1000 / 1004 کنترل فیلترهاي توان اکتیو (APF) تکفاز و سه فاز با استفاده از یک سنسور جریان کیوان بهزادپور محدرضا امینی keivan_bp@yahoo.com دانشجوي کارشناسی ارشد دانشگاه آزاد اسلامی واحد اصفهان چکیده عضو هیي ت علمی دانشگاه آزاد اسلامی واحد اصفهان mr.amini@khuisf.ac.ir : با گسترش و توسعه بارهاي غیر خطی نیاز به یک ولتاژ و جریان پایدار یک ضرورت است. در شبکه هاي فشار ضعیف و فشار متوسط وجود بارهاي غیر خطی تولید هارمونیک می کند که این هارمونیک ها باعث ایجاد ناپایداري در کیفیت ولتاژ می شوند و کاهش جریان بار را نیز همراه دارند که نهایتا در افت کیفیت توان تحویلی نقش موثري دارند. فیلترهاي توان اکتیو (APF) در کاهش اثرات مخرب ناشی از این هارمونیک ها و همچنین جبران جریان نقشی محوري ایفا می کنند. ما در این مقاله می کوشیم تا با اراي ه ي روشی نوآورانه در زمینه ي کنترل APF ها با عث عملکرد بهتر و مفیدتر این فیلتر ها شویم که از نظر اقتصادي نیز روشی به صرفه تر نیز می باشد. در روش اراي ه شده سعی بر این است تا با استفاده از یک سنسور که از جریان ابتداي شبکه در سمت منبع براي ما نمونه گیري کرده و و سپس اطلاعات آن وارد سیستم کنترلی می شود بتوانیم هارمونیکی جبران جریان را انجام دهیم. APF را به نحوي کنترل کنیم تا هم سیستم براي ما پایدار شود و هم با کاهش اثرات کلید واژه : فیلتر توان اکتیو ) APF ) جبران جریان کنترل جریان کیفیت ولتاژ فلیپ فلاپ JK مقایسه گر مقدمه در صنعت برق مساي ل مربوط به کیفیت توان از اهمیت ویژه اي برخوردار است. اما به دلیل وجود عوامل ایجاد اختلال و بروز حوادث ناخواسته که عمدتا اجتناب ناپذیر نیز می باشند درشکل موج ولتاژ جریان و در نتیجه در کیفیت توان شبکه انحرافاتی از مقادیر مطلوب رخ می دهد و همچنین قابلیت اطمینان شبکه نیز کاهش می یابد. جلوگیري و یا کاهش بروز اینگونه اختلالات و اشکالات و اصلاح ضریب توان امري لازم است تا شاهد کمترین میزان انحراف در ولتاژ جریان و فرکانس و در نهایت کیفیت توان شبکه باشیم. در سال هاي اخیر با گسترش و افزایش بار هاي غیر خطی در صنایع و کارخانه ها مسي له ي کیفیت توان اهمیت فوق العاده اي پیدا کرده است. ادوات و روش هاي گوناگونی براي حل مساي ل مربوط به کیفیت توان وجود دارد که از جمله آن می توان به فیلترهاي توان اکتیو (APF) اشاره کرد [1] در مباحث مربوط به APF ها قابللیت اطمینان منبع ولتاژ از اهمیت ویژه اي برخوردار است. ویژگی هاي قابلیت اطمینان منبع شامل موارد زیر می باشد : کافی بودن ) توانایی تامین بار) امنیت ) توانایی تحمل کردن اختلالات ناگهانی مانند خطاهاي سیستم ( دسترسی ) توجه ویژه به وقفه هاي طولانی ( شکل 1 -شماتیک کلی APF و اتصال آن به شبکه
1001 / 1004 در بحث کنترل APF ها روش هاي گوناگونی تاکنون اراي ه و مطرح گردیده که از آن جمله می توان به روش هاي کنترل دیجیتال کنترل کننده ها بر اساس منطق فازي و الگوریتم هاي کنترلی بر اساس شبکه هاي عصبی و کنترل کننده هاي PI اشاره کرد. کنترل کننده ي منطق فازي موجب افزایش و گسترده تر شدن عرصه ي تحقیقات در حوزه ي الکترونیک قدرت گردیده است. این کنترل کننده بر اساس تي وري مجموعه-هاي فازي طراحی گردیده است که ریشه در ذهنیت انسان دارند. [2] خروجی کنترل کننده ي فازي پس از محدود سازي به عنوان دامنه ي جریان مرجع Is در نظر گرفته می شود. شکل عملکرد کنترل کننده ي فازي شامل مراحل زیر سیستم دو محوري شامل دو محور d و q می باشد. محور d نشان دهنده فضاي بردار فضاي ولتاژ منبع است. با چرخش بردار با زاویه θ که θ زاویه بین محور α و محور d است دو مولفه ي i و i i متناسب با توان اکتیو و مولفه ي به دست می آیند. مولفه ي i متناسب با توان راکتیو می باشند.