خلاصه پایان نامه ارائه روش جدید کلید زنی در مبدل اصلاح ضریب توان شپارد- تیلور
پایان‌نامه
مقطع کارشناسی ارشد
رشته : مهندسی برق (قدرت)
چکیده فارسی:
امروزه با گسترش مصرفکننده های DC و بارهای غیرخطی متصل به شبکه، طراحی و ساخت مدارات اصلاح ضریب توان با استفاده از مبدلهای الکترونیک قدرت، اهمیت ویژه‌ای یافته است. با پیشرفت تکنولوژی، مدارات مجتمع در این عرصه به کمک آمده‌اند. با توجه به پیچیدگی و عملکرد غیر خطی این مبدلها و نیاز به کنترل لحظهای جریان ورودی و ولتاژ خروجی در آنها استفاده از مدارات مجتمع و پردازشگرهای الکترونیکی امری اجتناب ناپذیر است.
مبدل شپارد- تیلور یکی از انواع جدید مبدلهای اصلاح ضریب توان میباشد که بدلیل عملکرد مطلوب آن در این حوزه و مشخصه‌های غیر معمول و منحصر به فرد در نگاه‌داشتن رگولاسیون ولتاژ خروجی با مقادیر ولتاژ ورودی بسیار پایین، در سالیان اخیر مورد توجه محققان قرار گرفته است.
روشهای کنترل متعددی جهت کنترل پالس کلیدزنی و اصلاح ضریب توان برای مبدل اصلاح ضریب توان شپارد- تیلور ارائه شده است. در این پایان نامه نیز سعی میشود تا با اصلاح روش کلیدزنی و ارائه یک روش کنترلی جدید به منظور کاهش تلفات کلیدزنی مبدل اصلاح ضریب توان شپارد- تیلور، ضمن حفظ شکل موج جریان ورودی در حالت سینوسی (هم فاز با ولتاژ ورودی)، عملکرد مدار را بهبود داده و تلفات کلیدزنی را کاهش دهیم. به منظور پیادهسازی عملی این مبدل، الگوریتم روش کنترل پیشنهادی با استفاده از یک مدار کنترل ساده و کارا با استفاده از میکروکنترلر AVR طراحی و معرفی میشود. در انتها جهت اطمینان از صحت عملکرد مدار، نتایج بدست آمده از شبیه‌سازی با مقادیر بدست آمده از آزمایشات عملی مقایسه می‌شوند. جهت رسیدن به هدف نهایی که ساخت مبدل اصلاح شده‌ی شپارد- تیلور با روش کلیدزنی جدید بر مبنای روش کنترل هیستزیس میباشد، در ابتدا براساس تحقیقاتی که توسط سایر محقیقین در گذشته انجام شده بود، مبدل اصلاح ضریب توان شپارد-تیلور در نرم‌افزارهای متلب و پروتئوس شبیه‌سازی گردید و پس از حصول نتایج قابل قبول، مبدل اصلاح شده در روش کنترل پیشنهادی نیز با این دو نرم‌افزار مورد شبیه‌سازی قرار گرفت. سپس با توجه به نتایج شبیه‌سازی، مدار در ابعاد آزمایشگاهی پیادهسازی شد. نتایج شبیه‌سازی و آزمایشات عملی در فصل چهارم آورده شده که به خوبی نشان می‌دهد، مبدل در روش کنترل پیشنهادی دارای عملکرد مطلوب میباشد.
واژه‌های کلیدی: اصلاح ضریب توان، مبدل شپارد- تیلور، کنترل هیسترزیس، میکروکنترلر AVR، پیادهسازی و ساخت، کاهش تلفات کلیدزنی.
