مشخصات فایل
عنوان مقاله: مبدل DCبه AC تکفاز
قالب بندی: word
تعداد صفخات: 58
محتویات
فهرست
مقدمه
فصل اول: الکترونیک قدرت
مبدل DCبه AC تکفاز
مدولاسیون پهنای پالس(PWM)
اشکال مختلف سوئچینگ PWM
مدولاسیون PWM دو قطبی
مدولاسیون PWM تک قطبی
شمای PWM تک قطبی بهبود یافته
بلوک دیاگرام کلی مدار پروژه
یکسوساز تمام موج
مبدلDC بهAC
IGBT
ساختارسیلیکون و مدار معادل
مشخصات هدایت
مشخصات سوئیچینگ
راه انداز یا درایور IGBT
شرح ای سیIR2113
ملاحظات طراحی بخش درایورIR2113
برد مدار چاپی مورد نیاز برای راه اندازی ماسفت
راهنمای کمک سریع
فصل دوم:میکروکنترلر8051
مقدمه
تفاوت بین میکرو پروسسور و میکرو کنترلر
میکرو کنترلر8051
تخصیص فضای حافظهRAMدر 8051
توصیف پایه های 8051
مبدل DC به AC تک فاز:
در کاربردی که ذکر شد در واقع یک منبع تولید کننده سیگنال AC با ولتاژ و فرکانس مختلف نیاز می باشد. یک مبدل توان DC به AC مد سوئیچینگ (اینورتر) در این نوع کاربردها استفاده می گردد که ورودی آن سیگنال DC و خروجی آن یک سیگنال AC می باشد. اگر ورودی این اینورتر یک منبع ولتاژ DC باشد به آن اینورتر منبع ولتاژ (VSI)گویند و اگر ورودی آن منبع جریان DC باشد به آن اینورتر منبع جریان (CSI) می گویند. که CSI برای توانهای بسیار بالا کاربرد دارد. در اینجا اینورتر مورد نظر، از نوع VSI می باشد.
VSI در واقع به دو نوع اینورتر تکفاز و اینورتر سه فاز تقسیم می گردد. که اینورتر تکفاز مــی بایست بار AC تکفاز با یک کیفیت توان بالا و هارمونیک پایین را تأمین نماید.
در شکل 1-1 توپولوژی کلی یک اینورتر آورده شده است:
(شکل 1-1)
همان طور که در شکل 1-1 نشان داده شده است، اینورتر دارای دو پایه (B, A) می باشد که به بار تکفاز خروجی متصل گشته و آنرا تأمین می کند. دو خازن با مقدار یکسان به صورت سری دو سر ولتاژ DC ورودی قرار گرفته است که نقطه اشتراک آنها به زمین متصل می باشد. که این اتصال باعث می گردد که ولتاژ دو خازن دقیقاً گردد. یک الگوریتم سوئیچینگ شخصی را می توان به چهار ماژول سوئیچ T1 ، T2، T3 و T4 جهت کنترل اینورتر برای ایجاد یک سیگنال سینوسی با فرکانس و دامنه مورد نظر اعمال نمود. در میان اشکال مختلف سوئیچینگ عملی، روش PWM (Pulse With Modulation) . بطور کلاسیک و وسیعتر بکار می رود که در این مورد در بخشهای بعد توضیح داده خواهد شد.
