مقاله برشگر AC کاهنده - افزاینده بدون تغییر پلاریته ولتاژ ورودی

بخشی از مقاله

***  این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست  ***

برشگر AC کاهنده- افزاینده بدون تغییر پلاریته ولتاژ ورودي

واژههاي کلیدي: برشگر کاهنده-افزاینده، اختلاف فاز بین ولتاژ ورودي و خروجی، برآیند اغتشاش هارمونیکی

چکیده

برشگرهاي AC گونهاي از مبدل هاي AC هسـتند کـه اصولی همانند برشگرهاي DC داشته و به طور مشابه به سه دسته کاهنده، افزاینده و کاهنـده-افزاینـده تقسـیم مـیشـوند.

همانطور که میدانیم در برشگر AC کاهنده-افزاینده مرسـوم،پلاریته ولتاژ خروجی معکـوس ولتـاژ ورودي اسـت. در ایـن مقاله، جهت رفع این مشـکل، گونـهاي جدیـد از برشـگرهاي AC پیشنهاد میگردد که علاوه بر حداقل کردن تعداد عناصر پسیو مدار، پلاریته ولتاژ خروجی آن، با پلاریته ولتـاژ ورودي یکسان است. شبیه سازي هاي انجام شده بـا اسـتفاده از نـرم افزار Matlab/Simulink کارایی و کیفیت مبدل پیشنهادي را تایید میکنند.

-1 مقدمه

برشگرهاي AC خانوادهاي از مبدل هاي AC به AC کنتـرل شده به روش PWM هسـتند کـه از مبـدل هـاي DC بـه DC کاهنده1، افزاینده2، کاهنده- افزاینده3 و... مشتق مـیشـوند. بـه سبب مزایاي فراوان، همچـون قیمـت ارزان، قابلیـت اطمینـان بالا، سادگی مدار و سیستم کنترل، سـرعت پاسـخ دهـی بـالا، ضریب توان بالا و شکل موج هاي سینوسی ولتـاژ خروجـی و جریان منبع، استفاده از این ادوات در سیسـتمهـاي قـدرت در کاربردهایی خاص همچون کنترل ولتاژ و کنترل پخـش تـوان متداول است .[1]

مرجع [2] به معرفی برشگرهاي کاهنده، افزاینده، کاهنـده- افزاینده و کاك4 در حالت AC پرداخته و توپولوژي هـاي ایـن مبدلها به همراه کاربردهایی از آن ها را در دو حالت تک فاز و سه فاز آوردهمرجعاست. [3] جهت کاهش تلفـات کلیـدزنی به معرفی توپولوژي جدیدي از برشگر AC با تکنیک کلیدزنی چندگامی5 پرداخته است.
مرجع [4] علاوه بر ارائه مدار معادل حالت دائم برشگر کاهنده-افزاینده در حالت AC، روشی نیز جهت تعیین ضریب توان بخش ورودي پیشنهاد کرده است. همچنین به منظور حل مشکلات ناشی از کاهش ناگهانی6 یا افزایش ناگهـانی7 ولتـاژ ورودي، کنترل کنندهاي را جهت حفظ پایداري ولتاژ خروجی طراحی کرده است. در مراجع [5] و [6] توپولوژي جدیدي از برشگر کاهنده-افزاینده بدون تغییـر پلاریتـه ولتـاژ ورودي در حالت DC به همراه الگوریتم کلیدزنی ارائـه شـده اسـت؛ امـا تاکنون هیچ مدل جدیدي از برشـگر کاهنـده-افزاینـده بـدون تغییر پلاریته ولتاژ ورودي در حالت AC ارائه نشده است.

در این مقاله توپولوژي نـوینی از برشـگر کاهنـده-افزاینـده بدون تغییر پلاریته ولتاژ ورودي در حالت AC پیشـنهاد شـده است که از هشت کلید IGBT استفاده میکند که در دو گـروه چهار تایی دسته بندي میشوند. نحوه پالس دهـی بـه ایـن دو گروه به صورت مکمل میباشد. نتیجه، بدسـت آوردن شـکل موج AC در خروجی برشگر است که دامنه آن را می تـوان در مقداري بزرگ تر و یا کوچک تر از دامنه ولتاژ منبع تنظیم کـرد؛
بعلاوه فاز آن نیز بـر خـلاف برشـگر AC کاهنـده-افزاینـده متداول، با ولتاژ منبع یکسان است. هم فاز بودن ولتاژ خروجی بــا ورودي در بســیاري از کاربردهــاي کنترلــی، حفــاظتی، آزمایشگاهی و ... ضروري است.

