دانلود تحقیق طراحی و ساخت جبران کننده ایستای توان راکتیو منبع ولتاژی برای جبران بار

کلمات کلیدی: جبران کننده ایستای توان راکتیو، SVC ، STATCOM، اینورتر چند سطحی.

چکیده هدف، طراحی و ساخت یک جبران کننده ایستای توان راکتیو از نوع منبع ولتاژی و بصورت چند سطحی بوده‌است، یک اینورتر سه سطحی از نوع اینورترهای متوالی با توان نامی +3KVAR طراحی و ساخته شده‌است، و یک روش کنترلی بر اساس کنترل اختلاف فاز با استفاده از مدولاسیون برنامه‌ریزی و بهینه شده اجرا شده‌است.

مدارات پروژه شامل برد راه‌انداز کلیدهای الکترونیک قدرت، بردهای اندازه‌گیری ولتاژ و جریانهای فیدبک، برد پردازشگر اصلی، برد حفاظت از خازنها بوده‌است.

1- مقدمه از پیشرفته‌ترین کنترل کننده‌های توان راکتیو که در دو دهه اخیر به مدد پیشرفت ساخت ادوات نیمه‌هادیهای قدرت با توان بالا ارائه شده‌اند جبران کننده‌های ایستای توان راکتیو ( SVC ) می‌باشند.

این جبران کننده‌ها در مقایسه با جبران کننده‌های دیگر مزایایی مانند قابلیت انعطاف بیشتر و سرعت پاسخ بالاتر دارند، یکی از آخرین انواع SVC نوع اینورتری آن معروف به STATCOM می‌باشد که نسبت به انواع قبلی مزایایی مانند استفاده از حداقل عناصر ذخیره کننده انرژی، فضای کمتر مورد نیاز و سرعت پاسخ بالاتر دارد، در این جبران کننده‌ها از مبدلهای DC/AC استفاده می‌شود که در حالت کلی می‌توانند چند سطحی باشند.

اینورترهای چند سطحی نسبت به اینورترهای متداول قابلیت کار در توانها و ولتاژهای بالاتری دارند و همچنین در فرکانس کلیدزنی مشابه میزات آلودگی کمتری به لحاظ هارمونیکی ایجاد می‌کنند.

از آنجا که برای نمونه آزمایشگاهی طراحی، ساخت و تست یک سیستم تک فاز راحتتر است، جبران کننده مورد نظر بصورت تکفاز در نظر گرفته شد ولی در طراحی همواره سعی شد تا ملاحظاتی در نظر گرفته شود که سیستم قابل گسترش به سه‌فاز هم باشد و یا اینکه بتوان برای هر فاز یک جبران کننده مستقل در نظر گرفت.طراحی براساس دو اینورتر متوالی انجام شده که یک اینورتر پنج سطحی تکفاز را تشکیل می‌دهد.

در طراحی سعی شده که همه متغیرهای لازم بصورت نرم‌افزاری وجود داشته باشند تا انواع روشهای مدولاسیون و کنترل قابل پیاده سازی باشند و در انتها دو روش مدولاسیون و کنترل اجرا شده‌است.

2- تقسیم بندی یک جبرانساز ایستای سنکرون با کنترل میکروپروسسوری را می‌توان بصورت شکل 1) تقسیم بندی نمود.

هدف از تقسیم بندی مستقل سازی وظایف هر یک از بخشها و ریز کردن پروژه به بخشهای کوچکتر است.

در اینجا به توصیف مختصری از شرح وظایف هر یک از این بخشها می‌پردازیم.

شکل1) بلوک دیاگرام جبران کننده طراحی شده 2-1- حفاظت ورودی وظیفه این بخش حفاظت کل سیستم شامل جبران کننده و بار در مقابل خطاهای اضافه ولتاژ یا اضافه جریان است.

از آنجا که این سیستم در حال تست بوده و به دفعات زیاد آزمایش می‌شود در مقابل وقوع خطا مستعد بوده و حفاظت در مقابل انواع خطاها از جمله اضافه ولتاژ و اضافه جریان بعلت خطاهای سیستم و ناپایداری آن لازم به نظر می‌رسد.

این قسمت شامل چهار نوع حفاظت زیر می‌باشد.

- حفاظت اضافه جریان کم و بلند مدت - حفاظت اضافه جریان زیاد و لحظه‌ای - حفاظت اضافه ولتاژ کم و بلند مدت - حفاظت اضافه ولتاژ زیاد و لحظه‌ای 2-2- فیلتر ورودی وظیفه این بخش فیلترکردن جریان کل سیستم شامل جبران کننده و بار است تادرحد ممکن درشبکه برق شهری هارمونیکهای کمتری تزریق گردد، وجود این بخش از آن جهت لازم به نظر می‌رسید که بدلیل موقعیتهای مختلف و زیاد در تست، تأثیر کارکرد سیستم بر شبکه بخصوص مصرف کننده‌های نزدیک را کاهش دهیم، این بخش از یک فیلتر LC تشکیل شده است.