مدولاسیون پهنای پالس (PWM) :
تکنیک مدولاسیون پهنای باند (PWM)، یک روش موثر برای کنترل فرکانس و دامنه ولتاژ خروجی منحنی باشد. شکلهای کنترلی PWM مختلف که در اینجا بررسی می گردد اصولاً به دو دسته تقسیم می گردد، یکی PWM بر اساس حامل می باشد و دیگری PWM فضای برداری می باشد که PWM فضای برداری برای سه فاز مورد استفاده است که مورد بحث این پروژه نیست. در اینجا PWM بر اساس حامل برای دستگاههای تکفاز مورد بررسی قرار می گیرد. شکل 2-1 یک شمای کلی از مدولاسیون PWM می باشد:
(شکل 2-1)
جهت تولید یک ولتاژ سینوسی در فرکانس مشخص مثلاً f1، یک سیگنال کنترل سینوسی Vcontrol در فرکانس مورد نظر (f1) با یک موج مثلثی (Vcarrier) مقایسه می گردد شکل 2-1. در هر نقطه مشترک، یک گذر در شکل موج PWM با توجه به شکل 2-1 ظاهر می گردد. وقتی Vcontro1 بزرگتر از Vcarrier باشد خروجی PWM مثبت می شود و و قتی کوچکتر از Vcarrier باشد شکل موج PWM منفی خواهد شد. فرکانس ولتاژ حامل (Vcarrier) در واقع فرکانس سوئیچ (fs) اینورتر را بیان می کند. (fs)، اندیس مدولاسیون را برای این سیستم داریم:
که در این رابطه Vcontro1 در ماکزیمم دامنه سیگنال کنترلی قرار می گیرد، در حالیکه Vtriمقدار ماکزیمم سیگنال و مثلثی (حامل) می باشد. همچنین نرخ مدولاسیون فرکانسی بصورت زیر تعریف می گردد:
mf در واقع نرخ بین فرکانس حامل و سوئیچینگ می باشد؛ جزء اصلی ولتاژ خروجی (Vout) نیم پل، دارای مشخصه معادله زیر و منطقه مدولاسیون خطی می باشد.
Vout=mi.Vd mi≤1.0
این معادله نشان می دهد که نتیجه مورد نظر که دامنه می باشد بطور خطی با اندیس مدولاسیون نسبت مستقیم دارد. مقدار mi از صفر تا 1 را می توان بعنوان محدودة کنترل خطی سیگنال حامل سینوسی PWM در خروجی تعریف کرد.
اشکال مختلف روش سوئیچینگ PWM :
تا به حال با مفاهیم مبدل توان DC به AC و مدولاسیون PWM آشنا شدیم. در کاربردهای تکفاز آنچه بطور خاص مورد نظر می باشد ولتاژ خروجی است که به بار منتقل می شود. همانطور که قبلا دیده شد، ولتاژ خروجی، اختلاف بین دو پایه A و B از پل ترانزیستوری می باشد. نکته دیگری که مد نظر است مقدار THD (Total Harmonic Disturtion) می باشد که باید تا حدامکان مقدار کمی داشته باشد.
مدولاسیون PWm دو قطبی :
سوئیچینگ PWM دو قطبی در واقع یک شمای سوئیچینگ کلاسیک می باشد که برای اینورتر تکفاز بکار می رود. جفت ترانزیستور (T4, T1) و (T3, T2) در شکل 1-1 روی لنگه های مختلف پل بطور همزمان روشن و خاموش می گردند. ولتاژ خروجی در این حالت بصورت دو قطبی (مثبت و منفی) می گردد چون هیچ حالت صفری در آن وجود ندارد.شکل موج خروجی برابر ولتاژ نقطه VAO در شکل 1-1 می باشد با این تفاوت که دامنه آن دو برابر می باشد. اصول یک PWM دو قطبی را می توان در معادله زیر خلاصه کرد:
Vout = Vd when Vcontrol > Vcarrier
Vout == Vd when Vcontrol < Vcarrier
(شکل 3-1)
شکل 3-1 یک شرحی از مدولاسیون PWM دو قطبی را با پارامترهای mf=15 و mi=0.8 بصورت گرافیکی بیان می کند. از روی شکل می توان فهمید که VBO دقیقاً معکوس VAO در هر زمان می باشد، بنابراین هیچ حالت صفری در خروجی ندارد، Vout=VAO-VBO که باعث
تولید ولتاژ دو قطبی در خروجی گردیده است. در شمای مدولاسیون PWM دو قطبی، اگر نرخ مدولاسیون فرکانس را عدد فرد انتخاب کنیم، ولتاژ خروجی Vout نسبت به مبدأ یک شکل موج متقارن و دو نیم موج می گردد که در این حالت هارمونیکهای زوج در خروجی حذف می گردد.