1-1-مقدمه
الکترونیک قدرت ترکیبی از قدرت، الکترونیک و کنترل است. کنترل به بررسی مشخصه‌های دینامیک و حالت پایدار سیستم‌های با حلقه بسته می‌پردازد. قدرت، وسایل قدرت استاتیک و گردنده را که در تولید، انتقال و توزیع توان الکتریکی بکار‌گرفته می‌شوند را بررسی می‌کند. الکترونیک، مدارها و وسایل پردازشگر یا پردازنده سیگنال‌ها را بررسی می‌کند که برای بدست آوردن هدفهای کنترلی مطلوب مورد استفاده قرار می‌گیرند. الکترونیک قدرت را می‌توان به صورت کاربردهای الکترونیک حالت جامد در کنترل و تبدیل توان الکتریکی نیز تعریف کرد. الکترونیک قدرت بر اساس خاصیت کلیدزنی عناصر نیمه‌هادی قدرت پایه گذاری شده است. با پیشرفت تکنولوژی نیمه‌هادی‌های قدرت، قابلیت کار با توان و سرعت کلیدزنی بالا در ادوات الکترونیک قدرت بطور قابل ملاحظه‌ای بهبود یافته است. پیشرفت در تکنولوژی میکروکنترلرها[1] تاثیر زیادی در کنترل و ایجاد روشهای کنترلی برای عناصر نیمه‌هادی قدرت داشته است[1].
همانطورکه قبلا اشاره شد الکترونیک قدرت بر کلیدزنی المان‌های قدرت استوار است. بکارگیری این المان‌ها معایبی را هم به همراه دارد. غیرخطی بودن این عناصر باعث به وجود آمدن اعوجاج در شکل موج جریان خط میشود که خود سبب بوجود آمدن معایب زیادی از جمله کاهش ضریب توان[2] (P.F)به عنوان یکی از مهمترین اثرها میشود. مبدلهای اصلاح ضریب توان[3] (PFC) ورودی را به حالت سینوسی و هم‌فاز با ولتاژ نزدیک می‌کنند. مشکل اعوجاجات جریان ورودی مدت زیادی است که شناخته شده است. اخیرا توجه به اثرات زیان آور هارمونیک‌ها منجر به ایجاد یک فرمولاسیون راهبردی و همچنین استانداردهایی گردیده است که باعث شده توجه به راههای محدود کردن اعوجاجات جریان بیشتر شود[3].
به طورکلی PFC، ظرفیت تولید یا جذب توان راکتیو در یک بار متصل به شبکه بدون استفاده از منبع میباشد. ضریب توان را می‌توان نسبت توان واقعی[4] به توان ظاهری[5] و به صورت رابطه (1‑1) تعریف کرد:
(1‑1)
که در آن توان واقعی مقدار متوسط حاصلضرب ولتاژ لحظهای در جریان لحظهای در یک سیکل میباشد و توان ظاهری حاصلضرب مقدار موثر جریان در مقدار موثر ولتاژ میباشد. اگر ولتاژ و جریان سینوسی و هم فاز باشند، ضریب توان مقدار واحد و برابر با یک خواهد داشت. در صورتیکه ولتاژ و جریان سینوسی و غیر هم‌فاز باشند ضریب توان کسینوس اختلاف فاز آنها خواهد بود. این تعریف از ضریب توان تنها در مواقعی که ولتاژ و جریان سینوسی باشند معتبر است، به عبارتی تعریف فوق از ضریب توان، تنها تحت شرایطی که بار ترکیبی از عناصر خطی مانند مقاومت، خازن و القاگر باشد مورد استفاده قرار می‌گیرد، این در حالی است که معمولا در ورودی مبدلهای اصلاح ضریب توان یک یکسوساز نیم‌موج یا تمام‌‌موج قرار دارد، که همین امر یعنی استفاده از عناصر غیرخطی در این مبدلها باعث میشود که نتوانیم از تعریف فوق برای ضریب توان استفاده کنیم.
