بخشی از مقاله
چکیده
امروزه به دلیل بازده بالا و تلفات کم مبدلهای تشدیدی نسبت به مبدلهای سنتی، گرایش به سمت این مبدلها روبه افزایش است. تلفات ناشی از فرکانس بالای کلیدزنی در این مبدل ها، یکی از مشکلات این روش است. در این مقاله روش کنترلی مبتنی بر فیدبک حالت به منظور حداقل کردن تلفات کلیدزنی ارائه گردیده است.
نتایج شبیه سازی و ساخت نمونه طراحی شده آن حاکی از حداقل شدن تلفات کلیدزنی در مبدل های مورد استفاده در کورههای القائی و سختکاری با استفاده از حداقل کردن تأخیر زمانی سیستم کنترل است. از مزایای اصلی این طراحی میتوان به ایزوله بودن ورودی نسبت به خروجی، پایین بودن تعداد المانهای مورد استفاده در مدار کنترلی و در نتیجه اقتصادیتر بودن ساخت سیستم کنترل اشاره نمود.
-1 مقدمه
در مبدلهای سنتی12F به دلیل عدم کلید زنی در جریان و ولتاژ صفر، وجود تلفات بالای کلیدزنی امری اجتناب ناپذیر است که در مرجع [9F1] به این موضوع پرداخته شده است. مبدل های تشدید23F، مبدلهایی هستند که امکان کلیدزنی در ولتاژ صفر و یا جریان صفر را به صورت ذاتی فراهم میکنند و همین امر سبب کاهش تلفات کلید زنی در آنها میشود. مبدلهای تشدید در مقایسه با مبدلهای خطی34F و مبدلهای مدولاسیون پالس45F دارای فواید بسیار زیادی از جمله تلفات کلید زنی پایین تر ، ساد تر بودن حذف نویزهای الکترومغناطیسی و استرس کمتر کلیدها برخوردارند.
یکی از مهم ترین خصوصیات این مبدلها کلید زنی در فرکانس بالاست که منجر به حجم پایینتر قطعات استفاده شده در مبدل میشود. از منظر کنترلی، سرعت سیستم کنترل در مبدلهای تشدید بالاتر است[10F2]، در مقابل به دلیل فرکانس بالای کلیدزنی و عناصر در حال تشدید دارای کنترل سختتری نسبت به مبدلهای سنتی میباشند.
مبدلهای تشدید دارای دودسته المان ذخیره کننده انرژی هستند : معمولا یک خازن خروجی دارا ی ثابت زمانی بالا و عناصر در حال تشدید دارای ثوابت زمانی کوچکتر نسبت به فیلتر خروجی. کنترل مبدلهای تشدید از طریق کنترل نسبت فرکانس کلیدزنی به فرکانس تشدید انجام میشود در گذشته از عناصر با ثابت زمانی بالا یعنی فیلتر خروجی برای کنترل استفاده میشد [11F3] اما امروزه کارشناسان به این نتیجه رسیدهاند که استفاده از عناصر در حال تشدید که دارای ثوابت زمانی کمتری هستند سبب کنترل بهتر مبدل خواهد شد .
در[12F4] به آنالیز فضای حالت مبدل های تشدید پرداخته شده است و تعدادی از روش های کنترل این مبدلها در [13F5] مورد بررسی قرار گرفته است. روش ارائه شده توسط این مقاله مبتی بر فیدبک از ولتاژ خازن و جریان سلف در حال تشدید می باشد. علت استفاده از این دو فیدبک رسیدن به کمترین ثابت زمانی از طریق جایابی قطبها در مکان دلخواه مبتنی بر روشهای فیدبک حالت میباشد . از آنجاییکه این مبدل عموما به عنوان مبدل تشدیدی در کوره های القائی مورد استفاده قرار میگیرد و در این نوع استفاده عدم وجود ریپل در ولتاژ خروجی از اهمیت برخوردار نمیباشد پس فیلتر خروجی نیز در این طرح جایی نخواهد داشت.
در مرجع [14F6] روشی مبتنی بر فیدبک های حالت برای کاهش تلفات کلیدزنی ارایه شده است. در این مقاله مستقل از تغییرات بار تلفات را تا حد قابل قبولی کاهش داده شده است . علت استفاده از فیدبک جریانی در کنترل مبدل، سادگی مدار کنترلی و افزایش سرعت پاسخگویی مدار کنترلی میباشد. استراتژی کلی این مقاله براساس کارکرد مدار در دو سطح انرژی است. نحوه به دست آوردن این سطوح انرژی در [4] مورد بررسی قرار گرفته است.
زمانی که کلید ها بسته میشوند سطح انژی مدار افزایش یافته و بعد از خاموشی کلیدها و عبور جریان از دیودهای معکوس موازی ترانزیستورها مقداری از شارژ به منبع باز میگردد . اما مشکل این روش داشتن تاخیر زمانی مربوط به درایو IGBT هاست که سبب میشود مدار در تشدید کامل کار نکند و که این خود سبب افزایش تلفات کلید زنی میشود.
در مرجع [15F7] با استفاده از خطیسازی و به دست آوردن روابط خطی بین ورودی و خروجی مبدل، روشی مبتنی بر روشهای کنترل خطی ارایه شده است. در این مقاله کنترل مبدل ازطریق فیدبک گرفتن از جریان سلف و ولتاژ خازن صورت گرفته است. در ابتدا معادلات حالت سیستم نوشته شده و سپس نرمال گردیده است. به دلیل غیر خطی بودن معادلات حالت سیستم با تقسیم زمان کاری مبدل به دو ناحیه در هر قسمت معادله دیفرانسیل خروجی یافته شده است.
این مقاله با هدف نزدیکسازی ولتاژ خازن در حال تشدید به سینوسی کامل سعی در ازبین بردن تلفات و تثبیت خروجی داشته، اما برای به دست آوردن ضریب فیدبک حالت روش خاصی ارائه نداده است. به همین دلیل این طرح نیز به طور کامل تلفات را حداقل نمیسازد . در این مقاله ساختار جدیدی از مبدلهای تشدید مورد بررسی قرار گرفته است.
در سال های اخیر با استفاده از کنترلر های میکرو و پردازنده های دیجیتال روش های مختلفی ارائه شده است. که از آن جمله میتوان به مرجع [16F8] اشاره نمود که تعداد بالای المان های مورد استفاده در مدار کنترلی از معایب آنها می باشد. در این مقاله سعی شده است با ارائه روشی سیستماتیک کنترل کننده مورد نظر طراحی گردیده است. نتایج شبیه سازیها و ساخت نمونه طراحی شده حاکی از برطرف شدن مشکلات قبلی و کاهش تلفات کلید زنی دارد.
-2 معادلات حالت حاکم بر مبدل
در این مدار کلیدهای Q1 و Q2، ترانزیستورهای IGBT با دوره عملکرد %50 هستند که در یک ساختار نیم پل16F قرار دارند. چهار دیود قرار داده شده در خروجی به منظور یکسوسازی ولتاژ مورد استفاده قرار می گیرد. همانگونه که در شکل 2 نشان داده شده، بار مورد استفاده در این مبدل از نوع اهمی نبوده و در دسته بارهای رلوکتانسی7F2 قرار میگیرد. در این صورت همواره خروجی مبدل به دو سر یک سیم پیچ3F8 اعمال میشود، در نتیجه از دید خروجی مبدل همواره شاهد اتصال کوتاه خواهیم بود.