شماتیک کلی سیستم کنترلی در شکل 3 نشان داده می شود. است : فازي سازي ) Fuzzification ( شناخت مبنا مکانیسم استنتاج استخراج داده ) Defuzzification ( شکل 3 -ساختار کنترلی APF در تکنیک محاسبه نرم روش کنترلی مطرح شده در این مقاله در روش مورد بحث در این مقاله با استفاده از یک سنسور جریان و قرار دادن آن در ابتداي خط از سمت منبع و دریافت اطلاعات حاصل و ارسال آن به یک سیستم کنترلی قادر خواهیم بود تا هم جبران جریان را انجام دهیم و هم شکل 2 -ساختار داخلی کنترل کننده ي منطق فازي تکنیک محاسبه نرم ) Computing ( Soft نیز از جمله روش هاي مورد استفاده در الگوریتم هاي کنترلی در APF ها می باشد. اساس این روش می-تواند مبتنی بر منطق فازي شبکه هاي عصبی الگوریتم ژنتیک و... باشد. در این روش از کنترل کننده ي PI نیز استفاده می شود.[3,4] از دیگر روش هاي مورد استفاده جهت کنترل APF و جبران جریان الگوریتم کنترلی مبتنی بر سیستم چرخش محور می باشد. [5] سیستمی پایدار داشته باشیم. (شکل 5 و 6) جریان منبع برابر است با مجموع جریان بار و جریان جبرانی توسط APF به صورت زیر : i = i + i جریان نمونه گیري شده توسط سنسور جریان i می باشد. براي ساخت جریان مرجع با استفاده از دو سنسور ولتاژ از ولتاژ خازن قرار گرفته شده در دو سر اینورتر APF و همچنین از منبع اصلی ولتاژ نمونه گیري شده و سپس وارد سیستم کنترلی می شوند. شکل 4 شکل موج جریان بار در حالت عادي و بدون حضور فیلتر توان اکتیو را نشان می دهد. همانگونه که در شکل مشاهده می کنید جریان داراي
1002 / 1004 هارمونیک هاي بسیار مضري است که باعث کاهش جریان بار ازحالت مطلوب می شود. THD جریان بار در حدود 1.9 است کھ این مقدار اصلا خوب نیست. شکل 7 - طرح کنترلی در APF این جریان با یک ضریب خطاي بسیار کوچکی ترکیب شده و سطح مقایسه اي بالا و پایین را براي ما ایجاد می کند. در حالتی که اضافه جریان داشته باشیم سیستم کنترلی جریان را کم و در حالت کاهش جریان سیستم جریان را زیاد می کند و در نهایت این سیستم کنترلی توسط دو مقایسه گر جریان را دریک محدوده ي مجاز نگه می دارد. این کار توسط یک فلیپ فلاپ JK صورت می پذیرد. مطابق شکل شکل 7 طرح مربوط به سیستم کنترلی را نشان می دهد. کلیه مقادیر المان هاي به کار رفته در مدار جهت پایدراي سیستم است. شکل 4 -جریان بار جریان مرجع i طبق طرح کنترلی در شکل 7 تولید می شود. این طرح کنترلی مربوط به سیستم تکفاز است و قابل تعمیم به سیستم سه فاز نیز می باشد. کلاك پالس توسط یک منبع تولید موج مربع با فرکانس 50 کیلو هرتز ساخته می شود. تحلیل و شبیه سازي شکل 5- شکل 6- مدار APF سه فاز همراه با سنسورهاي اندازه گیري ولتاژ منبع و خازن APF و جریان ابتداي خط مدار APF تکفاز فاز همراه با سنسورهاي اندازه گیري ولتاژ منبع و خازن APF و جریان ابتداي خط در حالت بار نامی تکفاز(شکل 8) جریان مرجع در حدود 35 آمپر و جریان APF با مقدار ماکسیممی در حدود 80 آمپر جراین مرجع را تعقیب می کند. ولتاژ خازن دو سر اینورتر منبع ولتاژ نیز در بازه اي در حدود 400 ولت نیز در نوسان است. در شکل 9 در نصف بار نامی شاهد افزایشی در مقادیر جریان مرجع جریان APF و افت ولتاژ بیشتري در خازن در حدود 20 ولت بیشتر از حالت بار کامل خواهیم بود ولی THD جریان در این حالت نسبت به بار کامل کاهش یافته است.( در بار نامی در حدود 0.42 و در نصف بار نامی در حدود 0.28 می باشد) در شکل 10 در حالت سه فاز ماکسیمم جریان APF مربوط به فاز a است( iapf1 ) که در حدود 50 آمپر می باشد و جریان مرجع در حدود 30 آمپر می باشد. ولتاژ خازن در Vc در حدود 370 ولت به پایداري رسیده است. در نصف بار نامی افت ولتاژ خازن به میزان قابل توجهی کاهش یافته در محدوده 390 ولت قرار