1-2-موضوع پایان‌نامه
در یک دسته‌بندی کلی می‌توان روشهای اصلاح ضریب توان را به دو دسته‌ی کلی اصلاح ضریب توان غیرفعال[6] و فعال[7] تقسیم‌بندی نمود. روشهای اصلاح ضریب توان غیرفعال عموما به کنترل توان راکتیو جذب شده از منبع می‌پردازند. در روش اصلاح ضریب توان غیرفعال، برای از بین بردن اختلاف فاز بین ولتاژ و جریان کشیده شده از منبع، یک خازن با ظرفیت مناسب را با بار موازی می‌کنند تا جریان و ولتاژ ورودی باهم هم‌فاز شوند. در روش اصلاح ضریب توان فعال که در مبدلهای اصلاح ضریب توان الکترونیک قدرت و منابع تغذیه سوییچینگ مورد استفاده قرار می‌گیرد، با کنترل شکل موج جریان ورودی، اصلاح ضریب توان انجام میشود. در روش اصلاح ضریب توان فعال پالس اعمالی به کلید‌های مبدل طوری خواهد بود که جریان ورودی سینوسی و هم‌فاز با ولتاژ منبع باشد.
در این پایان نامه، در فصل 2 مروری بر تعاریف ارائه شده برای ضریب توان و همچنین روشهای اصلاح ضریب توان خواهیم داشت، سپس در ادامه عملکرد مداری مبدلهای DC که در مبدلهای اصلاح ضریب توان مورد استفاده قرار می‌گیرند بررسی خواهند شد و در نهایت روشهای کنترلی این مبدلها با هم مقایسه می‌شوند و چگونگی عملکرد یکی از روشهای کنترلی به طور کامل شرح داده خواهد شد. در فصل 3 مروری بر چگونگی عملکرد مبدل شپارد- تیلور[8] خواهیم داشت، سپس در ادامه فصل 3 به طور خلاصه به بررسی مقالاتی که در این زمینه منتشر شده‌اند خواهیم پرداخت. در انتها چگونگی عملکرد روش جدید کلیدزنی پیشنهادی شرح داده خواهد شد. در فصل 4 نتایج شبیه‌سازی‌های انجام شده و نتایج آزمایشات عملی با استفاده از روش کلیدزنی پیشنهادی، ارائه خواهند شد.
در این پایان‌نامه در ابتدا عملکرد مبدل شپارد- تیلور بعنوان یکی از انواع جدید مبدلهای اصلاح ضریب توان مورد بررسی قرار خواهد گرفت. سپس با تغییر در ساختار این مدار، یک روش جدید کلیدزنی بر‌مبنای روش کنترل هیسترزیس جهت کاهش تلفات مدار مذکور ارائه گردیده است. در روش پیشنهادی تلفات کلیدزنی مبدل، نسبت به روش کلیدزنی مرسوم کاهش یافته است. جهت رسیدن به هدف نهایی که ساخت مبدل اصلاح شده‌ی شپارد- تیلور با روش کلیدزنی جدید بر مبنای روش کنترل هیستزیس میباشد، در ابتدا براساس تحقیقاتی که توسط سایر محقیقین در کذشته انجام شده بود، مبدل اصلاح ضریب توان شپارد-تیلور در نرم‌افزارهای متلب و پروتئوس شبیه‌سازی گردید و پس از حصول نتایج قابل قبول مبدل اصلاح شده در روش کنترل پیشنهادی نیز با این دو نرم افزار مورد شبیه‌سازی قرار گرفت. سپس با توجه به نتایج شبیه‌سازی مدار در بعد آزمایشگاهی پیادهسازی شد. نتایج شبیه‌سازی و آزمایشات عملی در فصل چهارم آورده شده که به خوبی نشان می‌دهد، مبدل در روش کنترل پیشنهادی دارای عملکرد مطلوب میباشد.