-2 برشگر DC کاهنده-افزاینده مستقیم

در ارائه توپولوژي برشـگر AC کاهنـده-افزاینـده مسـتقیم پیشنهادي، از توپولوژي مداري مرجـع [6] بـراي برشـگر DC کاهنده-افزاینده مستقیم، شکل (1)، الهام گرفته شده است.

شکل :(1) برشگر DC کاهنده-افزاینده مستقیم (بدون تغییر پلاریته ولتاژ)

در طراحی این مبدل نیز مشابه سـایر برشـگرها از ترکیـب بازه هاي شـارژ و دشـارژ سـلف اسـتفاده شـده اسـت. بـدون افزایش تعداد سلف و خازن، این مبدل توانایی عملکرد در سه حالت کاهنده، افزاینده و کاهنده-افزاینده را دارد که بسـته بـه نوع طراحی و مسائل راندمان و غیره از ترکیبی از این حالتها استفاده می شود. نحوه کلید زنی این مبدل در حالت کاهنـده- افزاینده با سیکل وظیفه یکسان به این صورت است که هر دو کلید با فرکانس وسیکل وظیفه مشابهی کلیدزنی می شـونددر.این حالت عملکرد مبدل کاملا مشابه مبـدل کاهنـده-افزاینـده
خواهد بود و از بازههاي شارژ و دشارژ همـان مبـدل اسـتفاده می شود. اگر VO ولتاژ خروجی، E ولتاژ ورودي و iL جریان اندوکتانس باشد، با توجه بـه وضـعیت کلیـدها، دو وضـعیت عملکرد داریم:

١. کلیدهاي S1 وS2 روشن باشند:

.2 کلیدهاي S1 وS2 خاموش باشند:

بنابراین شکل موج حالت ماندگار جریان و ولتاژ سلف بـه شکل زیر است:

روابط حاکم بر شکل (2) عبارتند از:

کــه Imax و Imin حــداکثر و حــداقل جریــان انــدوکتانس هستند. نتیجه روابط فـوق، نسـبت ولتـاژ خروجـی بـه ولتـاژ ورودي مبدل خواهد بود:

-3 برشگر AC کاهنده-افزاینده مستقیم پیشنهادي نظر میگیریم:
با ایـده گـرفتن از برشـگر DC کاهنـده-افزاینـده مسـتقیم، توپولوژي شکل (3) را بـراي حالـت AC پیشـنهاد مـیکنـیم. صحت تحلیلی که براي این مدار ارائه خواهد شد به این دلیل است که فرکانس کلیدزنی بسیار بـزرگ تـر از فرکـانس مـوج اصلی است و می تـوان در هـر دوره تنـاوب کیلـدزنی، مـوج اصلی را ثابت در نظر گرفت.

کلیدهاي S1، S2، S5 و S6 بـا اسـتفاده از یـک مولـد پـالس گیت، سیگنال دهی میشـوند و کلیـدهاي S3، S4، S7 و S8 بـا استفاده از مولدي دیگر، که مکمل پالس هاي مولد اول را تولید میکند، کنترل میشوند.

نحوه کنترل کلیدها بدین صورت است که مولدهاي پـالس 1 با دوره تناوب Ts و سیکل وظیفه D و مولدهاي پالسنیز 2 بـا دوره تنـاوب Ts و سـیکل وظیفـه (1-D) و تـاخیر پـالس (D×Ts) نسبت به مولد یک، تولید پالس می کنند. با این نحـوه پالس دهی هیچ گونه تداخلی بـین کلیـدها، همچـون اتصـال کوتاه منبع، رخ نخواهد داد.

اگر ولتاژ ورودي را Vin  E sint و ولتـاژ خروجـی را Vout Vo sint در نظر بگیریم، جهـت اثبـات رابطـه بـین ولتاژ ورودي و ولتاژ خروجی، دو وضعیت عملکرد زیر را در نظر می گیریم.

