بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
طراحی و شبیه سازی اینورتر 115 ولت 400 هرتز با استفاده از نرم افزار PSIM
چکیده:
در این مقاله، طراحی و شبیه سازی یک اینورتر استاتیکی 400 هرتز با استفاده از نرم افزار PSIM به منظور جایگزینی با اینورتر دینامیکی ارائه می شود. ولتاژ ورودی این اینورتر 27 ولت DC و ولتاژ خروجی آن تک فاز 115ولت با فرکانس 400 هرتز است. با طراحی کنترل PID دیجیتال، بهره اینورتر و پهنای پالس مدولاسیون PWM درون آن به گونهای تغییرمی کند که رگولاسیون ولتاژخروجی ثابت و THD کمتر از 5 درصد حاصل گردد. جایگزینی اینورتر استاتیکی باعث کاهش جریان راهاندازی اولیه از 40 آمپر به کمتر از 10 آمپر می شود. اینورتر استاتیکی به صورت مدولار طراحی شده و بلوکهای داخلی آن به صورت کاملا مستقل از هم عمل میکنند. همچنین سیستم عیب یاب طراحی شده مشکلاتی از قبیل ولتاژ و جریان بالا، خرابی بلوکهای داخلی وغیره را نمایش می دهد. نتایج این تحقیق نشان می دهد اینورتر استاتیکی طراحی شده مزایای زیادی نسبت به نوع دینامیکی دارد.
کلمات کلیدی: اینورتر، مدولاسیون، مبدل سوئیچینگ، تقویت کننده پوش پول، THD
.1 مقدمه
اینورتر مبدلی است که عمل تبدیل ولتاژ یا جریان را از شکلی به شکل دیگر انجام میدهد. در تحقیق مورد مطالعه ما عمل تبدیل ولتاژ DC به AC مورد نظر است و در اصطلاح علمی به آن اینورتر ولتاژ اطلاق میگردد. امروزه اینورترهای ولتاژ و یا مبدلهای DC/AC کاربرد وسیعی در صنایع نظامی و غیرنظامی یافته اند. نمونه هایی از کاربرد این نوع مبدل ها در تهیه منابع تغذیه AC، منابع تغذیه بدون وقفه 3، درایو موتورهای AC و کورههای القایی میباشد. در این نوع مبدلها لازم است که ولتاژ و فرکانس خروجی کنترل شود. برای این منظور اگر ولتاژ DC اعمال شده به اینورتر یک منبع DC قابل کنترل باشد، استفاده از یک مبدل با ضریب تبدیل ثابت جهت تنظیم دامنه ولتاژ خروجی کافی خواهد بود. اما در صورتی که ولتاژ منبع ورودی قابل کنترل نباشد، میتوان جهت تنظیم ولتاژ و فرکانس خروجی از روشهایی نظیر مدولاسیون پهنای پالس یا PWM4 و روش کنترل فرکانسی استفاده نمود.
در این مقاله طراحی یک اینورتر تکفاز 27 ولت به 115 ولت سینوسی و با فرکانس400 هرتز بیان می گردد و سپس با نرم افزار PSIM شبیه سازی شده و نتایج مورد بررسی قرار می گیرد. این مبدل قابلیت تنظیم ولتاژ خروجی را تحت تغییرات ولتاژ ورودی، تغییرات دمایی و ارتعاشات داراست. در ضمن مبدل مذکور جهت حفاظت در برابر خطا، مجهز به مدارات حفاظت اضافه ولتاژ و حفاظت اضافه جریان میباشد. از اینرو در راستای شناسایی سیستم، معرفی کلیات، بلوکدیاگرام سیستم، تحلیل رفتار سیستم و شرح رفتار اجزای مختلف آن صورت میگیرد.
شکل (1) بلوک دیاگرام کلی سیستم را نشان میدهد.
شکل-1 بلوک دیاگرام اینورتر استاتیکی پیشنهادی
جهت تغذیه مدار اسیلاتور و آیسیهای بکار رفته در مدار نیاز به تغذیه 5 ولت و جهت تغذیه مولد PWM نیاز به تغذیه 12 ولت میباشد. ولتاژهای مذکور به ترتیب بوسیله رگولاتور خطی ولتاژ از خط تغذیه 27 ولت تامین میگردند. از آنجا که سیگنال های مربعی تولید شده توسط اسیلاتور به تنهایی قادر به راه اندازی گیت ترانزیستورهای طبقه قدرت نخواهند بود، لذا از یک طبقه پوشپول میانی جهت راه اندازی طبقه خروجی استفاده میگردد. سپس سیگنال های فرمان به ترانزیستورهای طبقه قدرت اعمال میشوند تا سیگنال مربعی با دامنه قابل کنترل تولیدشود. در نهایت سیگنال مربعی تولید شده در طبقه قدرت به وسیله فیلتر و ترانسفورماتور به سیگنال سینوسی 115 ولت، 400 هرتز را تبدیل مینمایند. سیگنال سینوسی بدست آمده دارای هارمونیک های نامطلوب فرکانس بالایی میباشد که بوسیله یک فیلتر LC پایینگذر حذف میگردند.