شکل 2) فیلتر ورودی 2-3- بخش ترانسهای جریان و ولتاژ این بخش از دو عدد ترانسفورماتور جریان و ولتاژ تشکیل شده است تا از جریان و ولتاژ مجموعه بار و جبران کننده اندازه گیری نمایند.

ترانسفورماتور ولتاژ جهت تهیه سیگنالی متناسب و ایزوله از ولتاژ ورودی استفاده می‌شود، نسبت تغییرات ولتاژ صفر تا 250 ولت اولیه به صفر تا 10 ولت ثانویه می‌باشد.

ترانسفورماتور جریان جهت تهیه سیگنالی متناسب و ایزوله از مجموع جریان بار و جبران کننده استفاده می‌شود.

نسبت تغییرات صفر تا 100 آمپرجریان اولیه به تغییرات صفر تا 250 میلی آمپر ثانویه است.

این ترانسفورماتور در حالتهای خطا و گذرا نباید به اشباع یا ناحیه غیر خطی نزدیک گردد و به این منظور دامنه کارکرد آن بزرگتر در نظر گرفته شده‌است.

2-4- بخش اتصال بار این بخش جهت اتصال بار امکاناتی را فراهم می‌نماید و بطور ساده می‌تواند فقط شامل ترمینالهایی باشد، این بخش به این علت در نظر گرفته شده است تا موقعیت اتصال بار به سیستم مشخص باشد.

در این بخش امکانات دیگری نظیر کلید، فیوز و محافظتهای دیگر می‌توان در نظر گرفت.

2-5- بخش راکتانس این بخش شامل یک سلف است که راکتانس اصلی جبران کننده ایستای توان راکتیو به منظور فیلتر سازی ولتاژ خروجی اینورتر می‌باشد.

مقدار سلف از رابطه اصلی جبران کننده توان راکتیو و مشخصات مورد نیاز بدست آمده است و به صورت زیر طراحی شده است: (1) که α زاویه آتش پالسهای اینورتر است ،اگر Vs برابر 220 ولت باشد و توان راکتیو +3KVAR تا –3KVAR بخواهیم داشته باشیم آنگاه : (2) L=10mH (3) IMAX=14A 2-6- کلیدهای اصلی این بخش شامل کلیدهای اصلی اینورتر از نوع IGBT می‌باشد که به صورت آرایش تمام پل و تک فاز بسته شده‌اند.

همچنین مدارهای اسنابری، دیودهای موازی- معکوس، خازنهای طرف DC در این بخش هستند.

آرایش این بخش بصورت دو اینورتر متوالی تک فاز تمام پل است که یک اینورتر تک فاز پنج سطحی را تشکیل می‌دهند.

کلیدها از نوع IGBT همراه با دیودهای موازی- معکوس هستند که با توجه به نیازهای طراحی و المان بصرفه موجود در بازار ایران، المان SKM75GD123 از محصولات شرکت SEMIKRON انتخاب شده است.

مدار اسنابر : با توجه به پیشنهاد سازنده کلیدها و اینکه از نوع IGBT هستند، یک مدار اسنابر خازنی ساده برای کلیدها کفایت می‌کند، که با توجه به این پیشنهاد از خازنهای از نوع MKP با سلف بسیار کم در نزدیکترین نقطه به کلیدها با اندازه 100nF تا 200nF استفاده شده است.

مدار محافظت اتصال کوتاه: این بخش شامل یک فیوز و یک مدار تشخیص اضافه جریان است که در صورت عبور جریان بیش از حد از خازن با اصال کوتاه نمودن مدار باعث سوختن فیوز می‌شود.

محافظت در لحظه راه‌اندازی: چنانچه اینورتر را بصورت شکل 3) در نظر بگیریم در لحظه‌ای که ولتاژ خازن پائین بوده و مدار به برق شهر متصل می‌گردد مسیری از طریق دیودهای موازی- معکوس برای شارژ اولیه خازن وجود دارد که جریان این شارژ اولیه می‌تواند تا چندین برابر جریان نامی کلیدها و دیودها باشد و حتی به خازنها نیز صدمه بزند ، برای جلوگیری از این موضوع همواره مقاومتی با این خازن سری بوده و در صورتی که ولتاژ آن از حدی بیشتر شود توسط رله ای این مقاومت اتصال کوتاه می‌گردد.

شکل3) اینورتر و مدار محافظت راه‌اندازی - محاسبه اندازه خازن: اندازه خازن با توجه به مقدار تضاریس قابل تحمل برای بخش مدولاسیون و کنترل کننده بصورت زیر محاسبه می‌شود: (4) که در طراحی مورد نظر مقدار ولتاژ خازنها را 310 ولت و مقدار تضاریس آنها را 40+ ولت در نظر گرفته شده‌است.

