بخشی از مقاله
چکیده
اهمیت انرژي با توجه به گسترشکاربردها خصوصاً کاربردهاي حیاتی آن روزانه در حال افزایش است. وسایل الکترونیکی همراه در کاربردهاي روزمره، نظامی و پزشکی و نیاز آن وسایل به انرژي یکی از آن کاربردهاي مهم میباشد. براي تأمین انرژي این وسایل علاوه بر اهمیت نحوه تولید انرژي، پردازش آن نیز باید مورد توجه قرار گیرد.
با توجه به روش استفاده شده در تولید انرژي، انرژي خام تولید شده صورت خاص و مشخصی دارد که براي استفاده آن توسط ابزار مورد نظر باید به شکل مناسب تبدیل گردد؛ به عبارت دیگر انرژي باید مورد پردازش قرار گیرد. در این تحقیق یک مبدل افزاینده براي تبدیل انرژي تولید شده توسط برداشتگرهاي انرژي الکترومغناطیسی با بازده بالا و تعداد المان کم معرفی میشود. نتایج شبیهسازي ضمن تأیید عملکرد مطلوب مبدل نشاندهنده بازده مناسب آن است. همچنین مبدل پیشنهادي به همراه برداشتگر انرژي ساخته شده است و نتایج به صورت عملی نیز مورد بررسی قرار گرفتهاند.
.1 مقدمه
افزایش روز افزون استفاده از وسایل الکترونیکی همراه در کاربردهاي روزمره، نظامی و پزشکی و نیازمندي آنها به انرژي باعث شده تا به روشهاي تأمین انرژي این وسایل توجه گردد. در این میان انرژيهاي تجدید پذیر به سبب ماهیت و در دسترس بودن از جایگاه ویژهاي برخوردار هستند.
به عنوان مثال میتوان به تأمین انرژي به وسیله پیزوالکتریکها [5]-[2] ، ژنراتورهاي ترموالکتریک [5] یا برداشتگرهاي انرژي الکترومغناطیسی [5] و [6] اشاره نمود. با توجه به منبع اولیه براي تأمین انرژي هر کدام از این روشها، کاربردهاي متفاوتی پیدا خواهند کرد. به عنوان مثال ژنراتور ترموالکتریک در بسترهایی قابل استفاده میباشد که شار انرژي گرمایی – تغییرات دما- وجود داشته باشد در حالیکه براي استفاده از پیزوالکتریکها باید لرزش یا فشار وجود داشته باشد.
از دیدگاه دیگر نیز میتوان این روشها را مورد بررسی قرار داد؛ به عنوان مثال بازده ژنراتورهاي ترموالکتریک موجود بسیار کم میباشد و براي تولید توانهاي کم مورد استفاده قرار میگیرد اما بازده برداشتگر الکترومغناطیسی قابل قبول است و براي تولید انرژي در مقیاسهاي بزرگ تا مقیاسهاي کوچک مورد استقاده قرار میگیرد.
پس از تولید انرژي توسط هر یک از روشهاي یاد شده باید انرژي را بصورت قابل استفاده توسط ابزارهاي الکترونیکی تبدیل نمود. شکل انرژي تولید شده توسط هر روش مخصوص به خود میباشد؛ به عنوان مثال شکل موج تولید شده توسط پیزوالکتریکها شبه ضربه ایست [2] در صورتیکه شکل موج تولید شده توسط برداشتگر الکترومغناطیسی شبه سینوسی است. شکل موج مطلوب و قابل استفاده در اکثر ابزارهاي الکترونیکی DC است و باید شکل موج تولید شده توسط برداشتگر انرژي مورد استفاده در نهایت به DC تبدیل گردد. واضح است کار با شکل موج شبه سینوسی که توسط برداشتگر الکترومغناطیسی تولید میشود سادهتر از شبه ضربه میباشد.
در این نوشتار یک مبدل جدید AC/DC افزاینده براي تبدیل و کنترل ولتاژ خروجی شبه سینوسی برداشتگر الکترومغناطیسیِ موجود در [1] پیشنهاد، شبیهسازي و ساخته میشود. این مبدل بر اساس مبدل مرسوم بوست پایهریزي میشود ولی با توجه به ماهیت برداشتگر انرژي الکترومغناطیسی تغییراتی در راستاي بهبود عملکرد و کاهش المانها در آن اعمال میگردد.
در ادامه در بخش دوم جهت ورود به بحث یک معرفی اجمالی از مبدل افزاینده مرسوم و همچنین مدار الکتریکی معادل برداشتگر انرژي الکترومناطیسی بیان خواهد شد. در بخش سوم مبدل جدید و مناسب براي برداشتگر الکترومغناطیسی معرفی میگردد. در بخش چهارم و پنج به ترتیب با شبیهسازي و به صورت عملی صحت عملکرد مبدل تأیید میگردد. در انتها و در بخش شش نتیجه گیري بیان میشود.
