بخشی از مقاله
چکیده -
امروزه در صنایع بسیار پیشرفته از قبیل باتری اسیدی زیردریاییها نیاز به شارژ با جریان بالا و ولتاژ کم بدلیل ظرفیت بالای خود دارند. از آنجا که مکان نصب مبدلها بسیار کم میباشد در این موارد به یک مبدل با حجم کم و راندمان بالا نیاز می باشد. همچنین شارژ باتریها نیاز به یک ولتاژ کم و جریان با ریپل کم میباشند و باید پایداری مناسبی داشته باشند و پاسخ دینامیکی آنها نیز بالا باشد.
رای اینکه بتوان به این مهم دست یافت از مبدل تمام پلی استفاده شده است که در روش سوییچینگ آن از روش شیفت فاز استفاده شده است که سبب افزایش چگالی توان میشود. در این تحقیق سعی شده است تا با استفاده از روش شیفت فاز و بکارگیری مبدلهای الکترونیک قدرت یک منبع تغذیه مناسب طراحی میگردد که بدون شک با بکارگیری روشهای نوین و توپولوژی جدید دارای نوآوریهایی در زمینه مورد اشاره خواهد بود.
-1 مقدمه
امروزه در صنایع بسیار پیشرفته از قبیل شتابدهنده - LHC - و همینطور شارژ باتری اسیدی در زیردریاییها و بسیاری از صنایع دیگر به سیستم تغذیه با ولتاژ کم و جریان بالای DC نیاز است. یکسو ساز سنتی توپولوژی ساده و معمولی در سیستم تغذیه باطریها دارند. ولی اغلب این منابع تغذیه برای عملکرد شارژر چند مرحله ای مناسب نمیباشند، به ویژه اینکه سطح ولتاژ باطریها پایین و جریان شارژ بالایی داشته باشند، مشکل توپولوژی توان و کنترل سطوح شارژ سخت تر میگردد.
بنابراین با ساختار پاسخ کند سیستم و سطوح ریپل بالا یکسوسازهای معمولی راه حل مناسبی برای مدل منابع تغذیه باطری ولتاژ پایین-جریان بالا نمیباشد. لذا راهکارهای دیگری همانند بکارگیری از مبدلهای DC/DC پیشنهاد میگردد. بعنوان مثال در LHC آهنرباهای بکار رفته در آن نیاز به جریان زیاد و ولتاژ زیاد دارند و باتری اسیدی زیردریاییها بدلیل ظرفیت بالا، نیاز به شارژ با جریان بالا و ولتاژ کم دارند. از آنجا که مکان نصب این مبدلها در کاربردهای گوناگون بسیار کم میباشد به یک مبدل با حجم کم و راندمان بالا نیاز داریم.
یکی از مبدلهایی که میتواند این کار را انجام دهد مبدلDC-DC میباشد ولی از آنجا که در مبدل DC-DC توان از 30 وات تا 50 کیلو وات میباشد به این دلیل نیاز است تا چند ماژول بصورت موازی قرار گیرند تا توان مورد نیاز را تامین کنند و این موضوع سبب پیچیدگی در روش کنترلی خواهد شد. برای اینکه بتوان چنین مبدلی ساخت باید یا از تکنیک سوییچینگ مناسب استفاده شود یا باید از ترانسفورماتور استفاده شود. در این پایان نامه از روش اول یعنی سوییچینگ استفاده میشود . با توجه به هدف پایان نامه در طراحی یکسوساز 50 ولت ، 2 کیلوآمپر با حداقل ریپل جریان در خروجی توپولوژی مورد نظر برای مبدل به سه قسمت اصلی میتواند تقسیم گردد
- یک یکسوساز دیودی در قسمت AC همراه با یک فیلتر L-C - 50 هرتز -
- اینورتر یکسوساز شیفت فاز 20 - کیلو هرتز -
- ترانسفورماتور فرکانس بالا و فیلتر خروجی.