1003 / 1004 می گیرد. مقادیر جریان هاي APF هر سه فاز به هم نزدیک شده و به پایداري بهتري رسیده اند. THD جریان نیز در اینجا در با نامی در فازa در حدود 0.85 در فاز b در حدود 0.62 و در فاز c در حدود 0.67 است حال آنکه در حالت نصف بار نامی این مقادیر به ترتیب براي فاز هاي 0.50 0.82 a,b,c و 0.51 می شود که نسبت به حالت بار نامی کاهش یافته است. (شکل 11 ) لازم به ذکر است که کلیه شبیه سازي ها و تحلیل و آنالیز داده ها با استفاده از نرم افزار PSIM صورت گرفته است. شکل 10- مودار جریان مرجع جریان APF هر سه فاز ولتاژ خازن دو سر اینورتر منبع ولتاژ در حالت سه فاز شکل 11 - نمودار جریان مرجع جریان APF ولتاژ خازن دو سر اینورتر منبع ولتاژ در نصف بار نامی در حالت سه فاز شکل 8- نموادرهاي جریان مرجع جریان APF و ولتاژ خازن دو سر اینورتر منبع ولتاژ در حالت تکفاز شکل 9- نمودار جریان مرجع جریان APF ولتاژ خازن دو سر اینورتر منبع ولتاژ در حالت تکفاز در نصف بار نامی نتیجه گیري در طرح کنترلی اراي ه شده در این مقاله با توجه به خروجی هاي مدار و شکل موج ها درمیابیم که با این سیستم کنترلی می توان به گونه اي موثرتر و بهینه هم جریان بار را جبران سازي کنیم و هم سیستمی پایدار داشته باشیم. مزایاي رسیدن ما به این اهداف کلی سیستم با استفاده از این طرح کنترلی ساده تر شدن مدار کنترل راحت تر و با توجه به این که از المان هاي کمتري نیز استفاده شده در نهایت در هزینه هاي طراحی و ساخت نیز صرفه جویی می شود. اضافه جریان یا کاهش آن و وجود هارمونیک ها می تواند سیستم ما را ناپایدار کرده و باعث ایجاد تلفات زیاد در سیستم شود که با توجه به این موضوع به ویژه بحث تلفات
1004 / 1004 در سیستم قدرت استفاده از APF با طرح کنترلی اراي ه شده می تواند به بهبود این شرایط و کاهش تلفات نیز کمک شایانی کند. منابع 1. Singh, B., Al-Haddad, K., Chandra, A.: A Review of Active Filters for Power QualityImprovement. IEEE Trans. Ind. Elect. (1999) Vol.46, N 5 2. Thomas, Th., Haddad, K., Joos., G, Jaafari, A.: Design and Performance of Active Power Filters, (1998), IEEE. Industry Application Magazine. 3. Jain, S. K., Agrawal, P. Gupta, H.O.: Fuzzy logic controlled shunt active power filter forpower quality improvement, IEE Proc Electr Power Appl., (2002), Vol.149, N 5 317-328. 4. Bhende, C. N., Mishra, S., Jain, S.K.: TS- Fuzzy-Controlled Active Power Filter for LoadCompensation. IEEE, Trans. on Power Delivery, (2006), Vol.21, N 3, 1459-1465. 5. Lettl, J., \Matrix converter induction motor drive," Proceedings of 12th International PowerElectronics and Motion Control Conference, 787{792, ISBN 1-4244-0121-6, Maribor, 2006. 6. Zheren Lai, Smedley, K.M., A family of continuousconducrian-mode power-factorcarrectiolcla ntrollers basedon the general pulsewidth modulator, IEEE Trans&tianran Power Electronics, ~01.13, (no.3), IEEE, May 1998.p.501-IO. 7. W. Dixon, "Control system for three-phase active filter whichsimultaneously compensates power factor and unbalanced loads,"ieee Trans. Ind. Electron., Vo1.42, Dec. 1995. 8. H. Akagi, Trends in active power line conditioners, IEEE Trans.Power Electron., vol. 9, pp. 263-268, May 1994