2-7- بخش فیدبک این بخش فیدبکهای لازم را برای پردازشگر اصلی تهیه می‌نماید، فیدبکهای لازم برای سیستم شامل اندازه ولتاژ خازنهای طرف DC در اینورترها، اندازه و فاز جریان و ولتاژ سیستم می‌باشند.

این سیگنالها قبل از رسیدن به پردازشگر اصلی و مبدل آنالوگ به دیجیتال باید ایزوله و مهیا شده باشند که در این بخش انجام می‌گیرد.

این بخش از دو برد تشکیل شده است، یک برد اندازه‌گیری ولتاژ و جریان ورودی سیستم و برد دوم اندازه‌گیری ولتاژ خازنهای طرف DC و مدار راه‌انداز رله حفاظت این خازنها.

2-7-1- برد اندازه‌گیری I و V این برد سیگنالهایی متناسب با ولتاژ و جریان سیستم متشکل از بار و جبران کننده را از ترانسهای جریان و ولتاژ دریافت می‌نماید و در انتها این سیگنالها را مطابق بلوک‌ دیاگرام شکل4) برای مبدل آنالوگ به دیجیتال مربوطه در برد پردازشگر آماده می‌سازد، همچنین سیگنالی هم فاز با فاز ولتاژ شبکه و فرکانس 16 برابر آن نیز تهیه نموده و به پردازشگر می‌دهد، لازم به ذکر است که تمام ورودیهای این برد توسط ترانسفورماتورها از بخش قدرت و برق شهر ایزوله شده‌اند و نیازی به ایزولاتور در این برد نیست.

بلوک دیاگرام برد اندازه‌گیری جریان و ولتاژ مدار قفل فاز و سنکرون کننده: این بخش شامل دو بلوک بصورت شکل 5) می‌باشدکه جهت تحقق مدار آشکار ساز عبور از صفر از یک تقویت کننده با گین مثبت و مشخصه هیستریزیس استفاده شده است.

در بخش مدار قفل فاز از تراشه LM565 با مدار پیشنهادی سازنده استفاده شده است، در مسیر فیدبک آن از یک شمارنده چهار بیتی استفاده شده که به این وسیله یک ضرب کننده فرکانس ایجاد شده است، از خروجی این بخش برای سنکرون کردن سیستم با شبکه برق شهری استفاده شده است.

مدار قفل فاز و سنکرون کننده: این بخش شامل دو بلوک بصورت شکل 5) می‌باشدکه جهت تحقق مدار آشکار ساز عبور از صفر از یک تقویت کننده با گین مثبت و مشخصه هیستریزیس استفاده شده است.

شکل 5) بلوک دیاگرام مدار قفل فاز شکل 6) مدار قفل فاز و ضرب کننده فرکانس 2-7-2- ‌ برد اندازه‌گیری ولتاژ خازنهای اینورترها و حفاظت آنها وظیفه این مدارات اندازه‌گیری ولتاژ خازنهای طرف DC اینورترها است، از آنجا که بسته به نوع کلید زنی، تلفات مدار و مقدار توان حقیقی جابجا شده ولتاژ طرف اتصال DC تغییر می‌کند و امکان افت یا افزایش ولتاژ آن از حد تعیین شده وجود دارد این بخش ولتاژ خازنها را اندازه گیری نموده و بعد از ایزوله کردن برای مبدل آنالوگ به دیجیتال در بخش پردازشگر اصلی آماده می‌نماید.

وظیفه دیگر این برد تحریک رله ای است که مقاومت سری با خازن های مذکور را اتصال کوتاه می‌کند، بدلیل محدود کردن جریان راه‌اندازی اولیه ( وقتی که ولتاژ خازنها پائین است ) مقاومتی بصورت عادی با خازن سری است و چنانچه ولتاژ خازن از حدی بیشتر شد این مدار رله‌ای را تحریک نموده و مقامت مذکور را اتصال کوتاه می‌کند.

بلوک دیاگرام این بخش بصورت شکل زیر است.

شکل 7) بلوک دیاگرام برد اندازه‌گیر ولتاژ خازنها 2-8- منبع تغذیه این بخش وظیفه تهیه تغذیه‌های لازم برای بخشهای دیگر را بعهده دارد، بخشهایی که از این بخش تغذیه می‌شوند عبارتند از: بخش پردازشگر اصلی، بخش فیدبک و بخش راه‌انداز کلیدها.

این بخش تغذیه‌های 5+ ، 12+ و12- ولت را برای این بخشها تهیه می‌نماید که از یکدیگر ایزوله نمی‌باشند و زمین یکسانی دارند، در مراحل آزمایشگاهی می‌توان از منابع تغذیه موجود بجای این بخش استفاده نمود.