مدولاسیون PWM تک قطبی :
در این مدولاسیون جفت سوئیچهای (T4, T1) و (T3, T2) در اینورتر H-Bridge (نیم پل)، بطور همزمان همانطور که در دو قطبی دیده شد عمل نمی کند. در واقع لنگه A و B در شکل 1-1 بطور مجزا و غیر وابسته با قیاس دو سیگنال Vcontrol1 و Vcontrol2 با سیگنالهای حاصل مشابه آنها عمل می کند. شکل 4-1 این شمای سوئیچینگ تک قطبی را به همراه خروجی mi=0.8 و mf=12 نشان می دهد:
(شکل 4-1)
الگوریتم سوئیچینگ PWM تک قطبی، در معادله زیر نشان داده شده است:
Vout = Vd when T1, T4 is ON
Vout = -Vd when T2, T3 is ON
Vout= 0 when T1,T3 or T3, T4 is ON
از شکل 1-3 و معادله بالا مشخص می گردد که ولتاژ خروجی بین 0 تا +Vd یا 0 تا -Vd در هر نیم پریود اصلی تغییر می کند. بنابراین شمای PWM بنام PWM تک قطبی شناخته می گردد. تغییر ولتاژ در هر سوئیچینگ در قیاس با حالت قبل که مقدار 2Vd را داشت در این حالت (تک قطبی) تغییر ولتاژ Vd می باشد. همچنین در این نوع PWM امکان انتخاب مقدار نرخ مدولاسیون فرکانس( mf ) بعنوان یک عدد زوج برای حذف اجزای هارمونیکها در فرکانس سوئیچینگ (fs) وجود دارد.
شمای PWM تک قطبی بهبود یافته :
این نوع PWM با دو حالت قبل تفاوت دارد. در این مورد، هر دو لنگه های نیم پل اینورتر تک فاز در فرکانسهای مختلف سوئیچ می کند. بطور مثال لنگه A در فرکانس پایه f1 سوئیچ می کند در حالی که لنگه B در فرکانس حامل f2 سوئیچ می کند که مقدار آن خیلی بزرگتر از f1 می باشد. این نمای سوئیچینگ PWM یک سرعت سوئیچینگ، متعادل بین دو لنگه های اینورتر ایجاد می کند. همچنین یک ولتاژ خروجی تک قطبی که مقدارش بین 0 و +Vd و بین 0 و Vdـ می باشد ایجاد می گردد. شکل 5-1 یک شرحی از این نوع مدولاسیون با mi=0.8 و mf=15 آورده شده است:
(شکل 5-1)
برای بدست آوردن تقارن نیم موج و فرد در ولتاژ خروجی جهت حذف هارمونیکهای زوج، نرخ مدولاسیون فرکانس نباید بعنوان مضرب فردی انتخاب گردد. این نوع مدولاسیون دارای مزایای کاهش مزاحمتهای مغناطیسی الکتریکی فرکانس بالا (EMI) می باشد. همانطور که در شکل 5-1 دیده می شود، بر عکس دو نوع مدولاسیون دیگر، سیگنال مدولاسیون (Vcontrol) در این الگوریتم یک سیگنال ناپیوسته می باشد که در واقع اسپکتروم فوریه متفاوتی را ایجاد می کند.
بلوک دیاگرام کلی مدار پروژه :
(شکل 6-1)
همانطور که در شکل 6-1 مشاهده می شود، سیگنال AC برق شهر وارد یک یکسوساز تمام موج شده و بعد از یکسو شدن توسط خازن صاف می گردد. سپس سیگنال DC وارد مبدل DC به AC تمام پل (Full Bridge) شده و در آنجا به یک سیگنال AC مربعی تبدیل می گردد، ورودی این بلوک از یک مدار کنترلی (میکروکنترلر) می آید و فرمانهای آن توسط میکروکنترلر سری 8051 تولید می گردد، صفحه کلید جهت وارد کردن مقدار فرکانس به ورودی میکروکنترلر بکار می رود، همچنین نمایشگر LCD برای نمایش عدد وارد شده استفاده می شود. در خروجی اینورتر دو سیگنال مربعی و سینوسی تولید می گردد، که خروجی مربعی بعد از یک فیلتر LC پایین گذر به یک سیگنال تقریبا سینوسی تبدیل می گردد، در این بخش بلوک دیاگرام آورده شده را بطور دقیق تری بررسی می کنیم:
یکسو ساز تمام موج :
این مدار یک یکسو ساز تمام موج که توانایی تحمل ولتاژ معکوس تا 400 ولتاژ را دارد استنفاده شده است، مقدار خازن الکترولیت بکار رفته در خروجی آن، باید به اندازه ای باشد که برای جریان مورد نیاز دارای کمترین ریپل ممکن باشد، باید توجه داشت که چون این مدار بصورت سوئیچینگ می باشد بر روی خطوط برق نویزی اندازد که برای جلوگیری از آن در ورودی یکسوساز یک فیلتر خط که بصورت زیر منی باشد قرار داده می شود که در اینحالت از عبور پالسهای فرکانس بالا به خطوط انتقال جلوگیری می کند.
