بخشی از مقاله
چکیده
در سالهاي اخیر، فناوري یکسوسازهاي PWMیا فعال، به علت کنترل پذیر بودن ولتاژ خروجی DCو دو طرفه بودن انتقال توان ،به صورت بسیار گسترده در کاربردهاي صنعتی مانند مبدل الکترونیک قدرت میکروتوربین، مورد استفاده قرار گرفتهاند .یکسوسازها PWM، نیازمند یک فلسفه کنترلی براي رسیدن به یک ولتاژ دلخواه وکنترل پذیر میباشند .در این مقاله با طراحی یک کنترل کننده براي یک یکسوساز فعال، ولتاژ خروجی یک میکروژنراتور دور بالا که در میکروتوربین استفاده شده است، با دینامیک مناسبی یکسو می شوند .شبیه سازیهاي ارایه شده مشخص کننده عملکرد مناسب این کنترل کننده هستند.
١. مقدمه
رشد روزافزون صنعت، تقاضا براي مصرف انرژي را افزایش و در نتیجه نیاز براي تولید بیشتر انرژي را افزایش داده است .از طرف دیگر گرایش به تولیدات خصوصی نیز سیر صعودي داشته است .امروزه، تولیدات پراکنده مانند میکروتوربین به عنوان یکی از منابع مطمئن و قابل دسترسی آسان شناخته شدهاند .میکروتوربین ها نمونه کوچک شده توربین هاي گازي هستند، با این تفاوت که در یک پروسه پیچیده مکانیکی و با توانی در حول و حوش kw100، یک توربین کمپرسور دور بالا آن را میچرخاند .
این دور میتواند از rpm20000 تا rpm100000باشد .یک ژنراتور مغناطیس دایم روي شفت توربین قرار دارد که ولتاژ ACفرکانس بالا تولید می کند که طراحی و شبیه سازي کنترل کننده یکسوساز فعال با ورودي فرکانس بالابراي استفاده در میکروتوربین تحویل بخش الکترونیک قدرت میشود .این بخش شامل یکسوساز فرکانس بالا و اینورتر میباشد .ولتاژ فرکانس بالا ابتدا توسط یکسوساز DCشده و سپس به وسیله اینورتر به فرکانس برق شهري تبدیل میشود .یکسوکردن ولتاژ فرکانس بالاي تحویلی از ژنراتور و تبدیل آن به ولتاژ DCیکی از مهمترین بخشهاي میکروتوربین است.
تبدیل کردن ولتاژ ACبه DCدر چهار دهه گذشته، همواره یکی از مباحث مورد توجه مهندسان و پژوهشگران بوده است .
یکسوساز دیودي و یکسوساز پل تریستوري از اولین یکسوسازهاي ساخته شده بودند .این یکسوسازها به رغم داشتن ساختمان ساده و قابلیت اطمینان بالا، به دلیل عدم کنترل پذیر بودن ولتاژ ثابت خروجی - در یکسوساز دیودي - و عدم قابلیت برگشت توان - در یکسوساز تریستوري - ، قابل استفاده در بسیاري از کاربردهاي صنعتی نبودند .در سالهاي بعدي با معرفی یکسوسازهاي PWMیا فعال، این یکسوسازها با استقبال گسترده در صنعت روبرو شدند .
کنترل پذیر بودن ضریب توان، دوطرفه بودن انتقال توان براي استارت میکروتوربین ها و در اختیار داشتن ولتاژ خروجی ثابت دلخواه از مهمترین خصوصیات این یکسوسازها میباشد .دستیابی به ولتاژ ثابت، به آن دلیل است که اینورتر متصل به لینک DCبتواند در محدوده خطی خود کار کند و با تغییرات اندیس مدولاسیون، ولتاژ خروجی مورد نظر بدست آید .براي رسیدن به اهداف ذکر شده، استفاده از یک سیستم کنترلی مناسب با پاسخ سریع و دقیق براي ولتاژ DCو جریان ورودي یکسوساز ضروري میباشد .
در [1]استراتژي کنترلی به گونهاي است که هدف در آن ثابت نگهداشتن اندیس مدولاسیون است و ولتاژ DCبا تنظیم زاویه توان در یک حلقه کنترلی با کنترل کننده PIکنترل میشود . ضریب توان در این حالت میتواند به وسیله مرجع ولتاژ DC تنظیم شود.
