مقاله بررسی تغییرات ولتاژ اینورتر تکفاز با فیدبک ولتاژ حالت با فرمت word+pdf، از این مقاله میتوانید در سمینار، مقالات و پایان نامه خود استفاده نمایید.

مقدمه:

پیل های سوختی به عنوان تامین کننده های قدرت جدید جایگاه ویژه ای در صنعت برق پیدا کرده اند . قابلیت هایی چون بهره برداری آسان ، قابلیت اطمینان بالا ، امکان حمل و نقل ، آلودگی کم، عملکرد طولانی مدت و راندمان بالا توجه روز افزونی را نسبت به این منابع ارزشمند انرژی باعث شده اند. با نصب پیل های سوختی نیرو گاه های کوچک، شبکه غیر متمرکز نیرو گسترده می گردد. توان تولیدی پیل های سوختی به راحتی قابل افزایش است. به طوری که امکان تولید برق مستقیم با کیفیت بالا را در اختیار قرار می دهد. وجود چنین منابع انرژی به یاری توانمندی ادوات الکترونیک قدرت، امکان دسترسی به سطوح دلخواه ولتاژ را فراهم می سازد.

مبدل های الکترونیک قدرت نقش عمده ای در تبدیل توان DC تولیدی توسط سلول های سوختی که عمدتا دارای تغییرات وسیعی نیز می باشند، ایفا می کند. در این پایان نامه از توپولوژی اینورتر شش سوئیچه تک فاز برای تبدیل قدرت DC به AC استفاده شده است. اینورتر مذکور با استفاده از کنترلر های ولتاژ و جریان در دو مد تفاضلی و مشترک برای تبدیل قدرت خروجی یک مبدل بوست که توسط یک پیل سوختی تغذیه می شود را در شرایط بار متغیر اعم از بار خطی و غیر خطی مورد استفاده قرار می دهد.

همچنین روش جدیدی برای تعیین مقادیر بهینه کنترلر های ولتاژ و جریان جهت کاربرد در پیل های سوختی ارائه می گردد. از مزایای این روش این است که مقدار بهینه کنترلر های ولتاژ و جریان را برای THD بسیار پایین، قابلیت اطمینان بالا و تبدیل ولتاژ متغیر سلول های سوختی به مقادیر سینوسی بالاتر از آن در دو سر بار در اختیار قرار می دهد. نتایج شبیه سازی با نرم افزار MATLAB برای بررسی روش مذکور ارائه شده است.

بررسی توپولوژی های مختلف اینورترهای ولتاژ تکفاز

مصرف الکتریسته کل در جهان ازtwh13939 در سال 2001 بهtwh24673 در سال2025 با نرخ رشد متوسط 4/2 درصد مطابق با استانداردهای مرکز اطلاعات مدیریت انرژی آمریکا رشد خواهد کرد.پس بیشتر کشورها طرح پیمان کیوتو را مبنی بر کاهش گازهای گلخانهای تصویب کرده اند. نیازهای روز افزون ظرفیت تولید جدید نمی تواند به وسیله روشهای تولید انرژی متداول سوخت فسیلی مانند زغال سنگ ،نفت، گاز طبیعی و….بیش ازاین به درازا می انجامد . این یک فرصت ارزشمندبرای توسعه سیستمهای تولید پراکنده (DG ) است. هم شرکت برق و هم مصرف کننده ها می توانند از گسترش همه جانبه سیستمهای DG که افت و تنوع انتخاب انرژی، افزایش تولید و راندمان انتقال، کاهش انتشار گازهای گلخانه ای، بهبود کیفیت توان و پایداری سیستم را ارایه می دهد سود خواهند برد.

سیستم های DG معمولاً ابزارهای از نظر مقیاس کوچک هستند . اینها در نزدیکی مصرف کننده بوده و شامل توربینهای بادی و سیستمهای انرژی خورشیدی، پیلهای سوختی، توربیهای گازی کوچک، سیستمهای آبی کوچک و…می باشد. سیستمهای تولید پراکنده عموماً به مبدلهای DC ACیا اینورترها، به عنوان رابط بین بارهای تکفازشان و منابع نیاز دارند.