کلیدهاي S1، S2، S5 و S6 روشن و کلیـدهاي S3، S4، S7 و S8 خاموش هستند و سلف در حال شارژ شدن است. شکل مدار به صورت زیر خواهد بود و جریان بـا رابطـه (6) بیان میشود.

.2 کلیدهاي S1، S2، S5 و S6 خـاموش و کلیـدهاي S3، S4،S7 و S8 روشن بوده و سلف در حال دشارژ شدن است. مدار به صورت زیر خواهد بود و جریان iL t با رابطـه (8) بیان میشود.

جریان در وضعیت کلیدزنی قبلی (شرایط اولیه براي وضـعیت کلیدزنی فعلی) بدست می آید. شکل موج جریـان انـدوکتانس در شکل (7) رسم شده است.

حال براي به دست آوردن رابطه بین ولتاژ ورودي و ولتـاژ خروجی، تفاضل بین Imaxi و Imini را در دو حالـت شـارژ سلف و دشارژ سلف به دسـت آورده و بـا یکـدیگر مقایسـه میکنیم.
الف) بازههاي شارژ سلف:
در این قسمت تفاضل مقادیر Imaxi و Imini را با اسـتفاده از فرمول (6) محاسبه کرده و براي به دست آوردن شیب هـر یک از خطوط شکل (7) این تفاضل را بر ضریبتقسیم DTs میکنیم.

در روابط فـوق E مقـدار مـاکزیمم ولتـاژ ورودي،دوره Tsکلیدزنی کلیدها، D سیکل وظیفه و n تعداد کل کلید زنـی در یک دروه تناوب ولتاژ ورودي است. با جمع مقـادیر Imaxi و Imini در رابطه فوق خواهیم داشت:

ب) بازههاي دشارژ سلف:

در این قسـمت نیـز تفاضـل مقـادیر Imaxi و Imini را بـا استفاده از فرمول (8) محاسبه کرده و بـراي بـه دسـت آوردن شیب هر یک از خطوط شکل (7) این تفاضـل را بـر ضـریب تقسیم میکنیم.

بـا جمـع مقـادیر در رابطـه فــوق خـواهیم داشت:

از برابر قرار دادن دو رابطه (10) و (12) به راحتی به نتیجهاي مشابهمتناظربرشگر کاهنده-افزایندهDC میرسیم:

-4 تعیین بازههاي مناسب براي انتخاب سلف و خازن مدار

کلیه تحلیل هاي ارائه شـده در ایـن بخـش و بخـش آتـی،مربوط به حالت عملکرد کاهنـده-افزاینـده بـا سـیکل وظیفـه یکسان هستند کـه عمـومی تـرین حالـت عملکـرد ایـن مـدار میباشد و در برگیرنده کلیه ویژگیهاي این مبدل است.

-1-4 روابط ولتاژ خازن (خروجی) در بازههاي شارژ و دشارژ
زمانیکه کلیدهاي S1 و S2 و S5 و S6 روشن و سایر کلیدها خاموش هستند، مدار معادل مشابه شـکل (5) بـوده و در ایـن حالت خازن مطابق معادله زیر به صورت خطـی دشـارژ مـی- شود:

در حالت فعـال بـودن کلیـدهاي S3 و S4 و S7 و S8 مـدار معادل مشابه شـکل (6) بـوده و در ایـن حالـت ولتـاژ خـازن رابطهاي به صورت زیر خواهد داشت:

براي دست یابی بـه حـداکثر سـرعت شـارژ خـازن و لـذا افزایش دینامیک و دقت مدل میانگین، باید مدار معادل شـکل (6) میرایی ضـعیف داشـته باشـد؛ لـذا رابطـه زیـر را بدسـت میآوریم:

رابطه فوق، محدودیتی جهت انتخاب سلف مدار ایجاد میکند. رابطه شارژ خازن نیز، به صورت زیر خواهد بود:

-2-4 اختلاف فاز بین ولتاژ ورودي و خروجی

با توجه به شکلهاي (5) و (6) ولتاژ سلف داراي رابطهاي به صورت زیر است:

در مدل متوسط، ولتاژ متوسط سلف در یک دوره کلیدزنی به صورت زیر قابل بیان است:

نظر به اینکه فرکـانس کلیـدزنی بسـیار بیشـتر از فرکـانس سیستم است، ولتاژ متوسط سلف به صورت تقریبی بـا رابطـه زیر بیان میشود: