عضو شوید
عضویت سریع
تبادل لینک هوشمند 
آمار مطالب
آمار بازدید
2-18- کنترل لغزشی مبدل باک28
2-19- تعیین قانون کنترل30
2-20- مزایای کنترل مد لغزشی31
2-21- معایب کنترل مد لغزشی32
2-22- نکات32
فصل سوم: مقدمه‌ای بر ژنراتورها
3-1- ژنراتور قدرت35
3-2- دسته‌بندی ژنراتورها با توجه به نوع توربین گردنده روتور35
3-2-1- ژنراتورهای dc35
3-2-2- ژنراتور القایی35
3-2-3- ژنراتور سنکرون36
3-3- ساختمان ژنراتور سنکرون و انواع آن38
3-4- ساختار ژنراتور سنکرون و مدار سیم‌پیچی39
3-4-1- معادلات پایه متناسب با dq041
3-4-2- معادلات اصلی ریاضی ژنراتور سنکرون43
3-5- نظریه سیستم تحریک44
3-5-1- سیستم تحریک چیست؟44
3-5-2- اجزای تشکیل دهنده سیستم تحریک45
3-5-2-1. تولید جریان روتور45
3-5-2-2. منبع تغذیه45
3-5-2-3. سیستم تنظیم کننده خودکار ولتاژ (میکروکنترلر)45
3-5-2-4. مدار دنبال کننده خودکار46
3-5-2-5. کنترل تحریک46
3-5-2-6. محدود کننده جریان روتور46
3-5-2-7. محدود کننده مگاوار47
3-5-2-8. محدود کننده شار اضافی47
3-5-2-9. تثبیت‌کننده سیستم قدرت47
وظایف سیستم تحریک47
3-6- مدلسازی یکسو ساز تریستوری شش پالسه48
3-6-1- تریستورو مشخصه استاتیکی آن48
3-6-2- یکسو ساز شش تریستوری52
فصل‌چهارم: نتایج حاصل از شبیه‌سازی
4-1- مقدمه56
4-2- شبیه سازی یکسو ساز شش پالسه تریستوری56
4-3- شبیه سازی مبدل باک و خواص آن58
4-3-1- نحوه طراحی مبدل باک58
4-4- بررسی THD و FFT در ولتاژ ورودی به تحریک ژنراتور64
4-5- شبیه‌سازی ژنراتور سنکرون67
4-5-1- معادلات دینامیکی ژنراتور سنکرون68
4-5-2- بلاک s-function77
4-5-2-1- مراحل شبیه‌سازی بلاک s-function77
4-5-2-2- Flagها در s-function79
4-6- متغیرهای مورد استفاده در سیمولینک80
فصل پنجم: نتیجه‌گیری و پیشنهاد برای آینده
5-1- نتیجه‌گیری88
5-2- پیشنهادات برای آینده89
منابع و مأخذ90
پیوست‌ها92
فهرست جداول
عنوان صفحه
جدول (1-1) فهرست علایم و اختصارات شکل (1-1)6
جدول(4-1) مقادیر پارامترهای مربوط به مبدل باک61
جدول(4-2): flagهای محیط متنی79
فهرست شکل‌ها
عنوان صفحه
شکل(1-1) اجزای کنترل اتوماتیک5
شکل(1-2) بلوک دیاگرام سیستم کنترل دیجیتال7
شکل (1-3) دیاگرام شماتیک سیستم تحریک استاتیک8
شکل (1-4) سیستم تحریک استاتیک ژنراتور سنکرون به همراه مبدل باک –بوست8
شکل (2-1-a) نمایی از یک مبدل12
شکل (2-1-b) ولتاژ خروجی متوسط12
شکل (2-2-a) شمایی از تقویت کننده خطی14
شکل (2-2-b) شکل موج ورودی Voi به فیلتر پایین گذر14
شکل(2-2-c) مشخصات فیلتر پایین گذر یا میرایی ایجاد شده توسط مقاومت بار R14
شکل (2-3-a) شکل موج های حالت کار هدایت پیوسته15
شکل (2- 4) ولتاژهای خروجی برای حالت هدایت پیوسته18
شکل (2-5) نمای شماتیک مبدل باک21
شکل (2-6) مدلسازی مبدل در فضای حالت22
شکل(2-7) مسیرهای سیستم و خط لغزش یک مبدل باک در فضای صفحه فاز23
شکل 2-8) کنترل مبدل توسط مد لغزشی24
شکل (2-9) نواحی موجود برای کنترل لغزشی در حالتی که 30
شکل (2-10) نواحی محدود برای کنترل لغزشی در حالتی که 30
شکل (2-11) رسم همزمان مسیرهاي فازمعادلات حالت باك31
شکل (2-12) مسیرفازدرمحدوده خط لغزش31
شکل (2-13) نمایش گرافیکی کنترل مد لغزشی نشان می‌دهد که سطح لغزش S=0 که داریم =خطای ولتاژ متغیر
و =ولتاژ خطای دینامیکی نسبی32
شکل(3-1) شمایی از ژنراتور dc36
شکل(3-2) شمایی از ژنراتور القایی37
شکل(3-3) شمایی از ژنراتور سنکرون37
شکل(3-4) شمایی از ژنراتور سنکرون a)ساختار ژنراتور سنکرون b) دیاگرام سیم‌پیچی مدار43
شکل(3-5) نمایی از نظریه سیستم تحریک ژنراتور سنکرون44
شکل(3-6) شمایی از سیستم تحریک44
شکل(3-7) جایگاه سیستم تحریک در تولید انرژی الکتریکی49
شکل(3-8) سیستم تحریک در نیروگاه49
شکل(3-9) ساختمان تریستور49
شکل(3-10) علامت اختصاری تریستور50
شکل(3-11) مشخصه تریستور در غیاب جریان گیت51
شکل (3-12) توزیع بار a) بدون اعمال ولتاژ b) با اعمال ولتاژ53
شکل (3-13) توزیع بار با اعمال ولتاژ مثبت54
شکل(4-1): یکسو ساز شش پالسه تریستوری56
شکل(4-2) ولتاژ خروجی یکسو ساز شش پالسه تریستوری57
شکل(4-3) ولتاژ خروجی مبدل باک57
شکل(4-4) ساختار مبدل باک58
شکل(4-5) رگولاتور مبدل باک59
شکل(4-6) مدار مبدل باک59
شکل (4-7) مدار شبیه‌سازی شده مبدل باک60
شکل(4-8) شبیه‌سازی مبدل باک بدون اعمال مد لغزشی62
شکل(4-9) ولتاژ خروجی مبدل باک با اعمال مد لغزشی63
شکل(4-10) حالت زوم شده ولتاژ خروجی مبدل باک با اعمال مد لغزشی63
شکل(4-11) ولتاژ خروجی مبدل باک بدون اعمال مد لغزشی64
شکل(4-12) ولتاژ خروجی مبدل باک بعد از اعمال مد لغزشی65
شکل(4-13) مقدار THD ولتاژ ورودی تحریک ژنراتور در حالتی که مبدل باک وجود نداشته باشد65
شکل(4-14) مقدار THD ولتاژ ورودی تحریک ژنراتور در حالتی که مبدل باک وجود داشته باشد66
شکل(4-15) مقدار FFT ولتاژ تحریک ژنراتوربا اعمال مبدل باک66
شکل(4-16) مقدار FFT ولتاژ تحریک ژنراتور بدون اعمال مبدل باک67
شکل(4-17) شبیه سازی مربوط به ژنراتور سنکرون69
شکل(4-18) ولتاژ اعمالی به میدان ژنراتور سنکرون70
شکل(4-19) حالت زوم شده ولتاژ اعمالی به میدان ژنراتور سنکرون70
شکل(4-20) جریان خروجی استاتور ژنراتور سنکرون در فاز a71
شکل(4-21) حالت زوم شده جریان خروجی استاتور ژنراتور سنکرون در فازa71
شکل(4-22) جریان خروجی استاتور ژنراتور سنکرون در فاز b71
شکل(4-23) حالت زوم شده جریان خروجی استاتور ژنراتور سنکرون در فازb72
شکل(4-24) جریان خروجی استاتور ژنراتور سنکرون در فاز c72
شکل(4-25) حالت زوم شده جریان خروجی استاتور ژنراتور سنکرون در فاز c73
شکل(4-26) جریان خروجی استاتور ژنراتور سنکرون در راستای d از محور dq73
شکل(4-27) جریان خروجی استاتور ژنراتور سنکرون در راستای q از محور dq74
شکل(4-28) گشتاور الکتریکی خروجی از ژنراتور سنکرون74
شکل(4-29) حالت زوم شده گشتاور الکتریکی خروجی از ژنراتور سنکرون75
شکل(4-30) ولتاژ خروجی استاتور ژنراتور سنکرون در فاز a75
شکل(4-31) ولتاژ خروجی استاتور ژنراتور سنکرون در فاز b76
شکل(4-32) ولتاژ خروجی استاتور ژنراتور سنکرون در فاز c76
شکل (4-33) نمایی از بلاک s-function در سیمولینک77
شکل (4-34) نمایی کلی از کار در بلاک سیمولینک77
شکل (4-35) نمایی کلی از چرخه شبیه‌سازی s-function78
شکل(4-36) پارامتر بلاک مربوط به ولتاژ خط a (ولتاژ منبع)80
شکل(4-37) پارامتر بلاک مربوط به ولتاژ خط b (ولتاژ منبع)80
شکل(4-38) پارامتر بلاک مربوط به ولتاژ خط c (ولتاژ منبع)81
شکل(4-39) مشخصات پارامتر بلاک مربوط به تولیدکننده 6 پالسه81
شکل(4-40) مشخصات پارامتر بلاک مربوط به مبدل تریستوری82
شکل(4-41) مشخصات پارامتر بلاک مربوط به ماسفت موجود در مبدل باک82
شکل(4-42) مشخصات پارامتر بلاک مربوط به دیود موجود در مبدل باک83
شکل(4-43) مشخصات پارامتر بلاک مربوط RL در مبدل باک83
شکل(4-44) مشخصات پارامتر بلاک مربوط RC در مبدل باک84
شکل(4-45) مشخصات پارامتر بلاک مربوط به مقاومت R در مبدل باک84
شکل(4-46) مشخصات پارامتر بلاک مربوط به زیرسیستم مد لغزشی در مبدل باک85
شکل(4-47) مشخصات پارامتر بلاک مربوط به زیرسیستم کنترل‌کننده مد لغزشی در مبدل باک85
شکل(4-48) مشخصات پارامتر بلاک مربوط به سوئیچینگ در زیرسیستم مد لغزشی در مبدل باک86
شکل(4-49) مشخصات پارامتر بلاک مربوط به بلاک s-function86
چکیده
روش كنترل مد لغزشي يكي از مهمترين روشهاي كنترل غيرخطي مي‌باشد كه از مشخصه‌هاي بارز آن عدم حساسيت به تغيير پارامترها و دفع كامل اغتشاش و مقابله با عدم قطعيت است. اين كنترل‌كننده ابتدا سيستم را از حالت اوليه با استفاده از قانون رسيدن به سطح تعريف شده لغزش كه از پايداري مجانبي لياپانوف برخوردار است، رسانده و سپس با استفاده از قانون لغزشي آن را به حالت تعادل مي‌رساند. تاکنون در تحقیقات انجام شده به روش تغذیه استاتیک سیستم تحریک استفاده از مبدل‌های DC/DC کاهنده توجه ویژه‌ای نشده است.
در این پایان‌نامه، بعد از ترانسفورماتور قدرت و پل یکسوساز با استفاده از یک مبدل باک (Buck converter) کنترل‌شده با مد لغزشی برای کاهش هارمونیک‌های ورودی به سیم‌پیچ تحریک کاربرد دارد، استفاده کنیم.
ما در این پایان‌نامه با روش کنترل لغزشی سعی در کاهش اثرات اغتشاشات (شامل تغییر ولتاژ وردی و تغییر بار) و تنظیم ولتاژ خروجی با دینامیک بسیار سریع و حداکثر کاهش هارمونیک‌ها خواهیم بود. همچنین با استفاده از SIMULINK/MATLAB کارآمد بودن این سیستم را نشان خواهیم داد.
فصل اول:
مقدمه
1-1- مقدمه:ژنراتورها همواره یکی از مهمترین عناصر شبکۀ قدرت بوده و نقش کلیدی در تولید انرژی و کاربردهای خاص دیگر ایفا می‌کنند. و برای ژنراتورسنکرون برای تولید بخش اعظم توان الکتریکی در سراسر جهان به کار می‌رود .
در یک ژنراتور سنکرون یک جریان dc به سیم‌پیچ رتور اعمال می‌گردد تا یک میدان مغناطیسی رتور تولید شود سپس روتور مربوط به ژنراتور به وسیله یک محرک اصلی چرخانده می‌شود، تا یک میدان مغناطیسی دوار در ماشین به وجود آید. این میدان مغناطیسی یک ولتاژ سه فاز را در سیم پیچ‌های استاتور ژنراتور القاء می‌نماید. در رتور باید جریان ثابتی اعمال شود. چون رتور می‌چرخد نیاز به آرایش خاصی برای رساندن توان DC به سیم پیچ‌های میدانش دارد. برای انجام این کار 2 روش موجود است:
1- از یک منبع بیرونی به رتور با رینگ‌های لغزان و جاروبک .
2- فراهم نمودن توان DCاز یک منبع توان DC، که مستقیماً روی شفت ژنراتورسنکرون نصب می‌شود.
يك سيستم تحريك استاتيك به لحظ عملكرد شبيه تنظيم‌كننده اتوماتيك ولتاژ ميدان رفتار ميكند بطوريكه اگر ولتاژ ژنراتور كاهش داشته باشد جريان ميدان را افزايش ميدهد و بر عكس اگر ولتاژ ژنراتور افزايش داشته باشد جريان ميدان را كاهش ميدهد. در واقع سيستم تحريك استاتيك توان ميدان اصلي ژنراتور تأمين ميكند در حاليكه تنظيم كننده ولتاژ، توان ميدان تحريك كننده را برآورده مي‌سازد. در سيستم تحريك استاتيك 3 مؤلفه اصلي وجود دارند: قسمت كنترل، پل يكسوساز و ترانسفورماتور قدرت كه در تركيب باهم ميدان ژنراتور را براي دستيابي به ولتاژ خروجي مناسب، كنترل مي‌‌كنند.
جریان DC تزریق شده به سیم‌پیچ تحریک باید کیفیت بسیار بالایی داشته باشد در غیر این صورت اثرات هارمونیک‌های ورودی به سیم‌پیچ تحریک در شفت ژنراتور سنکرون نیز قابل مشاهده است. این عمل علاوه بر کاهش کیفیت توان تزریقی به شبکه باعث افزایش تلفات در سیستم و در نتیجه افزایش هزینه‌های بهرهبرداری می‌شود.
در این پایان نامه می‌خواهیم بعد از ترانسفورماتور قدرت و پل یکسوساز با استفاده از یک مبدل باک(Buck converter) کنترل شده با مد لغزشی برای کاهش هارمونیک‌های ورودی به سیم‌پیچ تحریک کاربرد دارد، استفاده کنیم.
روش كنترل مد لغزشي يكي از مهمترين روشهاي كنترل غيرخطي مي‌باشد كه از مشخصه‌هاي بارز آن عدم حساسيت به تغيير پارامترها و دفع كامل اغتشاش و مقابله با عدم قطعيت است. اين كنترل‌كننده ابتدا سيستم را از حالت اوليه با استفاده از قانون رسيدن به سطح تعريف شده لغزش كه از پايداري مجانبي لياپانوف برخوردار است، رسانده و سپس با استفاده از قانون لغزشي آن را به حالت تعادل مي‌رساند.
مطالعات نشان می‌دهد ریپل ولتاژ DC ورودی به سیم‌پیچ تحریک می‌تواند اثرات نامطلوبی بر خروجی و شفت ژنراتور سنکرون برجای گذارد. از طرفی روش‌های کنترل غیرخطی مثل روش کنترل لغزشی توانایی بالایی در تثبت و تنظیم ولتاژهای خروجی مبدل‌های DC/DC دارند ولی با این وجود باز هم ولتاژ خروجی دارای اعوجاجاتی است. فرضیه تحقیق این است با استفاده از مد لغزشی در مبدل باک، هارمونیک‌های ولتاژ خروجی مبدل را به حداقل برسانیم. در انتها با استفاده از نرم‌افزار قدرتمند MATLAB/ SIMULINK کار شبیه‌سازی کل و قسمت مربوط به فیلترینگ صورت خواهد گرفت.
1-2- پیشینه و سوابق:وظیفه اصلی سیستم تحریک تأمین جریان تحریک ماشین سنکرون است به علاوه با کنترل ولتاژ تحریک وظیفه کنترل و حفاظت یک سیستم قدرت را بر عهده دارد.]1[ برای تحریک ماشین‌های سنکرون روش‌های مختلفی وجود دارد، این روشها با پیشرفت تکنولوژی و گذشت زمان یکی پس از دیگری ابداع شده و برخی از این روشها دارای معایبی بوده که باعث شده است به فکر تغییر سیستم و اصلاح وارتقاء آنها بیفتیم]2[ سیستم تحریک با تغییر جریان dc سیم‌پیچ تحریک واقع بر روی رتور نیروی محرکه تولید شده ژنراتور را کنترل می‌کند تغییر بار نیروی محرکه ژنراتور نه تنها ولتاژ خرجی تنظیم می‌شود بلکه ضریب قدرت و دامنه جریان نیز کنترل می‌شود. مرجع]3[ درمورد انواع روش‌های تحریک من جمله روش تحریک استاتیک که در این مقاله مورد بررسی قرار خواهد گرفت صحبت شده است. در طراحی صورت گرفته در این پایان نامه می‌خواهیم از یک مبدل DC/DC باک برای تغذیه سیم‌پیچ تحریک استفاده کنیم. مبدلDC/D مبدلی است که جریان DC hc یک منبع را به سطح ولتاژی دیگر تبدیل می‌کند و ولتاژ خروجی می‌تواند از ولتاژ ورودی بیشتر یا کمتر باشد. مبدل باک (Buck converter) نوعی مبدل DC-DC کاهنده است. روش کنترلی مورد استفاده در این پایان‌نامه برای مبدل باک روش کنترل لغزشی می‌باشد.
در مرجع ]4[ از روش کنترل PID استفاده شده که سیستم در این حالت دارای سرعت پاسخ بالا هستند و می‌توانند اضافه جهش را نیز کاهش دهند. اما بعد از معرفی کنترل لغزشی در سال 1977 توسط یوتکین، استفاده از این نوع کنترلرها به خاطر خصوصیات زیادی که داشتن در الکترونیک قدرت روز به روز بیشتر می‌شد به طوری که در سال 1991 برای اولین‌بار از این نوع کنترلرها در مبدل‌های باک (Buck converter) توسط اسلوتین استفاده شد. ]5[
اما یکی از کارهای مهمی که می‌خواهیم در این پایان‌نامه انجام دهیم، استفاده از فیلترهای حذف هارمونیک در مبدل باک کنترل شده با مد لغزشی است تا بتوانیم حداکثر کاهش هارمونیک را داشته باشیم. در مرجع ]6[ از یک فیلتر RL بدون مبدل DC/DC برای کاهش هارمونیک‌های ورودی به سیم‌پیچ تحریک استفاده شده است.
در مراجع]7[ و ]8[ یک طراحی ساده برای استفاده از الکترونیک قدرت برای سیستم‌های تحریک مورد بررسی قرار گرفت که این طرح به خاطر هارمونی بودن ولتاژ ورودی به سیم‌پیچ تحریک منطقی به نظر نمی‌رسد. در مرجع ]9[ برای مبدل از یک کنترلر PI استفاده شده است ولی باز هم هارمونیک‌هایی در سیستم وجود دارند. در مراجع ]10[ و ]11[ از مبدل‌های Buck-Boost در سیستم تحریک استفاده شده است که همه این طرح‌ها بدون استفاده از فیلتر بوده و به طبع ولتاژ خروجی THD بالای دارد. ما در این پایان‌نامه علاوه بر استفاده از مبدل باک کنترل شده با مد لغزشی، با استفاده از فیلتری‌های حذف هارمونیک ولتاژ با هارمونیک بسیار کم را به سیم پیچ تحریک تزریق می‌کنیم.
1-3- مروری بر گذشته کنترل سیستم تحریک استاتیک ژنراتور سنکرون:
جهت تحریک ماشین‌های سنکرون روش‌های مختلفی وجود دارد این روشها با پیشرفت تکنولوژی و گذشت زمان یکی پس از دیگری ابداع شده است.برخی از این روشها دارای معایبی بوده که باعث شده به فکر تغیر و اصلاح آنها بیفتیم]2[تا بتوانیم بازده را بالاتر برده و هارمونیک‌ها را کمتر کرده و THD ولتاژ خروجی را کمتر کنیم.
1-3-1- کنترل اتوماتیک سیستم تحریک:]3[
در این سیستم در تحریک استاتیک ژنراتور سنکرون از کنترل اتوماتیک استفاده شده است بدین صورت که ولتاژ ترمینال بدون تحریک اپراتوری در محدوده عملیاتی کنترل ماشین سنکرون قرار دارد.
تنظیم ولتاژ تحت کنترل خودکار ممکن است با تحریک جریان بار اکتیو ویا راکتیو و یا توسط عناصر مختلف کنترل اصلاح شده باشد ویا ممکن است با محدودیت‌های مختلف تحریک در سیستم تحریک وجود داشته باشد.
1-3-1-1- مجموعه تشکیل دهنده کنترل ولتاژ:
به مجموعه‌ای اتلاق می‌گردد که در میزان ولتاژ اسمی کنترل شده در سیستم تحریک ماشین سنکرون دخالت دارد به این صورت که میزان ولتاژ ثابت است یا به تدریج با تغیر بار تغیرات انجام میگیرد.
1-3-1-2- تنظیم کننده(رگولاتور) ماشین های سنکرون:
در یک رگولاتور(تنطیم‌کننده) از یک جفت فیدبک و فوروارد استفاده شده است که ورودی و خروجی سیستم تحریک ماشین‌های سنکرون را کنترل کرده و به این صورت ورودی‌های تحریک را با متغیرهای خروجی تنظیم کند.
1-3-1-3- عناصر و اجزای کنترل اتوماتیک سیستم:
در شکل (1-1)که برای درک بهتر کنترل سیستم تحریک بیان شده است یک بلوک دیاگرام عمومی است جهت معرفی کنترل سیستم تحریک و عناصر محافظ آن معرفی می‌گردد:
شکل(1-1) اجزای کنترل اتوماتیک]3[
نمادهای شکل بالا بطور مستقیم بر گرفته از جدول زیر است:
جدول (1-1) فهرست علایم و اختصارات شکل (1-1) ]3[
نتیجه نهایی که در این روش مشاهده شده است این است که سیستم تحریک با تغیر جریان dc سیم‌پیچ واقع بر روی رتور نیروی محرکه تولید شده ژنراتور را کنترل می‌کند با تغیر بار نیروی محرکه ژنراتور نه تنها خروجی تنظیم می شود بلکه ضریب قدرت دامنه جریان کنترل می‌شود.
1-3-2- استفاده از سلف دوگانه یا دو تغذیه (dual self) در سیستم تحریک استاتیک: ]1[
در این سیستم علاوه بر کنترل ولتاژ تحریک ژنراتور سنکرون وظیفه کنترل و حفاظت سیستم قدرت را نیز بر عهده دارد]1[.که میتوان گفت از نظر کنترلی در نظارت از کیفیت پایینی برخوردار می‌باشد.
1-3-3- کنترل PID سیستم تحریک استاتیک:]4[
در این روش زمان واقعی سرعت موتور DC و کنترل موقعیت کارکرد آن با استفاده از هزینه کمتر را مورد بررسی قرار می‌دهد. در این روش از یک کمیت پردازش شده استفاده شده است که توسط نرم‌افزار متلب برای تولید مجموعه‌ای از عوامل مربوط به کنترل مورد نظر طراحی شده است.
در شکل (1-2) بلوک دیاگرام سیستم را تحت نظر قرار می‌دهیم.
شکل(1-2) بلوک دیاگرام سیستم کنترل دیجیتال]4[
در شکل (1-2) (r(t ورودی(نقطه آغاز) و c(t) خروجی و( D(z کنترل کننده دیجیتال و (G(s تابع انتقال و H(s) سنسور تابع انتقال فرم کنترل PID می‌باشد.
بر روی این سیستم تحریک آزمایشاتی نیز صورت گرفت که در این آزمایشات هم کنترل سرعت و هم کنترل موقعیت مورد بررسی قرار گرفت در نتایج حاصله از این آزمایش سرعت پاسخ بالا بوده و اضافه جهش نیز کاهش یافته است. ]4[
1-3-4- استفاده از فیلتر RL در سیستم تحریک استاتیک:]7[
در این مقاله از یک فیلترRL در ماشین‌هایAC استفاده شده است. استفاده از این فیلتر هارمونیک‌های تولید شده توسط یکسوکننده‌ها و هارمونیک‌های گشتاور فاصله هوایی سیستم تحریک را کاهش می‌دهد.]7[
در این سیستم جریان بالاتر از فرکانس خاص به نام فرکانس قطع از ژنراتور اصلی عبور کرده از طریق عبور از مقاومت موازی به ژنراتور اصلی راه پیدا می‌کند.]7[
در این مقاله دو راه حل را مورد آزمایش قرار داده است:
راه حل اول شبیه‌سازی سیستم تحریک سه فاز به سیستم تحریک شش فاز با استفاده از دوازده پالسه پل اصلاح و در روش دوم شبیه‌سازی سیستم تحریک با فیلتر RL ]7[
پس از انجام شبیه سازی و مقایسه FFT فرکانس رویت شده پس از اعمال فیلتر RL منظم تر شده و کاهش یافته ولی در حد مطلوب نبوده به این صورت که در مقایسه بین تجزیه تحلیل گشتاور فاصله هوایی با استفاده از فیلتر و سیستم تحریک فیلتر شده دیده می‌شود هارمونیک‌ها به اندازه کافی از بین نرفته است.
بنابراین این طرح به خاطر هارمونی بودن ولتاژ ورودی به سیم‌پیچ تحریک منطقی به نظر نمی‌رسد.
1-3-5- استفاده از مبدل باک-بوست جهت کنترل سیستم تحریک استاتیک:]11[
در این روش جهت کنترل سیستم تحریک استاتیک از یک مبدل باک – بوست به استفاده شده است.
در شکل (1-3) نمایی از یک سیستم کلاسیک تحریک را نشان می‌دهد:
شکل (1-3) دیاگرام شماتیک سیستم تحریک استاتیک]11[
این سیستم تحریک شامل یک ژنراتور سنکرون و کنترلر و مبدل می‌باشد در این سیستم تحریک قدرت از طریق یک ترانسفورماتور به ترمینال ژنراتور عرضه می‌گردد.]11[
از ویژگی‌های این سیستم داشتن ثابت زمانی بسیار کوچک و ارزان بودن و نگهداری ساده می‌باشد.
ماکزیمم ولتاژ خروجی سیستم تحریک وابسته به ولتاژ ورودی AC می باشد بنابراین در هنگام بروز خطای سیستم ولتاژ کاهش مییابد که این عامل باعث می‌شود سیستم تحریک به ماکزیمم ولتاژ دستیابی نداشته باشد.
شکل (1-4) سیستم تحریک را با مبدل باک – بوست به نشان داده می‌شود.
شکل(1-4) سیستم تحریک استاتیک ژنراتور سنکرون به همراه مبدل باک –بوست]11[
در سیستم تحریک شکل (1-4) به دلیل اینکه ولتاژ ورودی سیستم تحریک را افزایش دهیم از یک مبدل باک – بوست استفاده کردیم عملکرد مبدل بوست جهت افزایش ولتاژ ورودی به سیستم تحریک موثر می‌باشد]11[
در شکل(1-4) در قسمت A مبدل در حالت ماندگار عمل می‌کند و در قسمت B مبدل در حالت گذرا و استارت نرم (soft starting) عمل می‌کند.
مبدل افزاینده PMG(perment magnet generator) که همان ژنراتور مغناطیس دایم از سیستم تحریک AC می باشد نام دارد.
از مزایای این روش میتوان به موارد زیر اشاره کرد:]11[
1- از نظر پایداری سیستمی که با مبدل باک – بوست طراحی شده است پایدارتر است از سیستمی که این مبدل ندارد
2- این سیستم پیشنهادی در مقابل خطای سیستم قدرتمندتر نشان می دهد چون یک سیستم دوکاناله می باشد و از دو کانال سیستم را تحت کنترل قرار می دهد.
3- پایین‌ترین رنج ولتاژ کنتل برای یک سیستم تحریک معمولی 30% تا 40% از ولتاژ نامی است ولی پایین‌ترین رنج ولتاژ کنترل برای سیستم تحریک پیشنهادی 10% از ولتاژ نامی می‌باشد.
در این روش پس از انجام آزمایشات و شبیه‌سازی این نتیجه حاصل آمده که استفاده از مبدل باک – بوست در سیستم تحریک استاتیک می‌تواند روند کارکرد سیستم را بهبود ببخشد و پایداری سیستم را بالاتر برده ولی در شرایط خطا می‌تواند ثبات بیشتری نسبت به قبل داشته باشد.
1-4- اهداف این پایان‌نامه:برای تامین تغذیه دایمی سیستم تحریک ژنراتور سنکرون برق مورد نیاز از خروجی ژنراتور مورد استفاده قرار میگیرد. تامین برق مورد نیاز با مبدل باک کنترل شده با مود لغزشی در راستای تنظیم برق DC می‌تواند بسیار کارآمد باشد. نکته مهم در این بین کاهش هارمونیک‌های خروجی مبدل باک است که ما در این پایان‌نامه می‌خواهیم این کار را با استفاده از کنترلر مد لغزشی در مبدل باک. درنتیجه تلفات کمتر، هزینه سرمایه‌گذاری کمتر و نیاز به دایمی بودن سیستم برق تولیدی در ژنراتور سنکرون و سایر مزایای دیگر اجرای چنین پایان نامه‌ای را در جهت مناسب‌ترین الگوی طراحی تغذیه سستم تحریک لازم می‌شمارد.
کشور عزیزمان ایران به واسطه وسعت جغرافیایی دارای مراکز تولید برق متعددی می‌باشد که درصد بالایی از این مراکز همگی با استفاده از ژنراتورهای سنکرون برق مورد نیاز کشور را تولید می‌کنند. از طرف تامین برق سیستم تحریک این ژنراتورها نیازمند یک طراحی جامع و کاملی است که در تمام شرایط بتواند برق مورد نیاز این سیستم را و تنظیم ولتاژ مناسب تهیه کند. جریان مستقیم مورد استفاده در سیم‌پیچ تحریک باید عاری از هرگونه از هارمونیک باشد تا سیستم به بهترین شکل ممکن مورد بهرهبرداری قرار بگیرد. در این راستا باید مطالعات جامعی برای طراحی تغذیه این سیستم‌ها صورت پذیرد. این پایان‌نامه مورد استفاده بخش تولید انرژی برق و مولدهای الکتریکی می‌تواند قرار گیرد.
1-5- جنبه‌های نوآوری این پایان نامه:تاکنون در تحقیقات انجام شده به روش تغذیه استاتیک سیستم تحریک استفاده از مبدل‌های DC/DC کاهنده توجه ویژه‌ای نشده است. همچنین استفاده از مبدل‌های افزاینده یا افزاینده- کاهنده که بعضی از تحقیقات مورد استفاده قرار گرفته شده بود، با فرض عدم استفاده از فیلترهای حذف هارمونیک بوده است. ما در این پایان‌نامه علاوه بر استفاده از روش کنترل لغزشی سعی در کاهش اثرات اغتشاشات (شامل تغییر ولتاژ وردی و تغییر بار) و تنظیم ولتاژ خروجی با دینامیک بسیار سریع و حداکثر کاهش هارمونیک‌ها خواهیم بود. همچنین با استفاده از SIMULINK/MATLAB کارآمد بودن این سیستم را نشان خواهیم داد.
فصل دوم:
مقدمه‌ای بر مبدل باک
2-1- مبدل باک step-down(buck) converter:همانطور که نام این مبدل نشان می‌دهد ولتاژ متوسط خروجی کمتر از ولتاژ dc ورودی است. کاربرد اصلی این مبدل در منابع تغذیه dc تنظیم شده و کنترل سرعت موتورهای dc می‌باشد. ]12[
شکل(2-1-a) نمایی از یک مبدل ]12[
شکل(2-1-b) ولتاژ خروجی متوسط ]12[
برای یک بار مقاومتی شکل(2-1-a) مانند یک مبدل کاهنده عمل می‌کند. با فرض ایده‌آل بودن سوییچ و مقاومتی بودن بار ولتاژ لحظه‌ای خروجی به موقعیت سوییچ بستگی دارد با توجه به شکل(2-1-b) ولتاژ خروجی متوسط را میتوان بر حسب نسبت بازده سوییچ به دست آورد ]12[:
(2-1)
در رابطه (2-1) داریم:
(2-2)
حال D را در رابطه (2-2 ) قرار می‌دهیم:
(2-3)
که در آن:
(2-4)
با تغییر نسبت بازدهی ton/TS میتوان VO را کنترل کرد. مساله مهم دیگر این است که تغییرات VO نسبت به ولتاژ کنترل خطی است (همانند تقویت‌کننده‌های خطی) مدار ارائه شده در کاربردهای واقعی دو اشکال دارد ]13[: 1- در عمل بار سلفی است. حتی در بار مقاومتی همواره جریان سرگردان سلفی وجود دارد. به این ترتیب سوییچ انرژی القایی را جذب یا پراکنده می‌کند و ممکن است دچار خرابی شود. 2-ولتاژ خروجی بین صفر و Vd نوسان می‌کند که در اغلب کاربردها این نوسان قابل قبول نیست. برای رفع مشکل انرژی سلفی ذخیره شده میتوان مانند شکل (2-2-a) از یک دیود استفاده کرد. برای حذف بخش زیادی از نوسانات ولتاژ خروجی نیز میتوان یک فیلتر پایین گذر شامل یک سلف و یک خازن به کار برد.
شکل (2-2-b) شکل موج ورودی Voi به فیلتر پایین گذر (در واقع همان ولتاژ خروجی شکل (2-1-b) بدون فیلتر پایین گذر) را نشان می‌دهد که دارای مولفه dc برابر با VO و هارمونیک‌هایی در فرکانس سوییچینگ fs و مضارب آن باشد. مشخصات فیلتر پایین گذر یا میرایی ایجاد شده توسط مقاومت بار R در شکل (2-2-c) دیده می‌شود. فرکانس گوشه‌ای fc در این فیلتر بسیار پایین‌تر از فرکانس سوییچینگ در نظر گرفته می‌شود و به همین دلیل ریپل فرکانس سوییچینگ در ولتاژ خروجی گرفته می‌شود. در طول زمانی که سوییچ وصل است دیود شکل (2-2-a) بایاس معکوس است و ورودی انرژی را برای بار و سلف تامین می‌کند. در طول زمانی که سوئیچ قطع است. جریان سلف وارد دیود شده و بخشی از انرژی خود را به بار می‌دهد.
در تحلیل حالت ماندگار خازن فیلتر در خروجی بسیار بزرگ فرض می‌شود. این فرض در اغلب کاربردهایی که نیازمند ولتاژ لحظه‌ای نسبتاً ثابت هستند VO)= (t)VO) برقرار می‌باشد. مقدار ریپل ولتاژ خازن (ولتاژ خروجی) بعدا محاسبه می‌شود. با توجه به شکل (2-2-a) میتوان گفت در مبدل کاهنده جریان متوسط سلف برابر با جریان متوسط خروجی io است زیرا جریان متوسط خازن در حالت ماندگار صفر است.
(2-2-a) شمایی از تقویت کننده خطی ]12[
(2-2-b) شکل موج ورودی Voi به فیلتر پایین گذر ]12[
(2-2-c) مشخصات فیلتر پایین گذر یا میرایی ایجاد شده توسط مقاومت بار R ]12[
2-2- حالت هدایت پیوسته مبدل باک]12[:در شکل (2-3-a) شکل موج‌های مربوط به حالت کار هدایت پیوسته را نشان می‌دهد که در آن جریان سلف پیوسته است (0<(t)iL). وقتی سوئیچ در دوره زمانی ton وصل است جریان سلف توسط سوئیچ عبور داده شده و دیود در بایاس معکوس قرار میگیرد]12[.
