بخشی از مقاله
چکیده - مبدل رایج برای راه اندازی موتور BLDC اغلب از نوع رکتیفایر پل دیودی است که دارای بازدهی خوبی میباشد اما ضریب توان و میزان اعوجاج هارمونیکی کل جریان ورودی نامناسبی دارد. هرچه میزان اعوجاج هارمونیکی کل بیشتر باشد باعث بیشتر شدن تلفات و ایجاد اختلال در عملکرد مبدل و موتور می شود. از سوی دیگر ضریب توان پایین از طریق افزایش توان مجازی باعث کاهش ظرفیت بار میشود.
برای رفع این مشکل از مبدل اصلاح ضریب توان بهره گرفته میشود که میزان اعوجاج هارمونیکی کل جریان را به شدت کاهش و مقدار ضریب توان را تا مقدار واحد افزایش میدهد. برای کاهش اعوجاج هارمونیکی کل، مبدل اصلاح کننده ضریب توان از یک کنترل کننده PI استفاده میکند که مقدار اعوجاج هارمونیکی کل را تا حد مطلوبی کاهش میدهد که باعث بهبود کیفیت توان میشود. با تنظیم مناسب پارامترهای کنترلر PI عملکرد کنترلر به صورت چشمگیری افزایش مییابد و باعث کاهش هرچه بیشتر اعوجاج هارمونیکی کل جریان می شود. با استفاده از کنترلر مناسب و افزایش ضریب توان باعث افزایش ظرفیت بار شده و از تزریق توان مجازی به سیستم جلوگیری به عمل میآید.
-1 مقدمه
موتورهای BLDC نوعی از موتورهای سنکرون هستند به این معنی که میدان مغناطیسی در روتور و استاتور با یک فرکانس ایجاد میشوند. موتورهای BLDC یک موتور ایدهآل برای کاربردهای توان پایین و متوسط میباشند زیرا دارای بازدهی بالا، چگالی انرژی بالا، نسبت چگالی به اینرسی بالا و نیاز به نگهداری خاصی ندارند. این موتور سنکرون سه فاز با سه سیم پیچی بر روی استاتور و آهنربای دائمی بر روی روتور است.[1]
سوئیچینگ موتور بر اساس سنسورهای اثر هال روتور صورت میپذیرد.[2] از این موتور در کاربردهای مختلفی از جمله وسایل خانگی، ابزارهای صنعتی، گرمایشی، خودروهای الکتریکی و تاسیسات استفاده میشود.[3] امروزه بهبود کیفیت توان برق ورودی بسیار مهم و ضروری شده است. از اینرو بهتر است که با بهبود کیفیت توان و رسیدن به ضریب توان یک برای برق ورودی، اعوجاجهای هارمونیکی جریان ورودی کاهش یابد.[4]
در طرح رایج از یک رکتیفایر پل دیودی با مقدار خازن لینک DC بزرگ برای تغذیه موتور BLDC استفاده میشود که مقدار زیادی هارمونیک از برق ورودی خواهد کشید که باعث میشود برق ورودی مناسبی برای تغذیه موتور فراهم نشود و ضریب توان به شدت کاهش یابد.[5] مبدل رایجی که برای تغذیه موتورهای BLDC استقاده میشود مبدل رکتیفایر پل دیودی - Diode Bridge Rectifier - است. این مبدل دارای مقدار زیادی هارمونیک اعوجاج کل - THD - است و ضریب توان - Power Factor - آن پایین میباشد.[6] بسیاری از مبدلهای اصلاح ضریب توان تکفاز برای تغذیه موتورها بکار برده میشوند.
معمولا مبدل بوست به عنوان یک اصلاح کننده ضریب توان - PFC - بکار برده میشود که به نوع کاربرد و سطح ولتاژ مورد نیاز آن وابسته است.[7] این مبدل به تعداد زیادی المان نیاز دارد و به همین علت دارای تلفات زیادی است. علاوه بر این برای مبدل DC-DC و PFC نیاز به کنترل کننده است که همین مورد باعث افزایش پیچیدگی و هزینه سیستم خواهد شد.[8] خازن لینک dc با ثابت قرار دادن ولتاژ ورودی موتور را تغذیه میکند.
کنترل سرعت به وسیله PWM براساس کلیدزنی VSI به دست میآید که تلفات کلیدزنی آن به دلیل فرکانس PWM زیاد است.[9] از این رو این مبدلها برای کنترل دقیق سرعت و ولتاژ در کاربردهای مختلف استفاده میشوند. در درایو موتورهای BLDC بر پایه PFC برای کاهش هزینه نهایی از تعداد سنسورها میکاهند.[10] مبدل PFC میتواند در دو حالت جریان سلف پیوسته و جریان سلف ناپیوسته طراحی شود. مبدل PFC که در حالت CCM عمل میکند برای افزایش جریان نیاز دارد که ولتاژ لینک dc، ولتاژ ورودی و جریان ورودی را اندازهگیری کند.
