بخشی از مقاله
چکیده
منابع تغذیه 115 ولت، 400 هرتز عمدتا به دلیل حجم کوچکتر، بطور گستردهای برای تأمین برق هواپیماها، موشکها و تجهیزات نظامی مورد استفاده قرار میگیرند. در این کار تمام مراحل طراحی و ساخت سختافزار برد پردازشگر DSP ، برد اینورتر سهفاز و لینک DC انجام شده و درنهایت روش SPWM بر روی سیستم پیاده سازی گردیده است. برد پردازشگر DSP، مبتنی بر تراشه TMS320F2812، ساخت شرکت Texas Instruments میباشد.
این برد قابلیت ارتباط با رایانه از طریق پروتکل ارتباطی SCI و همچنین انواع JTAG Emulator برای برنامهریزی و دیباگ کردن پردازنده را دارد. در طراحی برد اینورتر سه ساق 3kW از بافر، اپتوکوپلر و گیت درایور برای ایزولاسیون کامل قسمت کنترل و قدرت و برای جداسازی زمینها و فراهم کردن دامنه مناسب برای پالسهای راهاندازی IGBTها از مبدلهای DC-DC یکپارچه استفاده شده است.
برای اندازهگیری جریان در هر ساق از یک ترانسدیوسر اثر هال بسیار دقیق مورد استفاده قرار گرفته است. درنهایت روش SPWM حلقه باز نیز روی سیستم پیادهسازی شده و مشخصات خروجی اینورتر بررسی و مقایسه شده است. در این روش مقدار THD برای ولتاژ و جریان خروجی اینورتر، به ترتیب برابر 87 درصد و 9 درصد، بدون فیلتر خروجی و با حضور بار RL در خروجی اینورتر میباشد.
-1 مقدمه
وظیفه سیستم الکتریکی در یک هواپیما تولید، تنظیم و توزیع برق در قسمتهای مختلف هواپیما میباشد. از نیروی الکتریسیته برای راه اندازی قسمتهای اویونیکی، آلات دقیق پرواز ی، سیستم های ضروری و بخش خدماتی به مسافران مانند روشنایی کابین، بکار اندازی دستگاههای سرگرم کننده استفاده میشود. علت اساسی استفاده از سیستمهای تغذیه 400 هرتز، روابط ولتاژ و فرکانس با اندازه ماشین الکتریکی در طراحی بوده که باعث پایین آمدن حجم و ابعاد فیزیکی این نوع موتورها و ژنراتورها میشود؛ به عبارت دیگر در طراحی ماشین در فرکانس بالاتر به المانهای مغناطیسی کوچکتری برای ساخت ماشین احتیاج است؛ که نتیجه این عامل جاگیری کم در محیطهای محدود مانند هواپیما و همچنین قابلیت تحرک و جابجایی خوب در استفادههای نظامی میشود.
هواپیماهای امروزی به دلیل استفاده وسیع از سیستم های پیشرفته اویونیکی و آلات دقیق پروازی به شدت به نیروی الکتریسیته وابسته هستند. بیشتر هواپیماهای مسافربری از هر دو جریان مستقیم - DC - و جریان متناوب - AC - استفاده میکنند. گرچه ولتاژهای متفاوتی در هواپیماها استفاده میشود ولی بیشتر هواپیماها از جریان مستقیم با ولتاژ 28 ولت و جریان متناوب سه فاز با ولتاژ 115 ولت و فرکانس 400 هرتز برای تأمین نیاز خود استفاده میکنند. واحد قدرت خارجی بر روی زمین از طریق یک دستگاه قدرت زمینی - GPU - ایجاد میشود که دارای انواع ثابت و متحرک میباشد که به طور معمول جریان متناوب را از طریق یک دوشاخه خارجی که در قسمت دماغه هواپیما وصل میشود به هواپیما منتقل میکنند.
واضح است که یک هواپیمای مسافربری به یک سیستم الکتریکی نیاز دارد که بتواند قدرت کافی برای تمام هواپیما ایجاد کند و همچنین بتوان آن را در قسمت مناسب هواپیما جا داد و دارای قابلیت اطمینان بالا باشد. برای تأمین این نیاز هواپیماها مهندسان و پژوهشگران بسیاری تلاش کردند و ثمره تلاش آنها را می توان امروزه در هواپیمای مسافربری مشاهده کرد2]،.[1 در این پروژه روش SPWM به کمک برد پردازشگر DSP روی یک اینورتر 400 هرتز پیادهسازی شده و همچنین تمام سخت افزار سیستم طراحی و ساخته شده است.
