تحقیق يك ساختار نوين براي مبدلهايac-ac با ورودي و خروجي سينوسي بدون نياز به خازن مدار واسط

چكيده : مبدلهاي استاتيك ac-ac يا مبدلهاي فركانس از اولين و پركارترين سيستمهاي الكترونيك قدرت مي باشد . بصورت سنتي اين مبدلها با ساختار ac-dc-ac ، يعني با يك مدار واسط dc باعث افزايش حجم و تلفات سيستم مي گردد . از طرف ديگر بخاطر عمر محدود خازنهاي الكتروليت بكار رفته در مدار واسط dc ، قابليت اطمينان مبدلهاي نوع ولتاژ وابسته به اين المانها شده كاهش مي يابد ، مبدلها مستقيم ac-ac يا مبدلهاي ماتريسي فاقد عيوب فوق هستند . ولي بخاطر عدم پيشرفت كليدهاي دوطرفه و مشكلات كموتاسيون جريان، مجدداً داراي قابليت اطمينان هستند در اين مقاله يك ساختار نوين براي مبدلهاي ac-ac ارائه مي شود كه ضمن دارا بودن شكل موجهاي سينوسي در ورودي و خروجي ، فاقد فيلتر هاي حجيم و بعضاً گران مدار وسط dc مي باشد . علاوه بر اين ، استفاده از مدولهاي رايج و مرسوم در بازار باعث سهولت ساخت ، ارزاني و قابليت اطمينان بالاي ساختار پيشنهادي مي گردد كليد زني مبدل پيشنهادي با الهام از روش مدولاسيون بردار فضائي در مبدلهاي ماتريسي انجام مي پذيرد . 

1- مقدمه 

يكي از ساختارهاي پركاربرد الكترونيك قدرت در صنايع امروزي مبدلهاي ac-ac مي باشند . از مهمترين كاربرد اين ساختارها مي توان به درايوهاي دور متغير ac كه از يك شبكه ac با فركانس ثابت تغذيه مي نمايند اشاره كرد . توربينهاي بادي و ميكروتوربين هاي دور بالا كه امروزه در توليد گستردة انرژي بسيار مورد توجه قرار گرفته اند نيز از ديگر سيستمهايي هستند كه نياز به يك مبدل ac-ac در خروجي خود دارند .

مبدلهاي ac-ac امروزه به دو گروه اساسي قابل تقسيم هستند : 

1-مبدلهاي غير مستقيم با مدار واسط dc يا مبدلهاي ac-dc-ac 

2-مبدلهاي مستقيم ac-ac يا مبدلهاي ماتريسي

ساير مبدلهاي ac-ac شبيه مبدلهاي با مدار واسط رزونانسي امروزه كمتر يافت شده و به صورت تجارتي و صنعتي توسعه چنداني نداشته اند .

مبدلهاي غير مستقيم ac-ac با مدار واسط dc يا مبدلهاي ac-dc-ac عليرغم ترپولوژي نسبتاً قديمي ، امروزه از پركاربردترين و مرسوم ترين مبدلهاي ac-ac مي باشند . دو ساختار از معروفترين اين مبدلها ، مبدل با مدار واسط dc از نوع ولتاژ و مبدل با مدار واسط dc از نوع جريان ميباشند . مراجع زيادي به مقايسه اين دو ساختار پرداخته هر يك براي كاربرد خاصي بيشتر تجويز شده اند . معهذا ساختار نوع ولتاژ امروزه به مراتب پركاربردتر مي باشد . 

مبدلهاي ac-dc-ac با مدار واسط dc از نوع ولتاژ داراي يك طبقه يكسو كننده در ورودي ، خازنهاي فيلتر مدار واسط dc ، و طبقه اينورتر خروجي ميباشند . اين مبدلها از نظر كليدهاي نيمه هادي و مدارهاي كنترل در طي ساليان گذشته پيشرفتهاي زيادي كرده و عملكرد آنها از نقطه نظر قابليت اطمينان بهبود يافته است . معهذا هنوز هم يكي از نقاط ضعف چنين مبدلهايي خازنهاي مدار واسط هستند . اين خازنها كه عموماً از نوع الكتروليت هستند بخصوص در قدرتها و ولتاژهاي زياد ، بزرگ و گران بوده و عليرغم پيشرفت تكنولوژي ، داراي عمر محدود مي باشند . بهمين دليل امروزه عامل اساسي در خرابي چنين مبدلهايي خازنهاي مدار واسط dc مي باشند . از طرف ديگر استفاده از يكسو كننده هاي ديودي درورودي چنين مبدلهايي اعوجاج زيادي در جريان ورودي ايجاد مي كند . در صورت استفاده از يكسو كننده هاي PWM درورودي ، اين مشكل حل مي گردد ولي مجدداً فيلترهاي ورودي حدود 20 تا 30 درصد به حجم سيستم مي افزايد (2).