اینورترهای DG اغلب یک محدوده وسیعی از تغییرات ولتاژ ورودی ناشی از نوسانات منابع انرژی را تحمل می کنند. با رشد توان تحلیل کامپیوترها، کنترل پیشرفته به عنوان ابزاری برای کاهش هزینه در کنار بهبود کارایی سیستم استفاده می شود. از آنجایی که ادوات الکترونیک قادر به تامین منبع ولتاژ با فرکانس ودامنه متغیر (قابل کنترل) می باشند، استفاده فراوانی در درایوهای ac دارند. با پیشرفت روزافزون در زمینه الکترونیک قدرت (اینورترهای تریستوری،[1]GTO ،IGBT(Gate Turn Off tyristor)) همگام با پیشرفت الکترونیک کنترل (توسعه تکنولوژی VLSI و سیستمهای مبتنی بر میکروپروسسور) ، موتور درایوهای اینورتری ac در سیستمهای مختلف مورد استفاده قرار می گیرند.

مزایا

از مزایای آنها می توان به حجم کم و وزن پایین اشاره کرد. همچنین آنها از لحاظ اقتصادی مقرون به صرفه هستند .اینورترها به دو گروه تقسیم می شوند: اینورترهای منبع ولتاژ(VSI Voltage Source Inverter) که از یک خازن در شاخه dc استفاده می کنند و اینورترهای منبع جریان(Current Source Inverter CSI) که از یک سلف درشاخه dc استفاده می کنند. اینورترهای منبع ولتاژ بیشتر از اینورترهای منبع جریان مورد استفاده قرار می گیرند، زیرا روشهای مختلف مدولاسیون پهنای پالس (PWM) کارکردی مناسب برای آنها ایجاد می کند. علاوه بر این رنج فرکانسی VSI بسیار بیشتر از CSI و قیمت آن نیز ارزان تر می باشد . در این فصل اینورترهای منبع ولتاژ تکفاز مورد بررسی قرار می گیرند. اگرچه مدار پایه در یک اینورتر ممکن است بسیار ساده به نظر برسد ولی کلیدزنی مناسب سوئیچها، مشکلات فراوانی برای مهندسین الکترونیک قدرت به وجود می آورد.

معمول ترین روش کلیدزنی، روش مدولاسیون پهنای پالس (PWM) است. PWM، روشی بسیار قوی برای کنترل مدارهای آنالوگ با خروجی دیجیتال پروسسوری می باشد و کاریرد وسیعی دارد. در درایوهای ac، قادر به کنترل فرکانس و اندازه ولتاژ و جریان اعمال شده به موتور می باشد. از این رو درایو موتورهای تغذیه شده به وسیله اینورتر های PWM دارای کاربرد وسیع تری از درایوهای موتورهای فرکانس ثابت می باشد. انرژی که از اینورتر PWM به موتور ac اعمال می گردد به وسیله سیگنالهای PWM که گیت های سوئیچهای قدرت در زمانهای مختلف با تغییر مدت زمان برای تولید ولتاژ خروجی خواسته شده، کنترل می گردد.

بررسی ساختار اینورترهای منبع ولتاژ

روش های متعددی برای مدولاسیون پهنای پالس موجود می باشند که توصیف جزئیات تمامی روشهای آن فراتر از بحث های مطرح شده در این پایان نامه است. دراین پایان نامه یک اینورتر6سوئیچه برای استفاده در سیستم تکفاز بررسی می شود. همچنین کنترل کننده های سیستم مورد نظر، با مقادیر بهینه کنترل کننده های ولتاژ و جریان آن و در نهایت بهبود کیفیت ولتاژ اینورتر فوق مورد ارزیابی قرار می گیرند. سیستم فوق کارایی بسیار مناسب با کمترین اغتشاش در شرایط مختلف بار را از خودشان نشان می دهد.اینورترهای dc-ac در منابع تغذیه ac و موتور درایوهای ac به کار می روند. هدف آنها تولید ولتاژ خروجی سینوسی با اندازه و فرکانس قابل کنترل است. اینورترها هم در سیستمهای ac تک فاز و سه فاز مورد بهره برداری قرار می گیرند . در این قسمت ساختارهای مختلف اینورتر منبع ولتاژ تک فاز مورد بررسی قرار می گیرند.