-2 طراحی برد DSP
سیستمهای الکترونیک قدرت بهطور معمول ترکیب پیچیدهای از عناصرخطی، غیرخطی و عناصر سوئیچینگ هستند. در کنترل این مبدلها الگوریتم کنترلی بین دو نمونه از سیگنالهای نمونهبرداری شده آنالوگ که به نویزهای فرکانس بالا نیز آلوده هستند باید اجرا شده و پالسهای راهاندازی سوئیچینگ با فرکانس بالا تولید شوند، همچنین به دلیل دینامیک سریع، این سیستمها بعد دیگری از پیچیدگی را به خود اضافه کردهاند. بهطور کلی سیستمهای الکترونیک قدرت با کنترل دیجیتال زمان -واقعی خواهان سرعتبالا جهت کنترل هستند که DSP ها این نیاز را برآورده کردهاند
در این پروژه برای کنترل اینورتر 400 هرتز به جای خرید برد آماده، برای کسب تجربه و صرفهجویی در هزینهها اقدام به ساخت برد شد. ابتدا کار طراحی نقشه شماتیک برد با نرمافزار Altium Designer v15.1 انجام شده و پس از تعریف فوت پرینتها، نقشه شماتیک به محیط PCB این نرمافزار منتقل شده و سپس طراحی برد PCB دولایه و متالیزه مطابق با اصول عدم تداخل و سازگاری الکترومغناطیسی، برای ارسال به کارخانه ساخت برد خام انجام شد. در شکل 1 تصویر برد ساخته شده نشان داده شده است.
این برد قابلیت ارتباط با رایانه از طریق JTAG امولاتورها و پورت RS-232 را دارا بود و توسط جامپرهای موجود بر روی برد مدهای راه اندازی برد تعیین می گردد. برای مدیریت توان و راهاندازی از تراشه MAX708RC استفاده شده است همچنین تمام پین های تراشه را در اختیار قرار می دهد. این برد، یک برد مستقل بوده که این اجازه را به کاربر میدهد تا امتحان کند که آیا پردازشگر مناسب کاربرد او میباشد یا خیر.[4-7] همچنین بهوسیله آن میتوان الگوریتمها را بصورت PIL بر روی این پردازشگر پیادهسازی نمود.
شکل : - 1 - تصویر برد DSP ساخته شده
-3 طراحی برد اینورتر
طراحی برد اینورتر شامل مدارات درایو و ایزولاسیون، مدار سنسور جریان، مدار اندازه گیری ولتاژ لینک DC از طریق تبدیل ولتاژ به فرکانس، مدار حفاظت و طراحی PCB طبق اطلاعات فنی ارائه شده توسط شرکت سازنده عناصر انجام شد. این برد بهطوری طراحی شده است که علاوه بر کارایی برای پیادهسازی اینورتر 400 هرتز برای استفاده در اینورترهای 60/50 هرتز و کنترل محرکههای الکتریکی نیز کاربرد داشته باشد. این برد قابلیت ارتباط با انواع میکروکنترلرها را داشته و پالسهای کنترلی وارد شده به برد پس از عبور از یک بافر 74HCT244 وارد یک اپتوکوپلر 6N137 شده و پس از جداسازی نوری پالس به یک گیت درایور فرستاده شده که این قطعه به کمک مبدل های dc-dc وظیفه راه اندازی سوئیچ های IGBT را دارند.
جریان گذرانده شده از هر ساق اینورتر توسط یک ترانسدیوسر جریان بسیار دقیق که قابلیت تبدیل جریان به ولتاژ بر اساس پدیده اثر هال، اندازهگیری شده و شکل موج آن در کانکتور سیگنالهای خروجی اینورتر ظاهر می شود. برای اندازهگیری ولتاژ لینک DC از یک تراشه مبدل ولتاژ به فرکانس استفاده شده است.[8-10] ولتاژ لینک DC برد ساخته شده در این پروژه 1200ولت بوده و 25 آمپر را میتواند در هر ساق تحمل کند. در شکل 2 تصویر برد آماده شده نشان داده شده است.