Today, due to the propagation of DC consumers and nonlinear loads connected to the network, designing and constructing circuits for power factor correction by using power electronic converters, has a special importance. As the technology advances, integrated circuits appeare to help in this area. Due to the complexity and non-linearity performance of these converters and the need to control the input current and the output voltage in them, using integrated circuits and electronic processors is inevitable.
Sheppard–Taylor converter is one of the new power factor correction converters, which draw the attention of researchers in recent years due to it’s optimum performance in this area. Different control methods are presented to control the switching pulse and power factor correction for Shepard-Taylor power factor correction converter. In this thesis, I will try to modify switching method and present a new control method to reduce the switching losses of the Sheppard-Taylor power factor correction converter, while maintaining the waveform of input current in sinusoidal mode (same phase with the input voltage) and also I will try to improve the circuit performance and reduce switching losses. For practical implementation of this converter, the algorithm proposed control method uses a simple and efficient control circuit using AVR microcontroller design is introduced. Finally, to ensure the accuracy of the circuit performance, the results of simulation are compared with the results obtained from practical experiments.
Key Word: Power factor correction, Sheppard-Taylor converter, Hysteresis control, AVR Microcontroller, Practical implementation, Reduce the switching losses
فهرست پایان نامه ارائه روش جدید کلید زنی در مبدل اصلاح ضریب توان شپارد- تیلور
فهرست:
1-........... مقدمه و کلیات تحقیق.. 2
1-1- مقدمه. 2
1-2- موضوع پایان‌نامه. 3
1-3- نوآوری پژوهش.... 4
1-4- هدف از انجام پژوهش.... 5
2-........... مقدمه‌ای بر اصلاح ضریب توان. 7
2-1- مقدمه. 7
2-2- ضریب توان.. 7
2-3- ضریب توان و کاهش هارمونیک‌ها 8
2-4- روشهای اصلاح ضریب توان.. 9
2-5- مبدلهای DC.. 10
2-5-1 توپولوژی باک... 12
2-5-2 توپولوژی بوست... 13
2-5-3 توپولوژی باک-بوست... 14
2-5-4 توپولوژی کیوک... 15
2-6- توپولوژی شپارد- تیلور 16
2-7- روشهای کنترلی مبدلهای اصلاح ضریب توان.. 16
2-7-1 روش کنترل هیسترزیس.... 18
2-8- مبدل اصلاح ضریب توان شپارد- تیلور 20
منبع:
مراجع
[1] محمد رشید/ الکترونیک قدرت: مدارها ،عناصر و کاربردها/ تهران: نورپردازان/ مترجمان ابراهیم افجه‌ای، مجید مهاجر.
[2] جرج سی.کریسیس/ منابع تغذیه سوئیچینگ فرکانس بالا، تئوری و طراحی/انتشارات دانشگاه آزاد اسلامی واحد رودهن/1388/ مترجمان حسن مرادی چشمه بیگی، سید فرزام حبیب تبار.
N. Mohan/ Power Electronics And Drives/ MNPERE/ Minneapolis, 2003.
ON semiconductor/ power factor correction (PFC) handbook/ ON semiconductor/ HBD853/ D/ Rev.4, Feb-2011/ pages 9-18
F. L. Luo, H. Ye,M. Rashid/ Digital power electronics and applications. s.l. : Elsevier (USA)/ 2005.
L. Rossetto, G. Spiazzi, and P. Tenti/ Control techniques for power factor correction converters/ in Proc. Power Electronics/ Motion Control (PEMC)/ September 1994/ pp. 1310–1318.
D.I. Sheppard and B.E. Taylor/ A New Converter Topology Imparts Non-pulsating Currents to Input and Output Lines/ Proc. PCI/MOTOR-CON/ pp. 60-73/ 1983.
C. K. Tse and M. H. L. Chow, "Single Stage High Power Factor Converter Using the Sheppard-Taylor Topology", 27th Annual IEEE Power Electronics Specialists Conference, 1996. PESC '96 Record, 23- 27 June 1996 Page(s): 1191 -1197 vol.2.