این مبدل به صورت گسترده مورد استفاده قرار میگیرد ولی به دلیل محدودیتهایی در افزایش ولتاژ ورودی برای این کاربرد مناسب نیست.[11] از این رو بهرهبرداری از موتور BLDC نمیتواند در سرعتهای پایینتر انجام شود. برای این کاربرد از مبدل Zeta که یک PFC است استفاده میشود. این مبدل میتواند به صورت باک و بوست عمل کند و ولتاژ را کاهش و افزایش بدهد و همچنین دارای ضریب توان بسیار خوبی است.[12]
-2 کاهش اعوجاج هارمونیکی کل و تصحیح ضریب توان
مبدلی که بیشتر برای تغذیه موتورهای BLDC استفاده میشود، مبدل DBR است. این مبدل با اینکه دارای بازدهی خوبی است اما دارای کیفیت توان مطلوبی نیست زیرا مقدار THD جریان ورودی در حدود %65 و ضریب توان آن در حدود 0,7 میباشد. برای آن که جریان با ریپل کمتر برای ورودی مهیا شود از مبدل Zeta که یک PFC است، استفاده میشود. تغدیه موتور با مبدل DBR به دلیل کلیدزنی در مبدل، باعث افزایش THD جریان شبکه شده که به همین علت بارهای نزدیک به موتور تحت تاثیر قرار میگیرند و عملکرد آنها دچار اختلال خواهد شد.
به همین علت کاهش THD به وسیله مبدلهای PFC بسیار حائز اهمیت خواهد بود. هرچه میزان THD کمتر باشد اثرات منفی بار بر روی شبکه نیز کاهش مییابد. از سوی دیگر ضریب توان پایین باعث تزریق توان مجازی بیشتری به بار شده و ظرفیت توان حقیقی آن را کاهش میدهد و باعث میشود که بار با حداکثر توان حقیقی خود کار نکند. با استفاده از مبدل Zeta، مقدار اعوجاج هارمونیکی کل کاهش و ضریب توان افزایش مییابد. هرچه کنترلر مبدل دقیقتر باشد مقدار THD بیشتر کاهش مییابد و ضریب توان نیز به یک نزدیکتر میشود.
-3 مبدل اصلاح ضریب توان Zeta
شکل 1 مبدل اصلاح ضریب توان Zeta را نشان میدهد که موتور BLDC را تغذیه میکند. سرعت موتور BLDC به وسیله تغییر ولتاژ لینک dc اینورتر منبع ولتاژ تغییر میکند. مبدل برای این کاربرد در حالت ناپیوسته کار میکند. عملکرد کامل درایو موتور BLDC به وسیله یک سنسور ولتاژ تحقق مییابد. کموتاسیون الکتریکی موتور BLDC برای کاهش تلفات کلیدزنی استفاده میشود. این مبدل در محدوده گستردهای از سرعتهای مختلف کیفیت توان را افزایش میدهد.
-4 عملکرد مبدل Zeta
مبدل Zeta برای عملکرد در حالت ناپیوسته طراحی شده است به طوری که جریان سلف ورودی در حالت ناپیوسته قرار دارد در حالی که جریان سلف خروجی و خازن VC1 برای اینکه سیکل کلید زنی درست انجام شود، در حالت پیوسته قرار خواهند داشت. شکل 2 تا شکل 4 مختلف عمکلرد مبدل Zeta را در یک دوره کلیدزنی نمایش میدهد و شکل موجهای آنها در شکل 5 نشان داده شده است.
حالت اول - : - 0 < t < t1 در شکل 2 زمانی که کلید Sw روشن است، سلف ورودی Li و سلف خروجی Lo شروع به شارژ شدن میکنند. در این حالت خازن C1 دشارژ میشود و خازن لینک dc را شارژ خواهد کرد. بنابراین ولتاژ خازن C1 کاهش مییابد و ولتاژ خازن لینک dc افزایش خواهد یافت.
حالت دوم - : - t1 < t < t2 زمانی که کلید Sw خاموش میشود، انرژی ذخیره شده در سلفهای ورودی و خروجی شروع به دشارژ شدن کرده و خازنهای C1 و Cd را شارژ میکنند. نحوه شارژ و دشارژ در شکل 3 نشان داده شده است. در این حالت دیود نیز وصل شده و جریان را هدایت میکند.
حالت سوم - : - t 2 < t < t3 در این حالت مبدل در حالت ناپیوسته قرار می گیرد. مطابق شکل 4 جریان سلف ورودی Li به صفر رسیده و سپس منفی میشود. خازن لینک dc انرژی مورد نظر اینورتر منبع ولتاژ موتور BLDC را تامین میکند. به همین علت خازن لینک dc در این حالت شروع به دشارژ شدن خواهد کرد. شکل 5 شکل موجهای هر سه حالت را نشان میدهد.
-5 طراحی مبدل Zeta
مبدل Zeta برای عملکرد در حالت ناپیوسته طراحی شده است به گونهای که جریان سلف ورودی در یک دوره کلید زنی ناپیوسته خواهد شد. این مبدل 300 واتی برای تغذیه موتور 210 واتی طراحی میشود. بنابراین برای محدوده تغییرات سرعت ولتاژ لینک dc از مقادیر کم تا مقدار نامی کنترل میشود. در رابطه 5، Fs فرکانس کلید زنی میباشد.
با رابطه 5 میتوان حداقل مقدار ممکن برای ولتاژ ورودی برای مبدل را طراحی کرد که برابر 150 ولت است. از این رو مقدار اندوکتانس بحرانی برای دو ولتاژ لینک dc، 50 ولت و 200ولت برابر 1,658میلی هانری و 1,093میلی هانری است. بنابراین برای داشتن یک هدایت ناپیوسته در بدترین حالت ماکزیمم ولتاژ لینک dc، مقدار سلف ورودی باید کمتر از مقدار سلف ماکزیمم ولتاژ لینک dc یعنی 1,093 میلی هانری باشد که برای این سلف مقدار 100 میکروهانری در نظر گرفته شده است.