شکل : - 2 - تصویر برد اینورتر مونتاژ شده
-4 اجزاء و سختافزار اینورتر 400هرتز
در شکل 3 تصویر شماتیک کلی سختافزار اینورتر 400 هرتز پیاده-سازی شده نشان داده شده است. ورودی DC سیستم از طریق یک پل دیودی یکسوساز 1000ولت، 35 آمپر به شماره KBPC3510 و 5 عدد خازن الکترولیتی 680 میکرو فاراد 400 ولت استفاده شده است. 3 عدد از این خازنها موازی و 2 عدد دیگر بصورت سری در خروجی لینک DC بسته شدهاند. یک مقاومت وات بالا، 1.8 کیلو اهم با خروجی لینک DC موازی شده است تا بعد از خاموش شدن اینورتر خازنهای لینک DC را دشارژ کند.
ورودی لینک DC از طریق واریاک تامین میشود. تغذیه مدار برد اینورتر از طریق یک آداپتور 5 ولت 1 آمپر تامین میشود. برای ارتباط سنسورهای جریان با بخش ADC برد پردازشگر از کابل کواکسیال ضد نویز استفاده شده، البته در مرحله اول انجام این پروژه اینورتر بصورت حلقه باز پیادهسازی شده است. برای کنترل برد DSP از یک JTAG امولاتور XDS100 v2 متصل به رایانه و از طریق نرم افراز CCS استفاده شده است.
با توجه به اینکه اکثر مواقع بارهای موجود در شبکه و خروجی اینورترها بارهای سلفی هستند و برای نمایی کردن شکل موج جریان، از یک بار RL سری بصورت اتصال ستاره در خروجی اینورتر استفاده کردیم. برای سلف بار از یک حلقه سیم پیچ هسته هوایی با سیم نمره 0.5میلیمتر با خودالقایی 10 میلی هانر ی و مقاومت سیمپیچی 6 اهم و برای مقاومت بار از یک المنت تنگستنی با مقاومت 35 اهم استفاده شده است.
شکل : - 3 - شمای کلی سختافزار اینورتر 400 هرتز
-5 شبیهسازی PWM سینوسی برای اینورتر 400 هرتز
پیادهسازی اینورترها به روش SPWM یکی از شناخته شدهترین و پرکاربردترین روشها میباشد که در انواع اینورترها و UPSهای 60/50 هرتز و 400 هرتز کاربرد دارد. در این روش برای تولید پالسهای PWM، سیگنال سینوسی با فرکانس 400هرتز - موج مدوله کننده - با یک سیگنال مثلثی و یا دندانه ارهای - موج حامل - فرکانس بالا که فرکانس سوئیچینگ را نیز تعیی ن میکند، دائما مقایسه میشود که حاصل این تولید پالسهایی با دوره کاری - Duty - cycle متفاوت میباشد که حاصل انتگرالگیری آن توسط فیلتر پایین گذر و یا بار سلفی و خازنی همان موج مدوله کننده 400هرتز در خروجی اینورتر - با دامنه و توان بالا - خواهد بود. در شکل 4 مراحل تولید PWM سینوسی نشان داده شده است.
شکل : - 4 - روش کلی تولید PWM سینوسی
در پیادهسازی آنالوگ، سیگنال مثلثی حاصل انتگرالگیری از موج مربعی بوده و سیگنال سینوسی توسط یک اسیلاتور تولید میشود، واحد مقایسه کننده نیز معمولاً با تقویتکننده عملیاتی میباشد. ولی در پیادهسازی دیجیتال همه این قسمتها بصورت یکپارچه توسط برنامهریزی قسمتهای مختلف مانند تایمرهای یک میروکنترلر ایجاد میشود.[11] با توجه به اهمیت این روش پرکاربرد قبل از پیاده-سازی سختافزاری تصمیم به شبیهسازی آن در محیط نرمافزار MATLAB برای اینورتر 400هرتز گرفتیم که سیستم شبیهسازی شده در شکل 5 نشان داده شده است.
شکل : - 5 - اینورتر 400 هرتز شبیهسازی شده در MATLAB
در شبیهسازی SPWM اینورتر 400 هرتز تمامی پارامترهای سیستم همانند حالت عملی پیادهسازی سختافزاری میباشد. در جدول 1 مشخصات سیستم شبیهسازی شده آمده است و شکلهای 6 و 7 نتایج آن را تأیید میکنند.
جدول : - 1 - مشخصات اینورتر 400 هرتز شبیهسازی شده
شکل : - 6 - طیف هارمونیکی جریان خروجی اینورتر SPWM
شکل : - 7 - شکل موج جریان خروجی اینورتر SPWM - یکی از فازها -
معمولاً در خروجی اینورترهای SPWM از فیلترهای LC و یا LCL برای حذف هارمونیکها و نویزهای کلیدزنی استفاده میشود.