C. K. Tse and M. H. L. Chow, "New single-stage PFC regulator using the Sheppard-Taylor topology, " IEEETrans. Power Electronics,vol.13,Nc 5,Sept 1998,pp.842-851.
L.Zhao, B.Zhang, H.Ma, X.Liu “Research and Experiment of Sheppard-Taylor Topology” Industrial Electronics Society, IECON 2005. 31st Annual Conference of IEEE, 2005.
H. Y. Kanaan, A. Hayek, K. Al-Haddad,: ‘Modeling and control of a single-phase Sheppard–Taylor based power factor corrector’. IEEE Int. Conf. on Industrial Technology (ICIT), 2006, pp. 2785–2790.
H. Y. Kanaan, A. Hayek, K. Al-Haddad,: ‘Small-signal averaged model and carrier-based linear control of a Sheppard–Taylor PFC’. IEEE Int. Symp. on Industrial Electronics (ISIE), 2007, pp. 527–532
H. Y. Kanaan, A. Hayek, K. Al-Haddad,: ‘Averaged model based control of a Sheppard–Taylor PFC with nonlinearity compensation’. Canadian Conf. on Electrical and Computer Engineering (CCECE), 2007, pp. 1006–1009
H. Y. Kanaan, A. Hayek, K. Al-Haddad,: ‘Comparative study of two average-model-based PWM control schemes for a Sheppard Taylor PFC’. IEEE Power Electronics Specialists Conf. (PESC), 2007, pp. 2893–2898.
M. Rezanejad, M. Dargahi, S. Lesan, A. R. Noee, M. Karami, M. Joshani,: ‘Study and control of Sheppard–Taylor DC–DC converter’. IEEE Second Int. Power and Energy Conf. (PECon), 2008, pp. 219–223.
H. Y. Kanaan, A. Hayek, K. Al-Haddad,: ‘A new single-phase power factor corrector based on the sepic and Sheppard–Taylor topologies’. Proc. 29th Int. Telecommunications Energy Conf. (INTELEC), 2007, pp. 840–847.
M. R. Abedi, F. Tahami,: ‘Analysis and design of predictive control strategy for Sheppard–Taylor based PFC rectifier’. IEEE Int. Symp. on Industrial Electronics (ISIE), 2008, pp. 397–402
H. Y. Kanaan, A. Hayek, K. Al-Haddad.: ‘Small-signal averaged model and carrier-based linear control of a new Sheppard–Taylor-based PFC’. Proc. 34th Annual Conf. of IEEE Industrial Electronics (IECON), 2008, pp. 953–958
H. Y. Kanaan, A. Hayek, K. Al-Haddad, I. Mougharbel,: ‘Design, study, modelling and control of a new single-phase high power factor rectifier based on the single-ended primary inductance converter and the Sheppard–Taylor topology’, IET Trans. Power Electron., 2009, 2, pp. 163–177
M. R. Abedi, F. Tahami, A.A. Sahari.: ‘A predictive control strategy for the Sheppard–Taylor based PFC rectifier’. IEEE Second Int. Power and Energy Conf. (PECon), 2008, pp. 1156–1160
M. Rezanezhad, M. Dargahi, S. Lesan, A.R. Noee.: ‘Sliding mode control of modified Sheppard–Taylor PFC converter’. IEEE Int. Multitopic Conf. (INMIC), 2008, pp. 38–41
C. Chiang Hua, H. Chin Chiang, C. Wei Chuang.: ‘New boost converter based on Sheppard–Taylor topology’. IET Power Electron., 2014, Vol. 7, Iss. 1, pp. 167–176
M. Rezanejad, M. Dargahi, S. Lesan, A. R. Noee, M. Karami,: ‘New switching method for Sheppard–Taylor PFC converter’. IEEE Second Int. Power and Energy Conf. (PECon), 2008, pp. 793–796.