.2 معرفی مبدل افزاینده و مدار معادل برداشتگر الکترومغناطیسی
مبدل افزاینده یا boost یک ولتاژ DC را به ولتاژ DC دیگر با سطح بالاتر با راندمان بالا منتقل میکند. نماي مبدل افزاینده در شکل 1 آمده است. رابطه ولتاژ خروجی بر حسب ولتاژ ورودي در ناحیه عملکرد صحیح مبدل به صورت 1 D V in 1 V out است که D ضریب وظیفه سیگنال کنترلی اعمال شده به گیت سوئیچ –ماسفت- میباشد. از آنجا که D کوچکتر از یک است بنابراین مقدار ولتاژ خروجی بزرگتر از ورودي است .[7] در ادامه قصد آن را داریم که با استفاده از این ساختار ولتاژ خروجی برداشتگر الکترومغناطیسی را که سطح کمی دارد به یک ولتاژ بالاتر منتقل نماییم. براي این کار برداشتگر الکترومغناطیسی موجود در [1] براي این کار انتخاب شد.
در ابتدا باید این برداشتگر به صورت مداري مدل شود. یک برداشتگر انرژي الکترومغناطیسی را میتوان به صورت شکل 2 مدل کرد .[8] در خروجی این مدار یک ولتاژ شبه سینوسی وجود دارد که این شکل موج براي اکثر لوازم الکترونیکی غیر قابل استفاده میباشد
و لازم است که به صورت DC تبدیل شود. به عنوان مثال شکل 3 ولتاژ خروجی مدار باز برداشتگر انرژي [8] را نشان میدهد. براي تبدیل این شکل موج به ولتاژ DC ابتدا باید یکسو شود که از یکسوساز تمام پل استفاده شده است. ولتاژ DC بدست آمده در خروجی خازن کم است و نیاز است مقدار آن افزایش یابد. در ادامه ابتدا با یک مبدل افزاینده معمول سطح ولتاژ تا حدي افزایش داده میشود و در ادامه با توجه به مدار معادل برداشتگر و همچنین مدار بوست با سادهسازي هم امکان افزایش بیشتر ولتاژ فراهم میشود و هم از تعداد المانهاي مبدل کاسته میشود.
شکل .1 نماي مبدل بوست
شکل .2 مدار معادل برداشتگر انرژي الکترومغناطیسی
شکل .3 شکل موج شبه سینوسی در خروجی مدار باز برداشتگر انرژي الکترومغناطیسی [8]
.3پیشنهاد مبدل
همانطورکه اشاره شد در ابتدا باید خروجی برداشتگر - Vout,a - توسط یکسوساز تمام موج به ولتاژ DC با ریپل کم تبدیل میشود. پس از آن میتوان با قرار دادن مبدل افزاینده سطح ولتاژ به سطح بالاتر و مطلوب رساند و همچنین نوسانات را تا حد زیادي تثبیت نمود. شکل 4 نماي برداشتگر الکترومغناطیسی را به همراه یکسوساز تمام موج و مبدل افزاینده معمول نشان میدهد. براي تحلیل، مدار در نیم سیکل مثبت فرض میشود که مدار معادل آن در شکل 5 رسم شده است.
در این نیم سیکل دو دیود Drect,1 و Drect,3 هدایت میکنند. با فرض اینکه Crect به اندازه کافی بزرگ باشد؛ مستقل از وصل یا قطع بودن سوئیچ swولتاژ آن تقریباً ثابت و برابر بیشینه Vout,a منهاي 2Vγ است. یعنی میتوان از Crect به قبل را با یک منبع و لتاژ ثابت مدل کرد. در حالتیکه sw روشن باشد Lboost تا جریان بیشینه شارژ شده و با خاموش شدن sw دیود Dboost روشن میشود و خازن خروجی یا همان Cboost را شارژ میکند.
با توجه به مدار معادلی که در شکل 5 آمده است میتوان یک ساده سازي در مدار انجام داد. چنانچه خازن موازي Crect از مدار حذف شود دو سلف Lc و Lboost با هم سري میشوند و با فرض اینکه Lboost به اندازه کافی بزرگ باشد میتوان Lc را از مدار حذف نمود بدون اینکه در عملکرد مدار خللی ایجاد شود. اکنون فقط باید این امکان بررسی شود که آیا امکان حذف خازن Crect وجود دارد یا خیر. براي این منظور کافیست به وظیفه این خازن توجه نمود. وظیفه این خازن تثبیت ولتاژ در حد قابل قبولی است آنچنان که تغییرات ولتاژ ورودي مبدل نسبت به دوره تناوب سیگنال کنترلی سوئیچ ناچیز باشد.
شکل .4 مدار I، برداشتگر انرژي الکترومغناطیسی، یکسوساز تمام موج و مبدل افزاینده معمول
