمد مهدی محمودی دانشکده مهندسی برق دانشگاه شهید بهشتی تهران ایران سید ابراهیم افجهای دانشکده مهندسی برق دانشگاه شهید بهشتی تهران ایران چکیده امروزه کیفیت جریان کشیده شده از شبکهی AC توسط تجهیزاتی که از مبدلهای AC به DC استفاده میکنند مورد توجه قرار گرفته است. ماهیت غیرخطی در مشخصهی ورودی این تجهیزات سبب تولید جریان غیرسینوسی میشود. یکسوساز پل دیودی با خازن در خروجی رایجترین مداری است که به منظور تبدیل ولتاژ AC به DC به کار میرود. جریان ورودی در این مدار به صورت پالسهای متناوب با دامنهی بزرگ میباشد که سبب تولید طیف وسیعی از هارمونیکها و کاهش ضریب توان میشود. به منظور بهبود ضریب توان و کاهش هارمونیکها از دو روش اصالح فعال یا غیرفعال ضریب توان استفاده میشود. در این مقاله مدارهای یکسوساز پل دیودی و اصالح فعال ضریب توان در نرمافزار متلب شبیهسازی و نتایج حاصل نشان داده میشود. در بخش پیادهسازی مدار اصالح فعال ضریب توان با استفاده از مبدل افزاینده ساخته شده است. شکل موج سینوسی جریان ورودی در حالتی که از خروجی مبدل افزاینده در مدار اصالح ضریب توان به عنوان منبع ولتاژ DC برای اینورتر سه فاز به منظور راهاندازی موتور القایی استفاده میشود در مقایسه با زمانیکه ولتاژ DC توسط خازن خروجی در یکسوساز پل دیودی حاصل میشود نشان از بهبود قابل مالحظهی ضریب توان و ضریب اعوجاج هارمونیک کل میباشد. واژههای کلیدی اصالح ضریب توان مبدل افزاینده هارمونیک یکسوساز پل دیودی 1. مقدمه

2 و[ شبیهسازی و ساخت مدار اصالح فعال ضریب توان با استفاده از مبدل افزاینده برای راهاندازی موتور القایی سه فاز تجهیزات الکتریکی معموال با فرکانس 05 یا 05 هرتز شبکه تغذیه میشوند که در اکثر آنها انرژی با یک مبدل توان انتقال مییابد. معموال مبدله یا توان به منظور تبدیل ولتاژ AC به ولتاژ DC از یک یکسوساز پل دیودی که در خروجی دارای خازن بزرگ میباشند استفاده میکنند. جریان در این یکسوسازها زمانی شارش مییابد که ولتاژ AC بزرگتر از ولتاژ DC در خازن خروجی باشد. یکسوساز با خازن جریانه یا ناپیوسته و پالسی شکل از شبکه میکشد. در این حالت طیف گستردهای از هارمونیکها وارد شبکه میشوند که بر عملکرد سایر مصرفکنندهها تاثیر میگذارند] [ ]9 ]3[. همچنین این جریانه یا پالسی شکل سبب کاهش ضریب توان تا حدود 5/40 نیز میشوند] 4 [. در سطوح توان باالتر این مشکالت بیشتر میشوند به همین دلیل هارمونیکها باید فیلتر شوند. روشه یا متعددی برای کاهش هارمونیکه یا جریان خط وجود دارند که در ]0[ به آنها اشاره شده است. برای کاستن از مشکالت مطرح شده مدارهای اصالح ضریب توان به طور گسترده استفاده میشوند. مدارهای اصالح ضریب توان میتوانند به صورت فعال یا غیرفعال باشند. تکنیک اصالح ضریب توان سبب کاهش هارمونیکه یا جریان تولیدی به وسیلهی بارهای غیر خطی میگردد. استفاده از مبدل افزاینده در مدار اصالح ضریب توان به دلیل کنترل موثرتر جریان سلف توسط روش کنترل جریان بسیار رایج میباشد. در این ساختار اغلب از مبدل افزاینده در حالت هدایت پیوسته استفاده میگردد] 0 [و] 7 [. مبدل افزاینده به دلیل امکان هدایت جریان به صورت پیوسته امکان دستیابی به ضریب توان باالتر و