توپولوژی اینورتر منبع ولتاژ تک فاز- ساختار اینورتر تک فاز منبع ولتاژ نیم پل

اینورتر تک فاز منبع ولتاژ نیم پل ، ساده ترین توپولوژی است که برای تولید شکل موج خروجی مربعی دوسطحی مورد استفاده قرار می گیرد. یک منبع ولتاژ سر وسط دار در این توپولوژی مورد نیاز است. بدین منظور عمدتاً از دو خازن سری با مقدار برابر برای ایجاد سر وسط استفاده می گردد. شکل ساختار یک اینورتر تک فاز منبع ولتاژ نیم پل را نشان می دهد.

در اینورتر مذکور به دو سوئیچ نیاز است و برای اجتناب از خطای shoot through ، دو سوئیچ نباید در یک زمان روشن باشند. در یک نیم سیکل S1 روشن و S2خاموش می گردد تا ولتاژ vs/2 در دو سر بار ایجاد گردد ودر نیم سیکل بعدی S2 روشن و S1 خاموش است تا ولتاژ vs/2- در دو سر بارایجاد گردد. شکل زیر شکل موج خروجی اینورتر نیم پل را نشان می دهد.

شکل موج خروجی اینورتر نیم پلwww.mktop.ir

ساختار اینورتر تک فاز منبع ولتاژ تمام پل:

شکل ساختار یک اینورتر تک فاز منبع ولتاژ تمام پل را نشان می دهد.

جدول حالتهای مختلف کلیدزنی اینورتر تک فاز پل را برای ایجاد سطوح ولتاژ مختلف نشان می دهد. لازم به ذکر است که سوئیچهای یک پایه به صورت مکمل با هم، خاموش و روشن می گردند و سوئیچهای S1,S3 و همچنین S2,S4 برای جلوگیری از اتصال کوتاه دو سر منبع ولتاژ ، نباید به طور همزمان روشن باشند.

شکل ولتاژ خروجی یک اینورتر تک فاز منبع ولتاژ پل را نشان می دهد.

اینورترهای تکفاز سه سیمه

مبدلهای DC-ACبرای تامین نیروی یک خانه مسکونی یا محل تجاری کوچک طراحی شده اند.منابع مستقل توان مثل پیلهای سوختی، میکروتوربین ها، سلولهای خورشیدی و…می توانند توان لازم را تامین کنند.

شکل بالا یک ترانسفورماتور تکفاز با سر وسط را نشان می دهد که دو سطح ولتاژ220/110را برای مصرف کننده فراهم می سازد.

مزایای روش سه سیمه تکفاز

اولاً: مصرف کننده می تواند علاوه بر سطح ولتاژ 220 برای کاربردهای HVAC، سطوح مختلف ولتاژ را نیز استفاده کند که با توجه به نوعی آینده نگری، علاوه بر کاربردهای صنعتی وآزمایشگاهی امکان استفاده فراوانی در منازل و ادارات دارد.

ثانیاً: ظرفیت بار 2 برابر را تنها با 5/1برابر سیم تامین می کند که علاوه بر صرفه جویی در هزینه موجب سبکی وزن، کاهش حجم و کاهش تلفات می شود[9]. یک مساله شایان توجه این است که منابع تغذیه ای مانند پیل های سوختی ولتاژ خروجی بالای را ارایه نمی دهند. بنابراین ممکن است مراحل تولید توان از زمان تولید در منبع تا رسیدن به مصرف کننده افزایش یابد. روش اول برای طراحی، یک اینورتر تکفاز استاندارد و اتصال آن به مصرف کننده با یک ترانس سر وسط شبیه به آنچه درشکل آمده است، می تواند باشد.

دراین روش برای افزایش سطح ولتاژ ورودی از یک ترانسفورماتور استفاده شده است. این روش باعث افزایش هزینه و اندازه و عملکرد نامناسب سیستم می شود. همچنین مشکلاتی اعم از تنظیم ولتاژ و عدم امکان گره زدن اینورتر به شبکه بوجود می آورد. روش دوم روش استفاده از یک مبدل DC-DCبرای افزایش سطح ولتاژاست. خروجی این مبدل به اینورتر داده می شود و در نهایت اینورتر هر دو خروجی را تولید می کند. شکل زیر روش های تبدیل توان در اینورترهای تکفاز سه سیمه را نشان می دهد.