بخش دوم اینورتر را مسیر فیدبک و مدارات حفاظتی تشکیل میدهند. برای این منظور نمونههای جریان و ولتاژ خروجی از طریق ترانسفورماتورهای جریان و ولتاژ به قسمت حفاظت و کنترل پسخورد میشوند. در بخش حفاظت، مقادیر پسخورد شده پس از یکسوسازی و تبدیل به ولتاژ DC با مقادیر مرجع حداکثر جریان و حداکثر ولتاژ مقایسه گردیده و در صورت ورود به ناحیه غیر مجاز، سیگنال قطع را برای غیر فعال نمودن مولد PWM ایجاد مینمایند. وظیفه بخش کنترل، تنظیم ولتاژ خروجی میباشد. این مبدل از روش کنترلی PWM جهت تنظیم ولتاژ باس DC استفاده مینماید تا ولتاژ خروجی در سطح 115 ولت AC تثبیت گردد. برای این منظور نمونه ولتاژی از ولتاژ AC گرفته شده و پس از تضعیف بوسیله ترانسفورماتور کاهنده، یکسو گردیده و به ولتاژ DC تبدیل میشود و به عنوان فیدبک ولتاژ به مولد PWM اعمال میگردد. مولد PWM نیز با توجه به خطای میان فیدبک ولتاژ و مقدار مرجع، پهنای پالس PWM را تنظیم مینماید. با تنظیم پهنای پالس PWM، ولتاژ باس تقویت کننده قدرت و در نتیجه دامنه سیگنال های مربعی و دامنه سیگنال سینوسی خروجی تنظیم میگردد .[1]
.2 طراحی اجزای سیستم اینورتر .2.1 مدار راهانداز
این مدار شامل یک کنتاکتور 50 آمپر با مقاومت بوبین 90 اهم است که فرمان فعال شدن آن از طریق سوئیچ SW1 اعمال میشود. همان طور که در شکل (2) ملاحظه میگردد، بوبین کنتاکتور از یک سمت به پلاریته مثبت تغذیه 27 ولت وصل است و سر دیگر آن با فرمان SW1 به پلاریته منفی تغذیه وصل میگردد. کنتاکتور مذکور دارای یک کنتاکت باز1 است که با فعال شدن کنتاکتور، مسیر الکتریکی میان تغذیه 27 ولت و فیلتر ورودی برقرار گردیده و انشعابی نیز به خارج اینورتر منتقل میگردد .[2]
شکل -2 مدار رله راهانداز به همراه کنتاکتور ورودی و فیلتر ورودی
.2.2 فیلتر ورودی
این فیلتر در ورودی و در مسیر خط تغذیه 27 ولت قرار میگیرد. فیلتر مذکور برای جلوگیری از انتقال نویز سایر مدارات به اینورتر و برای جلوگیری از انتشار نویز سوئیچینگ اینورتر به سایر مدارات میباشد. مدار مربوط به این فیلتر در شکل (3) و نمودار خروجی فیلتر در شکل (4) نشان داده شده است. مطابق شکل (4)، پاسخ فرکانسی فیلتر از رابطه((1 بدست میآید:
که در رابطه (1) مقاومت R بیان کننده بار معادل برای فیلتر میباشد، L معرف سلف فیلتر بوده و در این آرایش معادل با مجموع دو سلف سری (مقدار هر سلف 90 میکروهانری) و خازن C نیز مقدار کل خازن صافی سمت بار میباشد 45) میکرو فاراد) .[3]
شکل -3 مدار فیلتر ورودی
با توجه به شکل (4) ملاحظه میگردد که خروجی فیلتر پس از9 ms در 27 ولت ثابت می گردد.
شکل -4 نمودار خروجی فیلتر ورودی
.2.3 مدار تغذیه
تغذیههای مورد نیاز در اینورتر به ترتیب 5 و 12 ولت میباشند که تغذیه 5 ولت برای آیسیهای TTL و اسیلاتور بکار می رود و تغذیه 12 ولت نیز برای آیسی PWM و مقایسه کنندههای ولتاژ استفاده میگردد. مدار به کار رفته برای تهیه ولتاژ 12 ولت، یک رگولاتور زنری است که در سمت راست »شکل «(5) نشان داده شده است. این مدار پس از تاخیر زمانی در حدود 30 میلیثانیه، ولتاژ تغذیه مولد PWM را تامین خواهد نمود (تاخیر اولیه مربوط به شارژ خازن 150 میکرو فارادC1 از طریق مقاومت 330 اهمی R6 میباشد). در ضمن آرایش مذکور قابلیت جریان دهی حداکثر 50 میلیآمپر را دارد.