اصولاً خازن مدار رابط در مبدلهاي ac-dc-ac نوع ولتاژ نقش مجزا كردن مبدلهاي ورودي و خروجي را به عهده داشته و انرژي هاي لحظه اي دو مبدل را تأمين يا جذب مي نمايد . براي كاهش ظرفيت يا حذف اين خازنها و كاهش حجم و افزايش قابليت اطمينان اين مبدلها ، روشهاي گوناگوني پيشنهاد شده اند(4،3،2) . يكي از اين روشها مبني بر كنترل لحظه اي توان مدار رابط dc ميباشد (3) . متأسفانه اين تكنيك در مدارهاي عملي پيچيده بوده و قابليت اطمينان پائيني دارد(2) . مدار معرفي شده در مرجع (4 ) نياز به استفاده از كليدهاي دو طرفه دارد كه همانگونه كه در ادامه ذكر خواهد شد از عيوب آن محسوب مي گردد . در مرجع شماره 2 نيز طبقه ورودي كماكان اعوجاج زيادي ايجاد مي نمايد .

يكي از روشهاي حذف خازن مدار واسط dc استفاده از مبدلهاي مستقيم ac-ac يا مبدلهاي ماتريسي ميباشد . اين مبدلها نسل جديد سيكلو كتورترها هستند كه با استفاده از كليدهاي كنترل شونده دو طرفه مي توانند قابليتهاي زيادي را در حجم هاي كوچك فراهم آورند . محاسن عمدة اين مبدلها عبارتند ار :

• حداقل نياز به عنصر ذخيره كننده انرژي و در نتيجه كاهش حجم

• حصول به شكل موجهاي سينوسي در ورودي و خروجي 

• ضريب قدرت جابجايي قابل كنترل

• عملكرد چهار ربعي

معهذا عدم بلوغ تكنولوژي در ساخت كليدهاي دو طرفه موجب گرديده است كه اين مبدلها از نقطه نظر قابليت اطمينان و مسائل كموتاسيون جريان دچار نقطه ضعف باشند . عليرغم اين مسئله پيش بيني مي شود كه چنين مبدلهايي در ساليان آينده پيشرو مبدلهاي ac-ac بشوند.

در اين مقاله ساختار يك مبدل جديد ac-ac معرفي مي گردد . عليرغم شباهت اين ساختار به مبدلهاي غير مستقيم ac-dc-ac ، هيچگونه فيلتري در مدار واسط dc بكار نرفته و لذا اين ساختار از نقطه نظر حجم و قابليت اطمينان ، بخصوص در قدرتها و ولتاژهاي زياد ، مطلوب تر و قابل اطمينان تر خواهد بود . شباهت روشهاي پردازش PWM در ساختار پيشنهادي با مبدلهاي ماتريسي موجب گرديده است كه بتوان در ورودي اين مبدل شكل وجهاي سينوسي با ضريب قدرت جابجائي قابل كنترل بدست آورد . از آنجا كه ساختار مبدل پيشنهادي از مبدلهاي ماتريسي منتج مي گردد ، در ابتدا اين مبدلها مورد بررسي قرار مي گيرند . 

2-مبدلهاي ماتريسي

همانطور كه در مقدمه ذكر گرديد مبدلهاي ماتريسي نسل جديد سيكلو كنورترها هستند كه بجاي استفاده از تريستور، در ساختار آنها از كليدهاي كنترل شده ، دو طرفه استفاده شده است . شكل 1-الف ساختار يك مدل ماتريسي را نشان مي دهد . پياده سازي كليدهاي دو طرفه با توجه به تكنولوژي امروزي عموماً توسط دو كليد كنترل شدة يكطرفه ، شبيه شكل    1-ب ، انجام مي پذيرد . هدف از كليدزني در يك مبدل ماتريسي در درجة اول پردازش ولتاژهاي PWM سه فاز سينوسي با دامنه و فركانس متغيير در خروجي مي باشد . با توجه به ساختار يك مبدل ماتريسي   مي توان دريافت كه در هر لحظه پردازش ولتاژهاي خروجي توسط هر يك از ولتاژهاي ورودي امكان پذير مي باشد . با اين وجود در تأيين الگوي كليد زني بايد به نكات اساسي زير توجه گردد:

الف : از آنجا كه بار مبدلهاي ماتريسي معمولاً سلفي است ، لذا براي جلوگيري از وقفه جريان لازم است در هر لحظه حداقل يكي از كليدهاي متصل به فازهاي خروجي روشن باشد . توجه شود كه در يك مبدل ماتريسي ، ديود موازي معكوس موجود در كليدهاي يك اينورتر نوع ولتاژ وجود ندارد .

ب: با توجه به تغذيه اين مبدلها توسط منبع ولتاژ ، هيچيك از فازهاي ورودي نبايد اتصال كوتاه شوند .