2-9- راه‌انداز کلیدها وظیفه این بخش راه‌اندازی گیتهای کلیدها می‌باشد، توسط پردازشگر اصلی زمان خاموش/روشن شدن کلیدها به این بخش اعلام می‌گردد و این بخش این فرمانها را ایزوله نموده و به گیتها اعمال می‌نماید، وظیفه دیگر این بخش حفاظت از کلیدها در مقابل خطاهای احتمالی و فیدبک دادن به پردازشگر اصلی در موقع وقوع خطا است.

این برد به منظور راه‌اندازی، کنترل و حفاظت چهار کلید الکترونیکی قدرتی از نوع IGBT طراحی شده است که بصورت دو کلید در یک ساق قرار گرفته‌اند، این برد دو وظیفه ایزولاسیون سیگنالهای فرمان و محافظت کلیدها را در برابر عدم کارکرد صحیح و ایجاد زمان مرده بین فرمان دو کلید را دارا می‌باشد.

بلوک دیاگرام این بخش بصورت شکل8) می‌باشد: شکل 8) بلوک دیاگرام راه‌انداز کلیدها از آنجا که همواره در مدارات اینورتری در هر فاز دو کلید وجود دارد که در یک ساق قرار می‌گیرند و شرایطی بر نحوه کلیدزنی و عملکرد آنها وجود دارد این برد به منظور برقراری این شرط بصورت ذیل طراحی شده است: 1- ایجاد زمان مرده بین روشن شدن متوالی کلیدهای یک ساق.

2- جلوگیری و ممانعت از هر گونه امکان روشن شدن همزمان دو کلید.

3- اعمال سیگنال فرمان گیت و فرمانهای کنترلی بصورت ایزوله.

4- حفاظت از کلیدها.

2-9-1- جلوگیری از همزمانی روشن شدن و ایجاد زمان مرده برای ایجاد زمان مرده زمانهای روشن شدن و خاموش شدن کلیدها را در نظر بگیریم به زمان td نیاز است تا در آن زمان هر دو کلید خاموش باشند، که مطابق شکل زمان مورد نظر توسط مدارات RC و معکوس کننده‌ها ایجاد شده است، مقدار RC و سطح آستانه ورودی معکوس کننده، زمان td را تعیین می‌نمایند.

مطابق شکل 9) در این بخش، از دو گیت معکوس کننده در ورودیها استفاده شده است تا با استفاده از ویژگی اشمیت تریگر ورودی آنها استفاده شود و اگر نویزی روی ورودیها باشد حذف شوند، و از یک گیت معکوس کننده و یک انتخابگر استفاده شده است تا چنانچه برد بخواهد همواره سیگنال دو کلید بصورت معکوس یکدیگر باشند این امکان وجود داشته باشد.

شکل 9) مدار بخش جلوگیری از همزمانی روشن شدن دو کلید و ایجاد زمان مرده از گیت AND و یک معکوس کننده نیز برای ایجاد سیگنالهای EXT-ENABLE و Power-good استفاده شده‌است، چنانچه هر دو این سیگنالها یک باشند این بخش بدرستی عمل خواهد نمود، لازم به ذکر است که ترکیب مدار فوق از هرگونه همزمانی روشن بودن دو کلید جلوگیری می‌کند و روشن شدن هر کلید مشروط به خاموش بودن کلید دیگر و آنهم بعد از سپری شدن زمان td از خاموش شدن آن است.

2-9-2- اعمال فرمانهای کنترلی و فیدبکهای ایزوله در این بخش برای هر یک از کلیدها، از یک مدار مجتمع HPL-316J استفاده شده است، این مدار مجتمع سیگنال فرمان ورودی را بصورت ایزوله و تقویت شده به کلید اعمال می‌نماید، تقویت سیگنال از این جهت لازم به نظر می‌رسد که اولاً دامنه ولتاژ اعمالی به گیت-امیتر کلیدها باید حدود 15 تا 18 ولت باشد و مهمتر آنکه بدلیل وجود خازن نسبتاً بزرگ دیده شده از طرف گیت-امیتر سیگنال فرمان گیت-امیتر باید قابلیت شارژ سریع اولیه این خازن را داشته باشد تا کلید سریع و با تلفات روشن شدن کم روشن گردد.

شکل 10) مدار اعمال فرمانهای کنترلی و فیدبکهای ایزوله از این مدار مجتمع در وضعیت معکوس و خاموشی/بازنشانی عمومی مطابق مدار پیشنهادی در داده‌های سازنده استفاده شده است، در این حالت فرمان ورودی به پایه معکوس ( پایه دوم) متصل شده است و وضعیت غیر فعال به معنی روشن بودن کلید است و سیگنال خطای همه کلیدها بصورت OR سیمی به یکدیگر متصل شده‌اند و به ورودی مستقیم (پایه یک) این مدار مجتمع متصل شده‌اند، همچنین پایه RESET همه مدار مجتمع ها به یکدیگر متصل شده‌اند.