(شکل 7-1)
مبدل DC به AC :
همانطور که گفته شد مبدلهای مختلفی برای تبدیل سیگنال DC به AC وجود دارد که در اینجا از مدار تمام پل استفاده کرده ایم. در این مدار که از قطعات IGBT به عنوان عنصر قابل سوئیچ استفاده شده است نیاز به درایور برای کنترل گیتهای IGBT مورد نیاز می باشد. که در این پروژه از 2 آی سی درایور نیم پل IR2113 جهت کنترل هر لنگه از پل بهره برده شده است. که شرح کامل آن در ادامه امده است.
IGBT :
IGBT جز قطعات حامل اقلیت می باشد که دارای مشخصه هدایتی خیلی زیادی است با توجه به اینکه مشخصات ماسفت قدرت را نیز که شامل سهولت در راه اندازی، قابلیت جریان بالا و دارای سطح عملکرد مطمئن می باشد داراست .
معمولاَ IGBT دارای سرعت کمتری از ماسفت می باشد اما در تکنولوژی ساخت جدید این قطعه، مشخصات سوئیچیگ IGBT به حد ماسفت قدرت رسیده است بدون اینکه مشخصه هدایت بالای آن که جهت تشابه خروجی آن به ترانزیستور BJT می باشد تغییر نماید.
(شکل 7-1)
ساختار سیلیکون و مدار معادل:
بغیر از بدنه ،ساختار داخلی IGBT به ماسفت شباهت زیادی دارد. هر دو قطعه یک ساختار گیت پلی سیلیکن مشابه و چاله های P به همراه اتصالات سورس دارند در هر دو قطعه نیمه هادی نوع N زیر چاله های P از نظر ضخامت و مقاومت بگونه ای تزریق می گردند که بتوانند نرخ ولتاژ قطعه را نگهدارند و تحمل نمایند. به هر حال با وجود خیلی از تشابهات موجود عملکرد فیزیکی IGBT و ترانزیستور BJT ، شباهت آن ننسبت به ماسفت بیشتر است. این مشخصه به علت بدنه می باشد که مسئول تزریق حامل اقلیت به ناحیه N می باشد و در نتیجه مدولاسیون هدایتی را ایجاد می کند ماسفت قدرت که از مدولاسیون هدایت بهره ای نمی برد در ناحیه N تلفات زیادی دارد.
اصول طراحی مبدلهای حرارتی صفحه ای
مبدل حرارتی صفحهای اساساً" با توجه به سادگی نت و با توجه به نیازهای صنایع غذائی در دهه ۱۹۳۰ ابداع شدند و طراحی بهینه آن در دهه ۱۹۶۰ با تکامل موثرتر هندسه صفحات، مونتاژ اجزا و مواد بهینه تر برای ساخت واشرهای مورد استفاده در این نوع مبدلها کارآمدتر از گذشته مورد بازبینی قرار گرفت و موارد استفاده از آنها به تمامی صنایع راه پیدا کرد و توانسته است از رقیب خود (مبدلهای لولهای) پیشی بگیرد. به دلیل تنوع بسیار زیاد محدودههای طراحی این نوع مبدلها که در نوع صفحات و آرایش آنها قابل بررسی است عملاً شرکتهای سازنده آنها اطلاعات محرمانه طراحی را اعلام نمیکنند.
