بخشی از مقاله
چکیده
در این مقاله، یک مبدل پیشنهادی که از ترکیب پل یکسوساز و مبدل بوست برای ایجاد اصلاح ضریب توان می باشد، معرفی شده است. بازدهی مبدل پیشنهادی با حذف کردن دو دیود از پل دیود بهبود می یابد و با کاهش پل دیود، از دو سوئیچ اصلی برای هدایت مبدل استفاده می شود و نیاز به کلید جانبی برای ایجاد سوئیچینگ نرم نمی باشد. با استفاده از خازن رزونانس و قسمت ثانویه سلف کوپل شده تکنیک سوئیچینگ جریان صفر برقرار می شود و مبدل قادر است درمد هدایت پیوسته عمل کند. جزئیات عملکرد مبدل برای سطح توان400 وات شبیه سازی شده است و نتایج ان در بخش های بعد ارائه شده است.
کلید واژه مبدل پل کاهش یافته بوست، اصلاح ضریب توان، سوئیچینگ جریان صفر، کنترل ولتاژ خروجی DC
مقدمه
در صنعت برق مسائل مربوط به کیفیت توان از اهمیت ویژه ای برخوردار است. روند رو به رشد استفاده از دستگاه های الکترونیکی با توجه به تقاضا و نیاز بازار سبب شده است که تعداد یکسوسازهای متصل به شبکه روز به روز افزایش یابند. از انجا که یکسوساز ها به عنوان یک بار غیر خطی محسوب می شوند، فرکانس هایی به غیر از فرکانس های شبکه تولید می کند که باعث اعمال هارمونیک جریان به شبکه شده و جریان را از حالت سینوسی خارج می کنند.
جریان های هارمونیکی موجب کاهش کیفیت توان تولیدی و در نهایت کاهش ضریب توان می شوند که در توان های بالا یک مشکل اساسی محسوب می شوند - -500 200 وات و سطح بالاتر - . برای دستیابی ضریب توان واحد، مطالعات و تحقیقات گسترده ای انجام شده است که با توجه به استانداردهای بین المللی اخیر ازجمله IEC-1000-3-2 و IEEE-519راهکار های موثری برای ایجاد ضریب توان واحد ارائه شده است.
عموما یکسوسازها دارای ساختار دیودی یا تریستوری جهت فراهم کردن توان DC کنترل شده یا کنترل نشده و تزریق توان به صورت یک جهته یا دو جهته می باشند. این نوع ساختار شامل کیفیت توان پایین می باشند و دلیل ان، تزریق جریان های هارمونیکی می باشد که منجر به اعوجاج ولتاژ، ضریب توان ضعیف در برق AC ورودی، تغییرات ریپل ولتاژ خروجیDC، بازدهی پایین و سایز بزرگ می شوند. در یکسوساز ها برای بهبودی ضریب توان بار و کاهش هارمونیک ها از فیلترهای پسیو استفاده میکنند.
فیلترهای پسیو در ابتدا به عنوان یک راه حل قوی بیان می شوند، منتها این گونه مدارات دارای حجم بزرگ و وزن بالایی می باشند و نسبت به تغییرات بار عملکرد مناسبی ندارند. برای بهبود عملکرد و پاسخ دهی مناسب در تغییرات بار از روش های اصلاح ضریب توان اکتیو استفاده می شود. در این روش از کلید های کنترل شونده حالت جامدی همراه با المان های پسیو از قبیل مقاومت، سلف و خازن استفاده می کنند و همچنین از یک خازن بزرگ در خروجی برای کنترل و تثبیت ولتاژ DC استفاده می شود.
این روش مناسب برای فرکانس های راه اندازی پایین می باشند و دارای حجم و وزن بالایی همراه با افزایش پیچیدگی ساخت و کاهش استحکام می باشند. پیچیدگی ساخت، افزایش هزینه ها و همچنین کاهش قابلیت اطمینان در یکسوسازها موجب شده است که برای اصلاح ضریب توان از مبدل های DC در کنار یکسوسازها استفاده شود. ازجمله کاربردهای مبدل های AC-DC را می توان به درایوهای تنظیم سرعت، مد راه انداز توان های تولیدی، توان های تولیدی بدون وقفه و ذخیره سازی انرژی باتری اشاره کرد.
پرکاربرد ترین مبدل DC مورد استفاده، مبدل بوست می باشد. ترکیب مبدل بوست و یکسوسازها ساده ترین راه برای دستیابی به اصلاح ضریب توان می باشد. در یکسوسازهای بوست معمولی، همواره جریان از میان سه نیمه هادی عبور می کند و دارای تلفات هدایت بالایی می باشند و از سوی دیگر، مبدل بایستی در فرکانس راه اندازی بالا عمل کند که در ولتاژهای بالا، تلفات بازیابی معکوس دیودها در مد راه انداز سخت ایجاد می شوند که باعث افزایش تلفات کلید زنی تلفات، تداخل مغناطیسی و لازمه کنترل حرارت می باشند و در ولتاژ های پایین باعث ریپل های بزرگ جریان می شوند که موجب افزایش تلفات هدایت و اسیب دیدن قطعات می شوند.