با این آرایش چنانچه مدار مجتمع یکی از کلیدها خطایی اعلام نماید باعث غیر فعال شدن عملکرد همه کلیدها می‌شود و تا یک سیگنال RESET اعمال نگردد وضعیت سیستم در همین مرحله خواهد ماند.

2-10- پردازشگر اصلی وظیفه این بخش پردازش اطلاعات دریافتی از فیدبکهای گرفته شده و تهیه فرمانهای لازم برای گیتهای کلیدها می‌باشد تا توان راکتیو بار را طبق الگوریتم کنترلی ارائه شده جبران نماید، در این بخش از یک پردازنده 80196 استفاده شده است و از امکان ارتباط و برنامه پذیری از طریق یک کامپیوتر شخصی نیز برخوردار است، به این صورت که یک برنامه ثابت در حافظه فقط خواندنی قرار می‌گیرد و بعد از RESET شدن برد منتظر دریافت برنامه‌ای از طریق پورت سریال با استاندارد RS232 می گردد و پس از دریافت کامل برنامه اجرا و پردازش پردازنده را در اختیار برنامه دریافتی قرار می‌دهد، این عمل باعث سهولت وتسریع تستهای مختلف نرم‌افزاری می‌گردد.

بطور خلاصه وظایف پردازنده را می‌توان بصورت محاسبات لازم جهت موارد زیر نام برد: الف) اجرای الگورتم کنترل و جبران توان راکتیو مطابق یکی از روشهای پیشنهادی.

ب) کنترل و تصحیح ولتاژ خازنهای طرف DC .

ج) فرمان دادن به گیت کلیدها مطابق روش مدولاسیون.

د) لحاظ نمودن استفاده یکسان از کلیدها و اینورترها.

ه) حفاظتها و اعلام آلارمهای لازم.

و) نمونه برداری و تبدیل سیگنالهای آنالوگ به دیجیتال.

با توجه به کلاک 16MHz برای پردازنده، در هر سیکل برق شهر حدود 80,000 دستورالعمل را می‌توان اجرا نماید، با ملاحظات در نظر گرفته شده برای بخش کنترل و مدولاسیون پردازنده می‌تواند تا 14 نمونه برداری در هر سیکل از ورودیها برای محاسبات اندازه‌گیری و اعمال 32 سیگنال گیت به کلیدها در هر سیکل ( فرکانس کلیدنی 1600Hz ) را داشته باشد.

برای اطمینان از توانایی پردازنده 12 نمونه برداری از هر چهار کانال ورودی در هر سیکل و فرکانس کلیدزنی 1400Hz برگزیده شده است 2-11-باس‌وسیگنالینگ‌بردهای‌الکترونیکی به منظور ماژولار بودن و سهولت طراحی و تست سخت افزار از یک باس اختصاصی استفاده شده است.

این باس از دو بخش تشکیل شده است، بخش اول که سیگنالهای قدرتی هر برد را هدایت می‌کند و بخش دوم که سیگنالهای دیجیتال را بین بردها هدایت می‌کند.

3- طراحی سیستم مدولاسیون بخش مدولاسیون، زاویه α را از کنترل کننده گرفته و فرامین مناسبی به کلیدهای اینورترهای A و Bاعمال می‌نماید، همانطور که در تشریح نحوه کنترل خواهد آمد، در این طراحی توان راکتیو با کنترل زاویه α کنترل می‌شود، که زاویه α مقدار اختلاف زاویه ولتاژ برق شهر و اینورتر است.

طراحی بقیه اجزاء سیستم بگونه‌ای صورت گرفته است که تمام اطلاعات لازم برای کنترل کننده و مدولاتور بصورت نرم‌افزاری موجود هستند از این رو امکان اجرای الگوریتمهای مختلف مدولاسیون بصورت نرم‌افزاری وجود دارد.

در این بخش ابتدا آرایشهای مختلف کلیدزنی را که در این جبران کننده پنج سطحی وجود دارند بیان خواهند شد و سپس روشهای مدولاسیون پیشنهادی ارائه خواهند شد.

3-1- آرایشهای مختلف کلیدزنی: آرایش اینورتر پنج سطحی طراحی شده بصورت ترکیب متوالی دو اینورتر سه سطحی تمام پل می‌باشد که به اینورترهای A و B نامیده می‌شوند، با این ترکیب چند حالت کلیدزنی وجود خواهد داشت که الگوریتم کنترل کننده و مدولاسیون از این حالتها استفاده می‌نماید.