توپولوژی های ممکن بسیاری وجود دارد ولی تعدادی کمی قابل استفاده تجاری و قابل کنترل معقولانه برای مبدلهای توان بالا هستند.

خروجی های برابر با وجود عدم تعادل بار:

یک توپولوژی در یک حالت متعادل عمل خواهد کرد، اما وقتی بار نامتعادل است، اینورتر پل مانند یک تقسیم کننده ولتاژ 220ولت AC عمل می کند. نتیجه در شکل زیر نشان داده شده است. وقتی بارهای نامتعادلند، V1وV2منحرف شده اند.

این روش که در شکل بالا نشان داده شده است مشکلاتی دارد. از جمله به منابع تنظیم شده نیاز دارد که با بارهای سبک کار می کنند. اما در شرایطی که با به شدت نامتعادل است خازنها برای تنظیم ولتاژبه اندازه کافی مقاوم نیستند . اگر خازنها به اندازه کافی بزرگ نباشند ممکن است صدمه ببیند. همچنین یک منبع جریان کنترل شده می تواند خروجی را متعادل کند. بنابراین یک توپولوژی جدید، استفاده از منبع جریان است.

بررسی توپولوژی مدار اینورتر شش سوئیچه

اینورتر 6سوئیچه از دو کلید اضافی و یک سلف برای شکل دهی به منبع جریان کنترل پذیر استفاده می کند. اینورتر در شکل نشان داده شده است. این اینورتر6 سوئیچه خیلی شبیه به یک اینورتر6 سوئیچۀ استفاده شده در کاربردهای سه فاز است، به استثنائی آنکه پایه وسطی (مرکزی) به زمین اتصال شده است و این پایه اضافی جریان خنثی را کنترل می کند.

تغییرات ولتاژ اینورتر تکفاز با فیدبک ولتاژ حالت ساختار سوئیچ شش سوئیچه www.mktop.ir

افزایش تعداد کلیدها یک عیب آشکار برای این سیستم است. اما این دو کلید اضافی، اجازه می دهد منبع، جریان تزریق کند. این قابلیتِ کنترلِ اضافی، می تواند یک بار متغیررا متعادل کند. به طورکلی کلیدهای Aو Cولتاژ دیفرانسیلی را کنترل می کنند، در حالیکه کلیدهای فاز Bتعادل بین V1وV2 را حفظ می کنند. این کنترلها به ترتیب توسط دو زیرسیستم کنترلی به نامهای کنترل کننده مد دیفرانسیلی و مد مشترک بدست می آید. بررسی تغییرات ولتاژ اینورتر تکفاز با فیدبک ولتاژ حالت

بررسی کنترل کننده ها

هدف کنترل کننده، بدست آوردن حداکثر کارایی، بدون در نظرگرفتن مسایل اقتصادی است. معمولاً منظور از حداکثر کارایی، THD(اغتشاش هارمونیکی کل) کم در خروجی سینوسی است. امپدانس خروجی همه منابع ولتاژ همیشه اهمیت دارد. در اینجا امپدانس خروجی کم، باعث می شود که شکل موج خروجی با THDکم نمایش داده شود و مقدار ولتاژ RMS صحیح را تحت تغییر شرایط بار ایجاد می کند. انتخاب فیلتر خروجی یک بخش مهم طراحی سیستم است. فیلتر خروجی کوچکتر، امپدانس خروجی کوچکتری درست می کند، اما هزینه اغتشاش و هارمونیک های بزرگتری ایجاد می کند و منجر به موج دار شدن ولتاژ و میرایی ناکافی می گردد.