ضریب هارمونیک کل پایینتر را فراهم میکند] 8 [. مدار اصالح غیرفعال ضریب توان شامل شبکهی محدودکنندهی اعوجاج است که بدون از بین بردن کامل هارمونیکها ضریب توان را بهبود میدهد. در ]1[ مدارهای کاربردی در زمینهی اصالح غیرفعال ضریب توان نشان داده شده است بطوریکه تنها از سلف یا خازن استفاده میکنند. مدار اصالح فعال ضریب توان شامل مبدل فرکانس باال میباشد که ضریب توان باالتر از حالت غیرفعال همراه با کاهش موثر هارمونیکه یا جریان خط را مهیا میسازد. در این روش مبدلی با فرکانس کلیدزنی باالتر از فرکانس شبکه بین خروجی یکسوساز پل دیودی و خازن خروجی قرار میگیرد. المانه یا راکتیو این مبدل کوچک میباشند زیرا اندازهی آنها بجای فرکانس شبکه بستگی به فرکانس کلیدزنی مبدل دارد. در عمل روشه یا مورد استفاده برای کنترل جریان ورودی به چهار دستهی کنترل بیشینهی جریان کنترل متوسط جریان کنترل هیسترزیس جریان و کنترل مرزی جریان تقسیم میشوند] 95 [. تراشهی UC3854 اصالحگر فعال ضریب توان برای سیستمه یا قدرتی میباشد که از خطوط قدرت سینوسی جریان غیرسینوسی میکشند که در این مقاله از آن استفاده شده است. این تراشه تمام توابع کنترلی الزم را برای ساخت منبع توانی که به طور بهینه از توان خط استفاده و اعوجاج جریان خط را کمینه کند مورد استفاده قرار میدهد] 99 [. مبنای عملکرد این تراشه براساس کنترل متوسط جریان میباشد. روش کنترل متوسط جریان نسبت به روشه یا دیگر شکل موج بهتری از جریان را ایجاد میکند. این روش کنترلی به دلیل تاثیرپذیری بسیار پای نی از نویز و دقت باال در دنبال کردن جریان مرجع گزینهی بسیار مناسبی برای اصالح فعال ضریب توان میباشد. مدار کنترلی در روش کنترل متوسط جریان شامل دو حلقه میباشد. جریان ورودی با حلقهی پیشخورد تنظیم میشود در حالیکه حلقهی پسخورد ولتاژ خروجی را تنظیم میکند. در این روش سیگنال کنترل جریان از ضرب ولتاژ یکسوشدهی ورودی در خطای ولتاژ خروجی تولید میشود. بنابراین جریان ورودی با دنبال کردن سیگنال مرجع شکل موجی مشابه ولتاژ ورودی دارد. همچنین دامنهی متوسط جریان ورودی ولتاژ خروجی را کنترل میکند] 9 [.. یکسوساز پل دیودی»شکل 9«مدار شبیهسازی شدهی یکسوساز پل دیودی با ولتاژ ورودی 955 ولت و 05 هرتز خازن 475 میکرو فاراد در خروجی با بار مقاومتی 955 اهم را در نرمافزار متلب نشان میدهد.»شکل «ولتاژ ورودی ولتاژ خروجی جریان خط ورودی و جریان خازن خروجی را در یکسوساز پل دیودی نشان میدهد. همانطور که مالحظه میشود شکل موج جریان غیر سینوسی میباشد. این جریان همانطور که در»شکل 3«مشخص است دارای طیف گستردهای از هارمونیک میباشد که سبب کاهش ضریب توان میشود. شکل 1 مدار یکسوساز پل دیودی

3 را نشان میدهد جریان سلف از طریق دیود به خازن و بار انتقال مییابد بنابراین سبب شارژ خازن و افزایش ولتاژ میشود. شکل 4 مسیر عبور جریان در حالت هدایت ترانزیستور در مبدل افزاینده شکل نتایج حاصل از شبیهسازی پل یکسوساز دیودی با خازن خروجی از باال به پایین: ولتاژ ورودی ولتاژ خروجی جریان ورودی و جریان خازن شکل 5 مسیر عبور جریان در حالت قطع ترانزیستور در مبدل افزاینده در حالت هدایت کلید ولتاژ روی سلف سبب افزایش جریان مطابق رابطهی زیر میشود di d () در )9( () ولتاژ یکسوشده در ورودی میباشد. زمانی که کلید L )1( قطع میشود جریان طبق معادلهی زیر کاهش مییابد زیرا در مبدل افزاینده از () بزرگتر است. di d () L )( شکل 3 طیف هارمونیکی ناشی از جریان ورودی در یکسوساز پل دیودی 3.