در اینورتر شیفت فاز بجای آنکه سوییچها در اینورتر تمام پل بصورت قطری خاموش یا روشن شوند بصورت شیفت فاز که در پایه پلها تعریف میشود کلیدزنی انجام میپذیرد. این روش میزان توان خروجی را مشخص میکند و در یک فرکانس ثابت کنترل میشود. برای سوییچ پایه مقدم، انرژی مورد نظر برای خازنهای موازی با استفاده از سلفهای سری، اندوکتانس نشتی و اندوکتانس فیلتر خروجی تامین میشود،این بدان معنا میباشد که انرژی ذخیره شده بسیار زیاد میباشد. اما برای سوییچهای متاخر، - کلید زنی در ولتاژ صفر - ZVS با این شرط بدست میآید که خازنها فقط از انرژی موجود در سلف سری و اندوکتانس نشتی استفاده کنند. این نامتقارنی سبب میشود تا نتوان در بارهای کم هم این سوییچینگ نرم را حفظ کرد. اندازه اندوکتانس کموتاسیون نرم نیز با در نظر گرفتن دو موضوع اول اندوکتانس بزرگ، تا تاثیر زیادی از سیکل کاری کوچک تاثیر نپذیرد و دوم ZVS نیز در گستره زیاد جریان بدست آید .[1] طراحی منبع DC جریان بالا و ولتاژ پایین برای شارژ باتری به عنوان هدف اصلی در نظر گرفته شده است. حداقل ابعاد سیستم تغذیه به عنوان هدف دیگر در طراحی باید در نظر گرفته شود.
-2 پیشینه تحقیق
در مرجع [1] دو مدار پیشنهاد شده است که با استفاده از مبدل تمام پل و سوییچینگ نرم یک ولتاژ DC مناسب با ورودی 200 و 400 ولت AC بدست آید. یکی از روشها ترکیبی از یک مبدل تمام پل معمولی واستفاده از یک سوییچ سری در سمت DC ورودی بهمراه یک خازن اسنابر بدون تلفات کار میکند. تمام سوییچها چه در پایههای مبدل تمام پل و چه در سمتDC در حالت کلیدزنی در جریان صفر - ZCS - و ZVS دارند و این سبب میشود تا تلفات سوییچینگ بسیار کاهش یابد. بهمین دلیل میتوان فرکانس سوییچینگ را از 20 کیلوهرتز نیز افزایش داد.
در مرجع [2] روش جدیدی برای عملکرد یکسو ساز ارائه شده است که از یک سوییچ برای اولیه ترانسفورماتور استفاده شده است و برای یکسوسازی از تپ مرکزی ثانویه و یک دیود استفاده شده است. چنین روشی برای مبدل جریان بالا و ولتاژ پایین مناسب میباشد.
در مرجع [3] نیز سعی شده است با استفاده از ترانسفورماتور و روش سوییچینگ شیفت فاز یک مبدل تمام پل با مشخصه جریان بالا و ولتاژ کم طراحی کند و همچنین از این منبع تغذیه در ابر رسانای LHC استفاده کند.
باتری اسیدی زیردریاییها نیاز به شارژ با جریان بالا و ولتاژ کم بدلیل ظرفیت بالای خود دارند.[4] از آنجا که مکان نصب مبدلها بسیار کم میباشد در زیردریایی به یک مبدل با حجم کم و راندمان بالا نیاز داریم. همچنین شارژ باتریها نیاز به یک ولتاژ کم و جریان با ریپل کم میباشند و همچنین باید پایداری مناسبی داشته باشند و پاسخ دینامیکی آنها نیز بالا باشد. برای اینکه بتوان به این مهم دست یافت از مبدل تمام پلی استفاده شده است که در روش سوییچینگ آن از روش شیفت فاز استفاده شده است که سبب افزایش چگالی توان میشود.
-3 ساختار شبیهسازی
در شکل 1 نمای کلی شیبهسازی نمایش داده شده است. همانطور که مشخص میباشد ابتدا ولتاژ با استفاده از کانورتر سه سطحی از AC به DC تبدیل میشود پس از آن یک مبدل تمام پل قرار دارد که با کمک مدار رکتیفایر تجدید ساختار یافته بار را با جریان زیاد و ولتاژ کم با حداقل ریپل تغذیه میکند.
شکل :1 نمای کلی شیبه سازی
حال در شکل مبدل تمام پل بکار رفته در این تحقیق مشاهده میشود که همانطور در فصل قبل روش اجرایی توضیح داده شده است 2 خازن به دو خازن با سوییچهای پایه اول موازی قرار گرفتهاند.
شکل :2 مبدل تمام پل تغییر ساختار یافته
نحوه کنترل مبدل سه سطحی در شکل3 نشان داده شده است بدین صورت که برای کنترل ولتاژ لینک DC، ولتاژ اندازه گیری شده لینک DC با ولتاژ مرجع مقایسه میگردد و خطای آن وارد PI میشود و خروجی PI جریان رفرنس محور d میباشد و طبق استاندارد IEEE مقدار جریان مرجع محور q برابر با صفر میباشد.
پس از بدست آوردن جریان مرجع آن را با جریان اندازه گیری شده مقایسه کرده و خروجی آن که مقدار ولتاژ تصحیح میباشد به ولتاژ بدست آمده با روش فیدفوروارد اضافه میگردد تا ولتاژ مورد تولید گردد و ولتاژ لینک DC ثابت بماند.
