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