3-2- سطح ولتاژ مورد نظر در خروجی اینورتر: بر اساس اینکه چه سطح ولتاژی از ولتاژهای 2V، V، صفر، -Vو –2V یکی از این پنج حالت انتخاب می‌گردد.

3-3- جهت جریان جبران کننده و ولتاژ خازنها: از آنجا که سیستم در فرکانس پنجاه هرتز و بصورت AC کار می‌کند منظور از جهت جریان جبران کننده مثبت یا منفی بودن آن در هر لحظه می‌باشد، جریان جبران کننده در یک جهت باعث افزایش ولتاژ خازنها شده و در جهت دیگر باعث کاهش ولتاژ آنها خواهد شد و اگر جبران کننده بدون تلفات کار کند و جریان آن عمود بر ولتاژش می‌باشد(اختلاف فاز 90 درجه بین ولتاژ وجریان ) همواره در انتهای یک سیکل ولتاژ خازن ثابت خواهد ماند و تغییری نمی‌کند اما بدلیل وجود تلفات و تغییرات مقدار توان راکتیو جذب یا تزریقی توسط جبران کننده همواره لازم است که ولتاژ خازنها تغییر کنند که این عمل با ایجاد شیفت فاز کوچکی انجام می‌گردد، حال مقدار شیفت فاز و جهت جریان جبران کننده باید به نحوی صورت گیرد که این عمل به افزایش یا کاهش ولتاژ خازن خواسته شده منجر شود.

3-4- استفاده یکسان از کلیدها و اینورترها:از آنجا که دو اینورتر بصورت یکسان و مشابه طراحی شده‌اند، لازم است بصورت یکسان از آنها استفاده شود بخش مدولاسیون می‌تواند با استفاده مناسب از روشهای مختلف و حالتهای انتخابی از کلیدها و اینورترها بصورت یکسان استفاده نماید.

3-5- کاهش تعداد کلیدزنیها: این نکته را می‌توان این چنین بیان کرد که بعد از اتمام یک حالت کلیدزنی برای ایجاد حالت بعدی یک تعداد از کلیدهای روشن باید خاموش شوند و یک تعداد از کلیدهای خاموش باید روشن گردند و یک تعداد نیز در وضعیت قبلی خود بمانند، حال در این بین حالتهای مختلفی وجود دارند که بخش مدولاسیون می‌تواند حالتی را انتخاب نماید که کمترین تغییر وضعیت کلیدها را در پی داشته باشد، این عمل کلیه مزایای کاهش تعداد کلیدزنی نظیر تلفات کمتر و افزایش طول عمر قطعات را در پی خواهد داشت.

3-6- بدست آوردن الگوی مدولاسیون در اینجا الگوریتم مدولاسیون برنامه ریزی شده استفاده می‌شود، در این‌ روش زوایای کلیدزنی و سطوح ولتاژ آنها در یک چهارم دوره کلید زنی تعیین می‌شوند و برای بقیه دوره بصورت متقارن تکرار می‌گردند.

با توجه به مشخصات سیستم و ملاحظات طراحی، هفت زاویه کلید زنی بصورت α1 تا α7 مناسب به نظر می‌رسد در ابتدا باید الگوی PWM مذکور را بدست آورد و پس از آن برای بدست آوردن هفت زاویه، هفت درجه آزادی خواهیم داشت که باید به نحو مناسب از آنها استفاده نمود، در تدارک این شرطها روشهای متفاوتی پیشنهاد می ‌شوند که در بخش بعدی بیان خواهند شد.

برای بدست آوردن این الگو و زوایای تقریبی از چهار روش مدولاسیون استفاده ‌شد.

این روشها بر اساس شکل موج سینوسی و مثلثی می‌باشند که برای اینورترهای چند سطحی توسعه یافته‌اند، برای یک اینورتر M سطحی M-1 موج حامل نیاز دارند، برای بدست آوردن این الگو روشهای فوق شبیه سازی شدند و الگویی مطابق شکل11) بدست آمد شکل 11) الگوی مدولاسیون بدست آمده 3-7- بدست آوردن زوایای کلیدزنی همانطور که بیان شد برای بدست آوردن زوایای کلیدزنی هفت درجه آزادی داریم روشهای مختلف بصورتهای مختلف از این موضوع استفاده می‌کنند اما در این میان شرایطی نیز بصورت ذاتی بر این زاویا باید رعایت شوند که عبارتند از: الف) توالی زوایا بصورت زیر (5) ب)رعایت حداقل اختلاف زوایای متوالی که به دلیل محدودیتهای ذاتی مدارات اعمال زوایای کلیدزنی با اختلاف کمتر از یک حد امکان پذیر نمی‌باشد، این حداقل اختلاف حدود دو تا سه درجه است.