اصالح ضریب توان با مبدل افزاینده امروزه استفاده از مدار اصالح ضریب توان با یکسوساز پل دیودی و مبدل افزاینده بسیار رایج شده است. قابلیت کنترل جریان ورودی در حالت پیوسته توسط مدار اصالح ضریب توان استفادهی گسترده از آن را به دنبال داشته است. مبدل افزاینده به منظور کنترل جریان ورودی و دامنهی ولتاژ خروجی استفاده میشود. مسیر جریان برای لحظهه یا زمانی مختلف در»شکل 4«و»شکل 0«نشان داده شده است.»شکل 4«زمانی که کلید در حال هدایت را نشان میدهد. در این حالت جریان در سلف و کلید شارش مییابد و در نهایت به شبکه باز میگردد. در این حالت دیود هدایت نمیکند و ارتباط با خروجی قطع است. جریان خروجی توسط خازن تامین میشود و سبب کاهش ولتاژ خازن میشود.»شکل 0«زمانی که کلید خاموش است ولتاژ خروجی به مقدار انرژی ذخیره شده در خازن بستگی دارد. ولتاژ خروجی برای مبدل افزاینده با معادلهی دیفرانسیل زیر بیان میشود 1 ( ) i d cap cap 1 cap C 1 )3( )4( جریان خازن در )3( از رابطهی زیر به دست میآید در )4( نشان میدهد i i cap D o جریان خروجی و o i D جریان دیود میباشد. معادلهی )4( که در مدت زمانی که کلید روشن است جریانی که بار میکشد سبب تخلیهی خازن میشود اما در زمان قطع کلید خازن دوباره شارژ میشود. راههای متفاوتی برای تعیین ریپل جریان سلف و ولتاژ خروجی مبدل وجود دارد ]93[ برای یافتن ریپل جریان از آنجاییکه 3

4 فرکانس کلیدزنی بسیار بیشتر از فرکانس خط میباشد فرض میکنیم در یک سیکل کلیدزنی ولتاژ خروجی و ولتاژ ورودی یکسوشده مقدار ثابتی دارند. بنابراین در زمان وصل کلید داریم off on L rip L rip )5( و در زمان قطع کلید )6( )7( فرض میکنیم مبدل در حالت هدایت پیوستهی جریان باشد بنابراین فرکانس کلیدزنی از رابطهی زیر بدست میآید f s on 1 با استفاده از )0( )0( و جایگذاری در )7( داریم ( ) rip )8( f s L برای یافتن بیشینهی ریپل جریان در )8( با مشتقگیری و مساوی صفر قرار دادن آن خواهیم داشت rip,max off 4f L s )9( برای یافتن ریپل ولتاژ خازن از معادلهی توان استفاده میکنیم. توان ورودی به مبدل مطابق رابطهی زیر میباشد p ( ) cos )11( به دلیل وجود خازن بزرگ در خروجی فرض میشود که ولتاژ خروجی ثابت است. در حالت ایدهآل توان خروجی و توان ورودی باهم برابرند. لذا برای جریان دیود داریم (1 cos( )) D o )11( از )99( میتوان نتیجه گرفت که مقدار جریان متوسط دیود با جریان خروجی برابر است. از آنجاییکه جریان دیود حاصل جمع جریان خروجی و جریان خازن است i c( ) cos( ) D cos( ) )13( با انتگرالگیری از )93( ریپل ولتاژ خروجی تعیین میشود D, s( ) )14( C در روابط باال ω فرکانس زاویهای خط میباشد. ripple با توجه به معادالت به دست آمده و با فرکانس کلیدزنی 955 کیلو هرتز حداکثر مقدار ریپل جریان سلف را معادل 5/0 آمپر در نظر گرفته و مطابق )1( داریم 00 L 1( mh ) 5 4f srip,max )15( مقدار ریپل ولتاژ خازن را معادل 