کنترل زاویه توان و کنترل بر اساس اندیس ثابت مدولاسیون در [2]آورده شده است .در این روش برخلاف روش قبلی ولتاژ DCکنترل نمیشود بلکه به آن اجازه داده میشود تا بین طرف ACو DCآزادانه تغییر پیدا کند .زاویه جابحایی فاز میتواند توسط کنترل کننده PIتوان راکتیو، طوري تنظیم شود که در حالت ایستا ضریب توان واحد داشته باشیم.
یکی دیگر از روشهاي ارایه شده کنترل توان بر پایه اندیس مدولاسیون متغیر است[3و 4].با این روش توان اکتیو و راکتیو به صورت مستقل از هم کنترل میشوند.
کنترل کلاسیک خطی [5]وغیر خطی [6]، کنترل مدلغزشی[7]، روشهاي پیشبین [8]و روشهاي هوشمند [9]از جمله روشهاي دیگر استفاده شده در این زمینه است .
در این مقاله سعی شده است که با طراحی یک کنترل کننده براي یک یکسوساز فعال، ولتاژ خروجی یک میکروژنراتور دور بالا که در میکروتوربین استفاده شده است، با دینامیک مناسبی یکسو شود .مبناي کنترل کننده ارایه شده بر اساس فیدبک گرفتن از ولتاژ لینک DC، ولتاژها و جریانهاي ورودي سه فاز شکل گرفته است.
در بخش بعد نحوه طراحی کنترل کننده به همراه حلقه هاي داخلی آن بیان شده است .نتایج شبیهسازي در بخش سوم مورد بحث واقع شده و عملکرد سیستم در یکسوسازي و همچنین پاسخ به تغییر بار نشان داده شده است .جمعبندي نتایج بدست آمده در بخش چهارم آورده شده است.
٢. طراحی کنترل کننده یکسوساز فعال
همانطوریکه گفته شد یک روش مناسب براي یکسو کردن جریان خروجی میکروژنراتور و تامین ولتاژ لینک DCاستفاده از یکسوساز فعال کنترل است .این یکسوسازها داراي قابلیت خاموشسازي از طریق سیگنال گیت هستند و همین قابلیت است که امکان کنترل کامل آن را فراهم میسازد .در واقع با روشن و خاموش کردن ولوها در فواصل زمانی متغیر به محدوده وسیعی از ولتاژ DCخروجی میتوان دست یافت .این عمل را میتواند صدها بار در یک پریود زمانی انجام داد در حالیکه تریستورها فقط یکبار در هر سیکل میتوانند روشن و خاموش شوند .تولید مقدار کمتر هارمونیک، کنترل پذیر بودن ضریب
طراحی و شبیه سازي کنترل کننده یکسوساز فعال با ورودي فرکانس بالابراي استفاده در میکروتوربین توان، دوطرفه بودن انتقال توان از مزایاي مهم یکسوساز فعال است.
سوئیچهاي قدرت یکسوساز فعال میتواند از نوع IGBTیا MOSFETباشد و با توجه به مقادیر ولتاژ، جریان و فرکانس ورودي تغییر کند
در شکل 1شماي کلی این یکسوساز و نحوه اعمال فرمان به گیت سوئیچها ارایه شده است .
عملکرد درایو سوییچ ها و اتفاقاتی که در حین عمل یکسوسازي از حیث روشن و خاموش شدن سوییچ ها ومسیرهاي جریان در هر سیکل، خود بحث مفصل و مبسوطی است که در این مقاله از پرداختن به آن خودداري میشود .در این مقاله از یک سیستم PWMسینوسی دو سطحی براي کنترل روشن و خاموش شدن سوئیچها استفاده شده است.
همچنین از یک یکسوساز منبع ولتاژ - با قابلییت کنترل جریانهاي ورودي - استفاده شده است که همخوانی با یک میکروژنراتور دارد .
شکل:1 شماي کلی یکسوساز منبع جریان و نحوه اعمال فرمان به گیت مدار معادل سوئیچها
هدف اصلی در طراحی یکسوساز منبع ولتاژ، تثبیت ولتاژ لینک هدف، ولتاژ لینک DCپس از اندازهگیري با مقدار مرجع DCدر یک مقدار موردنظر مرجع، با استفاده از حلقه کنترلی مقایسه شده و خطاي حاصل براي روشن و خاموش کردن شش فیدبک نشان داده شده در شکل 2می باشد .براي برآوردن این ولو یکسوساز مورد استفاده قرار میگیرد .ولتاژ DCخروجی از روي خازن لینک DCاندازهگیري میشود