(6) ج) در اغلب روشها شرط اندیس مدولاسیون نیز باید رعایت گردد تا دامنه مؤلفه اصلی ولتاژ در مقدار تعیین شده تضمین گردد.

در تهیه بقیه شروط اغلب از دو روش حذف هارمونیکهای خاص و روش مینیمم کردن طیف هارمونیکها برای ولتاژ/ جریان استفاده می شود که قبل از بررسی این دو روش باید بر اساس الگوی بدست آمده تبدیل فوریه شکل موج را محاسبه نمود.

با توصیفات گذشته در مورد الگوی کلیدزنی که دارای تقارن نیم موج است، مؤلفه‌های کسینوسی تبدیل فوریه آن صفر بوده و مؤلفه‌های سینوسی زوج آن نیز بدلیل تقارن نیم موج صفر است، در نتیجه تبدیل فوریه شکل موج ولتاژ خروجی اینورتر بصورت زیر بدست می‌آید: (7)n های فرد که مؤلفه اصلی ولتاژ V1 و مؤلفه هارمونیک nام ولتاژ Vn می‌باشد و با فرض R می‌توان نوشت.

مؤلفه اصلی جریان I1 برابر: (8) و مؤلفه‌های هارمونیک nام جریان، In برابر: (9) است.

باید این نکته را در نظر گرفت که اگر سیستم بصورت سه فاز کار می‌کرد هارمونیکهای مضرب سه وجود نداشتند و این هارمونیکها نیز از محاسبات حذف می‌شدند.

حال دو روش محاسبه زوایای α1 تا α7 را بررسی می‌کنیم.

الف- مینیمم کردن طیف هارمونیکها: در این روش طبق تعریف THDV و THDI بصورت زیر داریم: (10) (11) طبق استانداردها THDI باید کمتر از 5% و THDV باید کمتر از 10% باشد.در نهایت این روش به مینمم کردن این دو پارامتر تبدیل می‌شود که یک مسئله غیر خطی بهینه‌سازی است.

ب- حذف هارمونیکهای خاص: در این روش هارمونیکهای خاصی را حذف می‌کنند و از آنجا که هارمونیهای پائین تر مؤلفه‌های بزرگتری دارند اغلب شرایط بر اساس مینیمم کردن یا حذف هارمونیکهای پائین صورت می‌گیرد، که در اینجا هارمونیکهای سوم، پنجم، هفتم و … وجود دارند که به تعداد درجات آزادی سیستم این هارمونیکها در نظر گرفته می‌شوند.

در نهایت این روش به حل معادلات غیر خطی زیر منجر می‌شود: (12) (13) 4- طراحی سیستم کنترل حلقه بسته بخش کنترل کننده بر اساس وضعیت فعلی سیستم و ورودیهای دریافتی، فرامینی صادر می کند تا سیستم با حفظ پایداری به اهداف تعیین شده برای جبران سازی نزدیک گردد.

جهت طراحی بخش کنترل کننده لازم است تابع تبدیل اینورتر را داشته باشیم و سپس بر اساس نحوه کنترل و مشخصات تابع تبدیل یک کنترل کننده مناسب طراحی شود برای این منظور از تعریف توان لحظه‌ای در مختصات d ,q بهره می‌گیریم.

حال به بررسی معادلات جبران کننده می‌پردازیم، شکل12) یک جبران کننده ایستای توان راکتیو منبع ولتاژی را با خازن طرف DC نشان می‌دهد در این شکل Ls سلفهای سری برای اتصال اینورتر به خطوط می‌باشند که شامل اندوکتانس نشتی ترانسفورماتورها نیز هستند، مقاومت موازی خازن جهت مدلسازی تلفات اینورتر در نظر گرفته شده‌است و مقاومتهای سری سلفها نیز برای مدلسازی تلفات سلفها و ترانسفورماتور در نظر گرفته شده‌اند، مطابق این شکل می توان معادلات طرف AC را بصورت زیر نوشت که p=d/dt است، (14) شکل 12) مدار معادل جبران کننده ایستای توان راکتیو با استفاده از تعریف تبدیلات در مختصات چرخان ‍dq معادله زیر نتیجه می شود که dω=dθ/dt است: (15)(16) (17) K فاکتوری است که رابطه اندازه ولتاژ طرف DC اینورتر را به اندازه ولتاژ AC اینورتر تعیین می‌کند و α زاویه‌ای است که بردار ولتاژ اینورتر با بردار ولتاژ خط دارد.

حال به یکی از نکات اساسی درطراحی کنترل کننده برای جبران کننده رسیدیم و‌ آن این است که این جبران کننده‌ها بر اساس نحوه کنترل به دو دسته تقسیم می شوند که در نوع اول متغیرهای K و α هر دو توسط کنترل کننده کنترل می شود، در نوع دوم فاکتور K ثابت می‌باشد و کنترل کننده فقط α را کنترل می‌کند که در ادامه به جزئیات بیشتر این دو نوع می‌پردازیم.