90 ولت در نظر میگیریم مطابق )94( داریم ou C 45( uf ) 5015 le ripple, p p )16( بنابراین مقدار خازن استاندارد 475 میکرو فاراد را انتخاب میکنیم. که با این مقدار استاندارد مقدار دقیق ریپل ولتاژ در خازن به صورت زیر خواهد بود. 13.6( ) ou ripple. p p 6 lec )17(»شکل 0«مدار اصالح فعال ضریب توان مبدل افزاینده را نشان میدهد. ولتاژ ورودی به صورت سینوسی با دامنهی 955 ولت و فرکانس 05 هرتز میباشد. قسمت اصالحگر ضریب توان که به عنوان زیر سیستم در اینجا آورده شده است شامل کنترلکنندهی P ضربکننده تولیدکنندهی موج دندان ارهای و مقایسهکننده میباشد. نمونهبرداری مطابق روش کنترل متوسط جریان از جریان سلف ولتاژ ورودی و ولتاژ خروجی انجام شده و به عنوان ورودی به زیر سیستم اعمال میشوند. همانطور که مالحظه میشود خروجی زیر سیستم پالسهای PWM میباشند که به پایهی گیت ترانزیستور اعمال میشوند. D ou )1( 4

5 شکل 6 مدار شبیهسازی شدهی اصالح ضریب توان در متلب»شکل 7«جریان سلف و جریان خروجی را نشان میدهد. در جریان مدار اصالح ضریب توان دو فرکانس وجود دارد. فرکانس مرجع جریان که همان فرکانس خط میباشد و دیگری فرکانس جریان کنترل که برابر فرکانس مدار کنترل میباشد. فرکانس مدار کنترل در اینجا 955 کیلو هرتز در نظر گرفته شده است. شکل 8 شکل موج ولتاژ ورودی و جریان ورودی در مدار شبیهسازی شدهی اصالح ضریب توان»شکل 1«شماتیک مدار راهاندازی موتور القایی با استفاده از اینورتر سه فاز و یکسوساز پل دیودی را نشان میدهد. در این آزمایش از خروجی یکسوساز پل دیودی که دارای خازن 475 میکروفاراد میباشد به عنوان منبع DC برای اینورتر سه فاز به منظور راهاندازی موتور القایی استفاده شده است. این آزمایش در فرکانس برق شهر 05 هرتز انجام شده است. Mos1 Da+ Mos3 Db+ Mos5 Dc+ A B C Mos Mos4 Mos6 Da- Db- Dc- شکل 7 شکل موج جریان سلف و جریان خروجی در مدار شبیهسازی شدهی اصالح ضریب توان»شکل 8«ولتاژ ورودی و جریان ورودی را نشان میدهد که در اثر اصالح فعال ضریب توان بین آنها تغییر فاز قابل توجهی دیده نمیشود و بر هم منطبق شدهاند. همچنین جریان ورودی به صورت سینوسی میباشد که سبب کاهش هارمونیکها میشود و افزایش ضریب توان میگردد. 4.نتایج عملی 4.1. راهاندازی موتور القایی با استفاده از خروجی یکسوساز پل دیودی شکل 9 راهاندازی موتور القایی با استفاده از اینورتر سه فاز و یکسوساز دیودی»شکل 95«مدار پیادهسازی شدهی راهاندازی موتور القایی را با استفاده از اینورتر سه فاز و یکسوساز دیودی را نشان میدهد.»شکل 99«ولتاژ و جریان ورودی به یکسوساز پل دیودی را نشان میدهد. همانطور که مشخص است جریان دریافتی از شبکه به صورت پالسهای متناوب و غیر سینوسی میباشند که سبب تولید طیف گستردهای از هارمونیکها میگردند. 4.. راهاندازی موتور القایی با استفاده خروجی مبدل افزاینده در مدار اصالح ضریب توان»شکل 9«شماتیک نحوهی استفاده از تراشهی UC3854 برای اصالح فعال ضریب توان و همچنین اتصال اینورتر سهفاز به مبدل افزاینده به منظور 0