این مساله باعث ایجاد یک ولتاژ مثبت VL=Vd-VO در سلف (2-3-b) می‌شود. این ولتاژ باعث ایجاد افزایش خطی جریان سلف iL می‌گردد. وقتی سوئیچ قطع می‌گردد به دلیل ذخیره انرژی موجود در سلف جریان iL ادامه مییابد.این جریان از دیود ادامه مییابد. این جریان از دیود عبور می‌کند و در این حالت در شکل(2-3-c) داریم]12[:
(2-5) VL= -VO
شکل (2-3-a) موج های حالت کار هدایت پیوسته ]12[
(2-3-c) (2-3-b)
(2-3-c) حالت هدایت پیوسته مبدل (2-3-b) حالت هدایت پیوسته مبدل
باک وقتی سوئیچ قطع است. ]12[ باک وقتی سوئیچ وصل است. ]12[
چون در حالت کار ماندگار شکل موج باید از یک دوره زمانی تا دوره بعد تکرار شود به همین دلیل انتگرال ولتاژ سلف VL باید در طول یک دوره زمانی صفر باشد. ]12[.
اگر:
(2-6) TS = toff + ton
داریم:
(2-7)
در شکل (2-3-a) این رابطه نشان می‌دهد که مساحت‌های A و B باید برابر باشند. بنابراین:
(2-8)
داریم:
(2-9)
بنابراین در این حالت برای ولتاژ ورودی معلوم ولتاژ خروجی به شکل خطی با نسبت بازدهی سوئیچ تغییر می‌کند. این مساله به هیچ کدام از پارامترهای دیگر مدار بستگی ندارد. رابطه بالا را میتوان با متوسط گیری از ولتاژ VOi در شکل (2-2-b) و با توجه به صفر بودن ولتاژ متوسط سلف در حالت ماندگار به دست آورد:
(2-10)
(2-11)
اگر از تلفات توان مربوط به المانهای مدارصرف نظر کنیم توان ورودی Pd با توان خروجی PO برابر خواهد بود:
(2-12) Pd=Po
بنابراین:
(2-13)
و داریم:
(2-14)
بنابراین در حالت هدایت پیوسته مبدل باک معادل یک ترانسفورمر dc است که در آن با کنترل نسبت بازدهی سوئیچ می توان نسبت دورهای ترانسفورمر معادل را به شکل پیوسته و الکترونیکی در بازه 0 تا 1 کنترل نمود.
مشاهده می‌شود که جریان متوسط ورودی id از روابط ترانسفورمر پیروی می‌کند اما شکل موج جریان لحظه‌ای در هر بار قطع شدن سوئیچ از مقدار پیک به صفر می‌رسد. برای رفع اثرات ناخواسته هارمونیک جریان ممکن است لازم باشد از یک فیلتر مناسب در ورودی استفاده کنیم .
2-3- ریپل ولتاژ خروجی مبدل باکدر تحلیل‌های قبل فرض بر این بود که خازن خروجی به قدری بزرگ است که VO(t)=VO اما با در نظر گرفتن شکل (2-4) برای حالت هدایت پیوسته میتوان ریپل ولتاژ خروجی را برای مقادیر واقعی خازن‌ها محاسبه نمود. با فرض اینکه تمامی مولفه‌‌های ریپل در iL از خازن عبور کرده و مولفه متوسط آن از مقاومت بار عبور می‌کند. ناحیه هاشور خورده شکل(2-4) نشان دهنده بار اضافی Q∆ خواهد بود. بنابراین ریپل ولتاژ پیک تا پیک VO∆ را میتوان به شکل زیر نوشت]14[:
(2-15)
و داریم:
(2-16)
شکل(2- 4) ولتاژهای خروجی برای حالت هدایت پیوسته ]14[
با توجه به شکل(2-3-a) در زمان toff داریم:
(2-17)
بنابراین با جای گذاری iL∆ از رابطه بالا در رابطه قبلی داریم:
(2-18)
که در آن فرکانس سوئیچینگ:
(2-19)
داریم:
(2-20)
رابطه بالا نشان می‌دهد که ریپل ولتاژ را میتوان با انتخاب فرکانس گوشه‌ای fc در فیلتر پایین گذر خروجی به شکل fc << fs به حداقل مقدار خود رساند.
همچنین تا زمانی که مبدل در حالت هدایت پیوسته کار می‌کند ریپل مستقل از توان باز خروجی است.
لازم به ذکر است که در منابع تغذیه سوئیچی dc درصد ریپل در ولتاژخروجی همواره کمتر از مقداری خاص (مثلا 1%) قرار میگیرد.بنابراین تحلیل بخش قبل با فرض VO(t)=Vo تحلیل معتبری است.
2-4- مزایا مبدل باک:مبدل باک دارای مزایایی به قرار زیر خواهد بود]14[:
1- طراحی مدارات بسیار ساده صورت میگیرد
2- قابلیت تحمل بار زیاد
3- تولید نویز ناچیز و نویزپذیری بسیار اندک
4- در كاربردهای توان پایین ارزانتر می‌باشند
5- زمان پاسخ‌دهی بالایی را دارند
2-5- معایب مبدل باک:
مبدل باک علاوه بر مزایایی که نامبرده شد دارای معایبی بصورت زیر نیز می باشد]14[:
1- به منظور تثبیت ولتاژ خروجی لازم است که ولتاژ ورودی 1 تا 2 ولت بیشتتر از ولتاژ خروجی باشد.
2- زمانی که سوئیچ روشن می‌شود هنوز دیود روشن است که به آسیب دیدگی سوئیچ ودیود منجر می‌شود (لذا باید از یک دیود سریع با زمان بازیابی حداقل استفاده شود).
3- سوئیچهای قدرت هنگام سوختن اتصال کوتاه می‌شوند به همین دلیل خروجی را به بار وصل می‌کنند (راه‌حل آن حس کردن تغییرات سریع جریان بار و انتقال آن به یتک تریستتور متوازی است). علی‌رغم تمامی معایب و محدودیتهایی که ذکر شد در شرایط عادی این منابع توانایی تحویل بیش از100 وات توان به خروجی را دارند.