4-1- کنترل اینورتر نوع اول در این نوع از اینورترها برای کنترل مستقل i`d و i`q با توجه به روابط قبلی خواهیم داشت: (18) (19) و با عمال معادلات فوق داریم: (20)معادله فوق بیان می‌کند که i`d و i`q به متغییرهای x`1 و x`2 از طریق یک معادله درجه اول مرتبط هستند و می‌توان با تعریف کنترل کننده‌ای بصورت زیر حلقه فیدیک را تکمیل نمود: (21) (22) مرجع جریان راکتیو i*q توسط حلقه بیرونی جبران کننده تعیین می‌شود و مقدار توان حقیقی توسط i*q کنترل می‌شود تا خطای ولتاژ طرف DC جبران شود بلوک دیاگرام این نوع کنترل کننده در شکل 13) آمده است.

شکل13) جبران کننده با کنترل نوع اول 4-2- کنترل اینورتر نوع دوم در کنترل این نوع اینورتر معادلات طرف DC نیز لازم است، توان لحظه‌ای طرف AC و DC برابر می‌باشند و رابطه تساوی (8-56) را و در طرف DC داریم: (23) (24) ومعادلات حالت زیر را برای جبران کننده بدست می‌آید: (25) (26) حل معادله این کنترل کننده در حالت دائمی در شکل14) رسم شده است که اندیس صفر بیانگر حالت دائمی سیستم است.

توجه شود که i`q0 تقریباً بطور خطی با α0 تغییر می‌کند و برای تغییرات یک واحد i`q0 تغییرات α0 بسیار کم است.

شکل 14) نقاط کار حالت دائمی جبران کننده معادلات حالت فوق غیر خطی هستند و α متغییر ورودی آن می‌باشد، می‌توان به ازاء تغییرات کوچک α معادلات را بصورت زیر خطی نمود: (27) با روشهای استاندارد آنالیز در حوزه فرکانس می‌توان تابع تبدیل را بدست آورد ولی با فرض صرفنظر از تلفات می‌توان بلوک دیاگرام کنترلی زیر را داشت: شکل 14) بلوک دیاگرام رفتار دینامیک جبران کننده تابع تبدیل متناظر شکل 14) بصورت زیر است: (27) که این تابع یک زوج صفر مختلط روی محور موهومی دارد ، در شکل 15) و 16) فاز و دامنه این تابع با اعداد نمونه ای رسم شده است.

K=4/π , L=10 mH , C=.47 mf, Rs=8 ohm, Rp=100K شکل 15) منحنی دامنه تابع تبدیل اینورتر نوع دوم شکل 16) منحنی فاز تابع تبدیل اینورتر نوع دوم یک کنترل کننده باید طراحی گردد تا محدوده کوچک فاز را در حالت بار کامل سلفی جبران نماید که کنترل کننده غیر خطی زیر مناسب به نظر می‌رسد: (29) بلوک دیاگرام کنترلی این اینورتر در شکل17) نشان داده شده است.

شکل 17) بلوک دیاگرام کنترل کننده نوع دوم 5- نتایج حاصل از طراحی و شبیه سازی در اینجا یک SVC از نوع اینورتری منبع ولتاژی نج سطحی طراحی شده‌است که شامل بخشهای راه‌انداز کلیدها، حفاظت قسمتهای مختلف، پردازنده اصلی، کلیدها و خازنها اندازه‌گیری و فیدبک می‌باشند و ساخت این بردها شروع شده و برد راه‌انداز کلیدها با موفقیت ساخته شده و تست گردیده‌است.

برای بخش مدولاسیون و کنترل روشهایی پیشنهاد شده‌است.

مدولاسیون بر اساس شبیه‌سازی با روش مدولاسیون برنامه‌ریزی شده در نظر گرفته شده و برای بدست آوردن الگوی اولیه شکل موج کلیدزنی از روشهای توسعه یافته مدولاسیون در اینورترهای چند سطحی استفاده شده‌است.

برای سیستم کنترلی نیز دو نوع کنترل پیشنهاد شده است و توابع تبدیل اینورتر و کنترل کننده در این دو حالت بدست آورده شده و شبیه‌سازی گردیده‌اند و نتایج شبیه سازی بیانگر نحوه کنترل و عملکرد صحیح سیستم جبران کننده برای جبران بار می‌باشد.

مراجع اغلب اطلاعات این مقاله بصورت طراحی بوده است و بصورت مستقیم از مقاله یا مرجعی استفاده نشده است ولی از مراجع زیر استفاده‌های ضمنی و ایده‌ای شده است.

محمد مهدی منصوری صندوق پستی:3173-89195