6 شکل 11 مدار پیادهسازی شدهی راهاندازی موتور القایی را با استفاده از اینورتر و یکسوساز دیودی شکل 11 ولتاژ)موج آبی( و جریان ورودی)موج زرد( در حالت راهاندازی موتور القایی با استفاده از اینورتر سهفاز و یکسوساز پل دیودی L 1mH fuse 511K Mos1 Da+ Mos3 Db+ Mos5 Dc+ AC pu 0.47uf 100 Co 470uf 10K Mos Da- A B C Mos4 Db- Mos6 Dc- Rs 0.5 NTC 30K 4K 4K 1.6K 70pf 910K 60K 150K 174K 47nf 4K 6pf 60pf 10K 1uf K UC K 0.1uf 0K 0.47uf 1uf 100uf Cs 1uf 1.nf 1 Rs 10K 1 1N580 شکل 1 اصالح فعال ضریب توان و راهاندازی موتور القایی با استفاده از اینورتر سه فاز RFP460 میباشد. مدار اصالح فعال ضریب توان به عنوان یک منبع ولتاژ DC برای اینورتر سه فاز عمل میکند. بدین ترتیب موتور القایی سه فاز راهاندازی موتور القایی سه فاز را نشان میدهد. مدار اصالح ضریب توان را برای ولتاژ ورودی 85 تا 75 ولت و برای حداکثر قدرت خروجی 05 وات طراحی شده است] 94 [. در»شکل 9«مدار قدرت و کنترل مورد استفاده برای اصالح ضریب توان مشاهده میشود. مبدل افزاینده نقش مدار قدرت را دارد. مدار کنترل شامل تراشهی UC3854 میباشد که وظیفهی تثبیت ولتاژ خروجی و کنترل شکل موج جریان را بر عهده دارد. همانطور که مشاهده میشود بر یا این کار از ولتاژ خروجی ولتاژ ورودی و جریان ورودی نمونه برداری میشود.»شکل 93«مدار پیادهسازی شده را نشان میدهد. همانطور که مشاهده میشود این مدار شامل میکروکنترلر ARM اینورتر سه فاز مدار اصالح فعال ضریب توان موتور القایی و اتوترانسفورماتور میباشد. نحوهی عملکرد مدار به این صورت است که پالسهای PWM تولیدی توسط میکروکنترلر پس از گذشتن از فرآیندهای حفاظتی تعبیه شده توسط راهانداز ماسفت R110 به سطح ولتاژ و جریان الزم برای خاموش و روشن کردن ماسفتها میرسند. ماسفت مورد استفاده بدون لرزش راهاندازی میشود. شکل 13 پیادهسازی اصالح فعال ضریب توان و راهاندازی موتور القایی با استفاده از اینورتر سه فاز 0

7 »شکل 94«ولتاژ و جریان کشیده شده از شبکه را نشان میدهد. شکل موج جریان سینوسیتر و همفاز با ولتاژ شده است که این خود نشان از بهبود ضریب توان و کاهش هارمونیکه یا تزریقی به شبکه میباشد. سینوسی و همفاز با ولتاژ ورودی میشود. در بخش پیادهسازی نتایج حاصل از دو آزمایش نشان میدهد که با استفاده از مدار اصالح فعال ضریب توان هارمونیکه یا تزریق شده به شبکه کاهش مییابند و ضریب توان به نحو مطلوبی افزایش داشته است. منابع [1] Supraim Basu and Mah H. J. Bollen, A Noel Common Power Facor Correcion Scheme for Homes And Offices, EEE TRANSACTONS ON POWER DELERY, ol. 0, no. 3, pp , 005. [] O.Garcia, J. A. Cobos, R. prieo, P. Alou and J. Uceda, power facor correcion: A surey, Power Elecronics Specialiss Conference, PESC, ancouer, BC, 001. [3] Suma Umesh, L. enkaesha, Usha A, Acie power facor correcion echnique for sgle phase full bridge recifier, Adances Energy Conersion Technologies CAECT), Manipal, 014. [4] T. L. Skarena, he Power Elecronics Handbook, Bosca Raon: CRC, 00. [5] H.Z.Azazi, E. E. EL-Kholy, S.A.Mahmoud and S.S.Shokralla, "Reiew of Passie and Acie Circuis for Power Facor Correcion Sgle Phase, Low Power AC-DC Conerers," Proceedgs of he 14h nernaional Middle Eas Power Sysems