2-6- مزایای منابع تغذیه سوئیچینگ:1- وزن و حجم كمتری را نسبت به منابع تغذیه خطی دارند.
2- بالا بودن راندمان از 66 % تا 90%.
3- داشتن مقدار بیشتری سطح ولتاژ در خروجی.
4- بدلیل افزایش فركانس كاری اجزای ذخیره كننده انرژی می‌توانند كوچكتر و درعین حال با كارایی بیشتری عمل كنند.
5- در توانهای بالا استفاده می‌شوند.
6- كنترل آسان خروجی با استفاده از قابلیتهای مدارات مجتمع.
2-7- معایب منابع تغذیه سوئیچینگ:1- نیاز به فیلتر كردن خروجی و حذف نویزهای تولیدی.
2- ناپایداری ولتاژ.
3- حساسيت زیاد به امواج محیط به گونه‌ای که بعضاً در مقابل دیش‌های مخابراتی اصلاً عمل نمی‌کنند.
2-8- کنترل مبدل DC-DC باک:در بسیاری از کاربردها ایجاد ولتاژ تثبیت شده از یک منبع ولتاژ متغیر مورد نیاز است. کنترل کننده‌های کلاسیک برای کنترل سیستم‌های خطی مورد استفاده قرار گرفته است. استفاده از این کنترل کننده‌ها در بعضی از سیستم‌های غیر خطی نیز قابل توجه است.
محک راث هورویتز و محک نایکوییست و دیاگرام بود و چارت نیکولز و روش مکان هندسی ریشه‌ها بعضی از روش‌های کنترل کلاسیک برای سنجش پایداری هستند. در طراحی پلانت غیرخطی و برای سنجش پایداری از روش‌های خطی سازی استفاده می‌گردد.
روش صفحه و فاز پایداری لیاپانوف روش پو-پووز و روشهایی همچون کنترل لغزشی و همچنین کنترل لغزشی با پارامترهای تطبیقی و فازی برای کنترل سیستم‌های غیر خطی در نظر گرفته شده است.
مبدل باک در صنعت و همچنین در پژوهش‌ها به صورت گسترده استفاده می‌شود. یکی از اصلی‌ترین محدودیت‌های این مبدل‌ها غیر قابل تنظیم بودن ولتاژ و جریان است. برای غلبه بر این مساله تکنیک‌های کنترل مختلفی در ترکیب این مبدل مورد استفاده قرار میگیرد. این تکنیک‌ها عبارتند از کنترل مد لغزشی، کنترل منطق فازی، مد کنترل ولتاژ، مد کنترل جریان که در این پایان‌نامه می‌خواهیم کنترل مد لغزشی مبدل باک را به تشریح توضیح دهیم.
مبدل باک یکی از مهمترین مبدل‌های dc-dc است که به طور گسترده‌ای در الکترونیک قدرت مورد استفاده قرار میگیرد. مساله اصلی این است که منبع تغذیه در هنگام عملیات کاری در مبدل باک غیرقابل تنظیم است که منجر به عملکرد نامناسب مبدل می‌گردد.
روش‌های ذکر شده در بالا متدهای مختلف کنترل آنالوگ و دیجیتال مورد استفاده در مبدل باک می‌باشد که توسط صنعت و تکنولوژی اتخاذ شده در مبدل باک ورودی عمدتاً غیر قابل تنظیم می‌باشد ولی ولتاژ dc خروجی ضرورتاً و الزاماً می‌بایست یک ولتاژ ثابت و غیر قابل تغییر می‌باشد. جهت تغیرناپذیری در جریان بار و ولتاژ ورودی از تنظیم‌کننده ولتاژ استفاده می‌گردد. انواع مختلف تنظیم‌کننده‌های ولتاژ به همراه طرح‌های متنوع کنترل و بالا بردن بهره‌وری مبدل باک مورد استفاده قرار میگیرد. امروزه با توجه به پیشرفت علم الکترونیک قدرت و بهبود فن‌آوری شدیداً نیازمند به قابلیت اطمینان بالا و تنظیم دقیق تکنولوژی می‌باشد. این باعث شده تا نیاز بیشتری برای پیشرفته‌تر شدن و طراحی بهتر جهت افزایش قابلیت اعتماد برای مبدل باک وجود داشته باشد. انواع مبدل‌های dc-dc و از جمله مبدل باک نیازمند به انواع مختلف تکنولوژی‌های کنترلی می‌باشد زیرا یک تکنیک خاص نمی‌تواند تمام مشخصات مختلف یک مبدل را شناسایی کرده و عمل کند.
2-9- بهبود پاسخ حالت دائمی با طراحی کنترل کننده مد لغزشی:
دراین بخش ابتدا با بیان تئوری کنترل لغزشی مدلسازی و مدل فضاي حالت براي مبدل باك، تعیین قانون کنترل و سطح لغزش و مساله کنترل لغزشی و پاسخ ولتاژ خروجی را به دست آورده، سپس به بررسی کاهش تلفات سوییچینگ می‌پردازیم.
2-10- توصیف مبدل:نمای شماتیک مبدل باک در (شکل 2-5) نشان داده شده است مبدل از یک سوییچ اصلی سلف خروجی دیود و خازن خروجی تشکیل شده است. اجزای مبدل ایده‌ال در نظر گرفته شده‌اند. برای تحلیل مبدل جریان سلف و ولتاژ خازن به عنوان متغیرهای حالت انتخاب می‌گردند. ]12[
شکل (2-5) نمای شماتیک مبدل باک]12[
2-11- مدلسازی مبدل باک:اگر رفتار مبدل در حالت CCM در نظر گرفته شود با توجه به شکل (2-6( در این حالت با نوشتن روابط ولتاژ و جریان کیرشه، برای حلقه‌های ورودی و خروجی مدل مبدل در فضای نامتقارن حالت بدست می‌آید.
شکل (2-6) مدلسازی مبدل در فضای حالت]12[
با در نظر گرفتن جریان سلف و ولتاژ خازن به عنوان متغیرهای حالت خواهیم داشت]12[:
(2-21)
که در آن Vref ولتاژ مرجع و Vo ولتاژ خروجی و ic جریان خازن می‌باشد. در نتیجه خواهیم داشت:
(2-22)