شکل -5 مدار رگولاتور زنری 12 ولت و رگولاتور 5 ولت
برای تامین ولتاژ 5 ولت از یک رگولاتور 7805 استفاده میشود. ورودی این رگولاتورمطابق شکل (5) در هنگام راهاندازی از طریق رگولاتور خطی (ترانزیستور Q1 و عناصر جانبی آن) تغذیه میگردد. اما پس از مدت زمان کوتاهی (در حدود 50 میلیثانیه) از طریق یک انشعاب سوئیچینگ، نقش مدار مذکور در تامین جریان رگولاتور 7805 کاهش مییابد. علت خارج نمودن رگولاتور خطی، افت ولتاژ قابل توجه بر روی ترانزیستور Q1 (در حدود 19 ولت) و ایجاد تلفات و گرمای زیاد در حین تامین جریان برای رگولاتور 7805 میباشد.
اصول کار مدار تغذیه 5 ولت بدین صورت است که پس از برقراری خط تغذیه 27 ولت، خازن 100 میکرو فارادی C2 از طریق مقاومت 750 اهمی R5 شارژ میگردد. با توجه به ثابت زمانی مدار RC (در حدود 7.5 میلیثانیه)، پس از مدت زمانی در حدود 5 میلیثانیه، ولتاژ خازن C2 به مقدار 2 ولت میرسد که این ولتاژ از طریق تقسیم مقاومتی R1-3 سبب روشن شدن ترانزیستور Q2 میگردد. پس از آن ترانزیستور Q1 روشن گشته و جریان شارژ خازن C2 را افزایش میدهد و شارژ خازن تا زمانی که سطح ولتاژ آن به 8.7 ولت برسد (ولتاژ مذکور بوسیله دیود زنز D2 و تقسیم مقاومتی R1-3 مشخص میگردد)، ادامه مییابد. تحت چنین شرایطی رگولاتور 7805 ، ولتاژ 5 ولت تنظیم شده را در خروجی ایجاد مینماید. لازم به توضیح است که در این شرایط ولتاژی در حدود 19 ولت بر روی ترانزیستور Q1 قرار میگیرد و در صورت عبور جریان بار از آن تلفات زیادی ایجاد میگردد .[4,5]
.2.4 اسیلاتور
اسیلاتور مد نظر در طراحی در سیستم اینورتر، اسیلاتوری با مدار تانک بر روی کلکتور است و مدار مربوط به آن در شکل (6) نشان داده شده است. طرز کار مدار بدین صورت است که در ابتدا و با وصل شدن تغذیه، پالسی بر روی بیس ترانزیستور T6 ایجاد میگردد. پالس مذکور پس از تقویت و یک اختلاف فاز 180 درجه به کلکتور T6 منتقل میگردد. سپس مدار تانک با توجه به المانهای L , C , R پاسخ پالس را داده و تنها فرکانس رزونانس را که در این مدار 8200 هرتز میباشد، انتخاب نموده و از خود عبور میدهد. سپس سیگنال مربوطه بوسیله ترانسفورماتور TR2 به بیس ترانزیستور T6 و با یک اختلاف فاز 180 اعمال می گردد. تحت چنین شرایطی سیگنال فیدبک شده و سیگنال اولیه با یکدیگر همفاز گردیده و در نتیجه فیدبک مثبت برقرار گردیده و نوسان ادامه مییابد. تنظیم فرکانس در مدار فوق بوسیله عناصر C17 -C20-TR2 صورت میگیرد که در آن خازن C17 و سلف TR2 تعیین کننده فرکانس رزونانس بوده و خازن C20 و مقاومت متغیر P2 نیز تنظیم محدودی را پیرامون فرکانس رزونانس ایجاد میکنند. لازم به توضیح است در صورتی که فرکانس رزونانس از فرکانس 8200 هرتز فاصله زیادی داشته باشد، در آن صورت باید با تغییر فاصلههوایی TR2 مقدار سلف را تنظیم نمود. بعنوان مثال برای کاهش فرکانس رزونانس باید مقدار سلف را افزایش داد و برای این منظور کافی است که مقدار فاصله هوایی را کاهش داد .[6-8]
شکل -6 مدار اسیلاتور
فرکانس اسیلاتور در حالتی که فقط L وC وجود داشته باشد از رابطه بدست می آید.
اکنون با توجه به مقادیر لحاظ شده برای پارامترها: مقدار فرکانس رزونانس در حدود 4264 هرتز خواهد بود و برای تنظیم دقیق فرکانس، باید مقدار مقاومت P2 تغییر نماید.
لازم به توضیح است که سیگنال سینوسی ایجاد شده در کلکتور T6 قبل از آنکه بعنوان سیگنال ساعت مورد استفاده قرار گیرد، باید در ابتدا به سیگنال مربعی تبدیل شود (مطابق شکل.(7 برای این منظور سیگنال سینوسی بوسیله ترانسفورماتور TR2 به بیس ترانزیستور T5 اعمال میگردد. در این شرایط ترانزیستور مذکور با رفتن به ناحیه قطع و اشباع، موج مربعی را در کلکتور T5 ایجاد میکند. سپس از طریق کوپلینگ خازنی C18، بیس T3 تحریک میگردد. و در نهایت سیگنال مربعی با دامنه 5 ولت و فرکانس مطلوب در کلکتور T3 ایجاد میگردد .[6-8]