Conference, pp. 17-4, Cairo Uniersiy, Egyp, 010. [6] Daid M. an de Sype, Koen De Gussemé, Alex P. an den Bossche, Jan A. A. Melkebeek, "A Samplg Algorihm for Digially Conrolled Boos PFC Conerers," EEE TRANSACTONS ON POWER ELECTRONCS, ol. 19, no. 3, pp , May 004. [7] icor M. Lopez, Francisco J. Azcondo, Angel de Casro, ReganZane, "Uniersal Digial Conroller for Boos CCM Power Facor Correcion Sages Based on Curren Rebuildg Concep," EEE TRANSACTONS ON POWER ELECTRONCS, ol. 9, no. 7, pp , 014. [8] N. Genc,. skender, "DSP-based curren sharg of aerage curren conrolled wo-cell erleaed boos power facor correcion conerer," ET Power Elecronics, ol. 4, no. 9, pp , 011. [9] Richard Redl, Laszlo Balogh, "Power-facor correcion bridge and olage-doubler recifier circuis wih ducors and capaciors," Applied Power Elecronics Conference and Exposiion, pp , Dallas, TX, [10] G. Spiazzi, P. Teni, P. Maaelli, "High-Qualiy Recifires wih High- Frequency nsulaion - an Oeriew," Proceedgs of he EEE nernaional Symposium on ndusrial Elecronics, ol. 1, pp , [11] T. nsrumens, "High Power Facor Preregulaor, UC3854 Technical Daashee". [1] Jan Moldaschl, Jan Broulím, Lukas Palocko, "Boos Power Facor Correcion Topology wih Aerage Curren Conrol," nernaional Conference on Applied Elecronics, pp , 014. [13] Ned Mohan, William P.Robbs, and Tore M.Undeland, Power Elecronics: Conerers, Applicaions and designs, Hoboken,NJ: Wiley, 007. [14] P. C. TODD, "UC3854 Conrolled Power Facor Correcion Circui Design," Unirode Power Supply Design U-134, Aailable: پل شکل 14 ولتاژ)موج زرد( و جریان ورودی)موج آبی( در حالت راهاندازی موتور القایی با استفاده از اینورتر سهفاز و اصالحگر ضریب توان»جدول 9«مقایسهای بین یکسوساز پل دیودی و اصالحگر فعال ضریب توان با مبدل افزاینده را زمانیکه بار در هر دو شرایط موتور سه فاز القایی است نشان میدهد. همانطور که مالحظه میشود کس معمولی بسیار ناکارآمد میباشد و سبب تولید هارمونیکه یا پل دیودی یکسوساز زیادی در شبکه میگردد. اما با بهرهگیری از اصالحگر فعال ضریب توان ضریب اعوجاج کل در جریان و ولتاژ کاهش یافته و ضریب توان نیز بهبود یافته است. جدول 1 مقایسهی عملکرد با یکسوساز پل دیودی معمولی و اصالحگر ولتاژ ورودی )ولت( فعال ضریب توان ولتاژ خروجی )ولت( ضریب اعوجاج کل جریان)%( ضریب اعوجاج کل ولتاژ)%( ضریب توان 1/45 1/87 3/8 / /7 صالحگر ع ل ضر ب ن 5.نتیجهگیری یکسوساز پل دیودی با خازن سبب تولید جریان ورودی به صورت پالسهای بزرگ و متناوب میشود که منجر به کاهش ضریب توان و تولید مولفهه یا هارمونیکی میشود. در این مقاله مبدل AC به DC با بهرهگیری از اصالحگر فعال ضریب توان معرفی شده است. اصالحگر فعال ضریب توان در بخش قدرت شامل مبدل افزاینده و در بخش کنترل از تراشهی UC3854 استفاده شده است. نتایج حاصل از شبیهسازی نشان میدهد که با استفاده از اصالح فعال ضریب توان شکل موج جریان ورودی به صورت 7