برای برطرف کردن نمودن مشکلات تلفات هدایت می توان از روش پل کاهش یافته بوست استفاده کرد. در این روش با کاهش المان های مسیر جریان در مقایسه با یکسوساز بوست معمولی، میزان تلفات هدایت کاهش می یابد. مطابق الف - یک مبدل بوست پل کاهش 1 - BLB - را نمایش می دهد که در مد راه اندازی سخت عمل می کند و تلفات کلید زنی بالایی را در فرکانس سوئیچینگ بالا تحمل می کند. با تغییر پوزیشن D2 و S1 مطابق ب - نمونه دیگری از مبدل پل کاهش یافته بوست 2 - TPBLB - نمایش داده شده است. این مبدل به دلیل عملکرد بازیابی معکوس دیودها متناسب برای مد عملکردی ناپیوسته یا مرز 3CCM/DCM می باشد و عملکرد ان در مد هدایت پیوسته غیر عملی می باشد.
یک مبدل پل یکسوساز بوست توسعه یافته برای اصلاح ضریب توان پیشنهاد شده است. در این مبدل از یک سلف کوپل شده، مدار کلمپ و مدار رزونانسی برای بهبود عملکرد مبدل پایه پل کاهش یافته بوست استفاده شده است. با استفاده از تکنیک راه اندازی نرم در این مبدل عملکرد ان در مد هدایت پیوسته امکان پذیر می باشد که در بخش دوم بیان شده است. در مبدل پیشنهادی پل کاهش یافته بوست میزان المان های مسیر جریان کاهش می یابد و بازدهی مبدل بالا می باشد. عملکرد مبدل پیشنهادی شبیه سازی و در بخش سوم نتایج شبیه سازی موجود می باشد و در قسمت پایانی یک نتیجه گیری کلی بیان شده است.
معرفی مبدل اصﻻح ضریب توان بوست پیشنهادی
شماتیک کلی مبدل پل کاهش یافته بوست پیشنهادی ارائه شده است. این مبدل شامل دو کلید اصلی S1 و S2 می باشد که وظیفه هر کلید در هر نیم سیکل تغییر می کند. به طوریکه در نیم سیکل مثبت عمل هدایت توسط کلید S1 انجام می شود و کلید S2 بعد از مدت زمانی مدار رزونانسی را وارد مدار می کند و در نیم سیکل منفی عکس می باشد. این مبدل قادر است که به صورت دو جهته هدایت کند و زمانی که کلید ها در وضعیت روشن باشند از بالا به پایین و در زمان خاموش بودن کلید ها بر عکس می باشد.
سلف های بوست L1 و L2می باشد. مبدل همچنین شامل سلف کوپل شده که نسبت دور اولیه و ثانویه برابر است - - n1=n2 و مدار کلمپ که شامل خازن CC دیود کلمپ DC می باشد. دیود D3 به عنوان دیود بوست، خازن Cr به عنوان خازن رزونانس و ازقسمت ثانویه سلف کوپل شده به عنوان سلف رزونانس استفاده شده است. خازن CO عنوان خازن خروجی می باشد.
بررسی عملکرد مبدل پیشنهادی
در این بخش، به بررسی دقیق مد های عملکردی مبدل پیشنهادی بیان خواهد شد. همچنین برای بررسی دقیق تر مبدل پیشنهادی، از یک مدل سلف کوپل شده که جهت قراردادی جریان و ولتاژ ان که مشخص است، استفاده می شود. خازن خروجی CO و خازن کلمپ CC را به اندازه ای بزرگ در نظر گرفته شده است که برای عملکرد دائمی ولتاژ ان را ثابت در نظر گرفته می شود. با توجه به مطالب بیان شده مد های عملکردی در 10 دوره بازه زمانی یک سوئیچینگ مشخص شده است و برای هر یک از این بازه های زمانی یک مدار معادل ترسیم نمود. همچنین شکل موج های نظری عملکرد مبدل پیشنهادی است.
در شرایط اولیه قبل از مد اول، با تصور اینکه D1، CC، D3 و DS1 در وضعیت هدایت قرار دارند. مقدار انرژی ذخیره شده در سلف کوپل شده برابر با جریان Iin می باشد و ولتاژ خازن رزونانس برابر با صفر است. مد اول، در لحظه t0 زمانی که کلید S1 تحت سوئیچینگ نرم راه اندازی می شود و جریان سلف کوپل شده به صورت خطی از مسیر DC، D3 و DS2 کاهش می یابد. در لحظه t1 مقدار انرژی سلف کوپل شده برابر با صفر می شود اما همچنان انرژی ذخیره شده در المانLm وجود دارد. D3 تحت شریاط ZC خاموش می شود.