خروجی منبع ولتاژ

بطور کلی یک منبع ولتاژ با یک خازن بزرگتر در خروجی مناسب تر است اما برای جریانهای پیک IGBT یک سلف با اندازه مناسب نیاز است.آسان ترین راه برای کنترل اینورتر، یک سیستم حلقه باز است. مدولاتور PWM با یک منبع موج سینوسی تغذیه می شود و منبع سیگنالهای گیت را کد گذاری می کند. این روش کنترل در حالت ماندگار با یک بار خطی، بهترین شکل موج را تولید می کند. برای اینورتر سه سیمه تکفاز جفت کلیدهای فاز Cو A، سیکلهای کار مکمل را دریافت می کند و فاز مرکزی دائماً برای 50 درصد سیکل کار می تواند تنظیم شود. این نوع کنترل دو مشکل اساسی را برطرف می کند:تغییراتغییرات ولتاژ اینورتر تکفاز با فیدبک ولتاژ حالتت

اول آنکه، اگر امپدانس سلفهای خروجی در مقایسه با امپدانس بار درفرکانس اصلی قابل ملاحظه باشد، یک افت شدیدی در دوسرسلف ایجاد می شود که آن را ولتاژ خروجیaudiosusceptibility می گویند. اغتشاش می تواند از یک افت فرکانس پایین، ناشی از بار تغذیه شده توسط منبع DCتا یک ریپل فرکانس بالا(بالاتر ازHZ 120) ناشی از یکسو سازی منبعAC طبقه بندی می شود.یک راه حل ساده برای مسایل ذکر شده در بالا، بکار بردن یک مکانیسم فیدبک نسبتاً کند است. ولتاژ RMS موج خروجی محاسبه شده است و سپس وارد یک انتگرال گیر می گردد.

اغتشاشات فرکانس پایین، در ولتاژ ورودی یا خروجی جبران شده است. برطرف کردن یک اغتشاش با استفاده از این استراتژی کنترل چند سیکل طول می کشد، اما یک مقدار متوسط خوبی روی شکل موج خروجی ایجاد می شود. این نوع کنترل می تواند به راحتی با اجزای آنالوگ مثل کنترل کننده PI اجرا شود. بعضی از کنترل کننده های آنالوگ از جبران سازی فیدفوروارد برای محاسبه تغییر سریع ولتاژ باس DCاستفاده می کنند.

کنترل کننده های PI آنالوگ یک منبع موج سینوسی را دنبال می کنند اما به علت ضرورت بهره بالا برای حفظ ردیابی، معمولا بار ناپایدار می شود. یک اینورتر با بار سبک هیچ میرایی ندارد. بررسی تغییرات ولتاژ اینورتر تکفاز با فیدبک ولتاژ حالت

تحلیل تئوری اینورتر 6 سوئیچه تکفاز

انواع اینورترهای ولتاژ تکفاز در فصل گذشته بررسی شد. از میان آنها اینورتر شش سیمه تکفاز مورد توجه خاص قرار گرفت. در این فصل برآنیم که اینورتر شش سوئیچه تکفاز را که در فصل گذشته به آن پرداختیم بطور گسترده تری بررسی و تحلیل کنیم، از اینرو مدل ریاضی اینورتر مورد نظر را محاسبه کرده، معادلات حالت آنرا بدست می آوریم و به تحلیل آن می پردازیم. در پایان دیاگرام های بود مربوط به ورودی های S₁ ,S₂, S₃ نسبت به خروجی های ولتاژ و جریان که از طریق شبیه سازی در m-file نرم افزار MATLAB بدست آمده است و در ادامه ارائه می گردد. همچنین اصل برنامه اجرا شده در ضمیمه 1 در پایان آمده است.

در پایان این فصل همچنین به طور مختصر در مورد کنترل پذیری و مشاهده پذیری سیستم، با توجه به مرتبه ماتریس های حالت بحث شده است.تغییرات ولتاژ اینورتر تکفاز با فیدبک ولتاژ حالت.بررسی تغییرات ولتاژ اینورتر تکفاز با فیدبک ولتاژ حالت

فرمول بندی سیستم

اینورتر سه سیمه 6 سوئیچه تکفاز یک نمونه از اینورترهای منبع ولتاژ معمولی است، پس در بسیاری از سیستم های الکترونیک قدرت ایجاد یک نقطه کار، برای خطی کردن، آن هم زمانی که پارامترهای سیستم مرتباً تغییر می کنند، کار مشکلی است.