مبدلهای صفحهای واشردار تشکیل شده است از تعدادی صفحات نازک با سطح چین دار و یا موج دار که جریان سیال گرم و یا سرد را از هم جدا میکنند. صفحات دارای قطعاتی در گوشهها هستند و به نحوی چیدمان شدهاند که دو سیال عامل بصورت یک در میان میان صفحات جریان دارند. طراحی و واشربندی بهینه این امکان را ایجاد میکند که مجموعه از صفحات در کنار یگدیگر تشکیل یک مبدل صفحهای مناسب را بدهند. مبدلهای حرارتی صفحهای معمولاً "در جریان سیالتی با فشار پائین تر از ۲۵bar و دمای کمتر از ۲۵۰ درجه محدود میشوند. از آنجا که کانالهای جریان کاملاً کوچک هستند جریان قوی گردابهای و توربولانس موجب بزرگ بودن ضرایب انتقال حرارت و افت فشارها میگردد بعلاوه بزرگ بودن تنش برشی موضعی باعث کاهش تشکیل رسوب میشود. واشرها از نشتی سیال به بیرون مبدل جلوگیری میکنند و سیالها را در صفحات به شکل مورد نظر هدایت مینمایند. شکل جریان عموماً" به نحوی انتخاب میشوند که جریان سیالها خلاف جهت یکدیگر باشند.
انواع مبدلهای صفحه ای
صفحه ای حلزونی
مبدل حرارتی حلزونی سیال گرم ۱ و سیال سرد ۲
با پیچاندن دو صفحه بلند موازی به شکل یک حلزونی و با استفاده از مندرل و جوش دادن لبههای صفحات مجاور به صورتی که یک کانال را تشکیل دهند، شکل داده میشود. در هر یک از دو مسیر حلزونی یک جریان ثانویه ایجاد میشود که انتقال حرارت را افزایش و تشکیل رسوب را کاهش میدهد این نوع مبدلهای حرارتی بسیارفشرده هستند و طبعاً گران قیمت میباشند. سطح انتقال حرارت برای این مبدلها در محدوده ۰٫۵ تا m۲۵۰۰ و فشار کارکرد تا ۱۵ بار و دمای ۵۰۰ سانتیگراد محدوده میشود. این نوع مبدل بیشتر در کاربرد سیال لجن آلود، مایعات لزج و مایعاتی با ذرات جامد معلق شامل ذرات بزرگ و جریان دو فازی مایع – جامد استفاده میشود.
لاملا
مبدل حرارتی نوه لاملا (ریمن) شامل مجموعه کانالهای ساخته شده از صفحات فلزی نازک است که بطور موازی جوشکاری شده است. بدلیل آشفتگی زیاد جریان توزیع یکنواخت جریان و سطوح صاف بسادگی رسوب نمیگیرند. این طرح از مبدل میتواند تحمل فشار تا ۳۵ بار و دمای ۲۰۰ درجه سانتیگراد برای واشرهای تفلون و ۵۰۰ درجه سانتیگراد برای واشرهای آزبست میباشد.
صفحه ای واشردار
خصوصیات مکانیکی صفحه ای واشردار
یک مبدل حرارتی صفحهای تشکیل شده است از صفحات ثابت، صفحات فشار دهنده و تجهیزات پنوماتیکی و یا مکانیکی متعلقه و connection ports ها. سطح انتقال حرارت از یک سری صفحات با مجاری ورودی و خروجی تشکیل میشود.
مجموعه صفحات و فریم اصلی
هنگامیکه تعدادی از صفحات این نوع مبدلها بهم فشرده میشوند و تشکیل مبدل صفحهای را میدهند سوراخهای واقع در گوشههای این صفحات تشکیل تونلها و یا مجاری پیوستهای را میدهند که سیال را از مبدا ورودی به صفحات هدایت میکند که در آنجا با توجه به شکل شیارهای صفحات بین آنها توزیع میشود. مجموعه این دسته از صفحات با وسائل مکانیکی و یا هیدرولیکی بهم فشرده میشوند. جویهای جریان سیال که در مابین صفحات و خروجی گوشههای آن تشکیل میشود به نحوی چیدمان شده است که جریانهای سرد و گرم انتقال حرارت بشکل یک در میان در کنار یکدیگر قرار میگیرند بطوریکه همیشه دارای چیدمان مخالف جهت حرکت جریان میباشند. در طی عبور از مبدل حرارتی، سیال گرمتر بخشی از انرژی حرارتی خود را از طریق دیواره صفحهای نازک به سیال سردتر در سمت دیگر منتفل میکند و در نهایت سیالها به حفرههای لولهای شکلی که در انتهای دیگر مجموعه صفحات وجود دارد سرازیر میشوند و از مبدل خارج میشود. این صفحات میتوانند تا صد عدد در یک مبدل در کنار هم قرار گیرند و خدمات حرارتی خود را به صنعت ارائه دهند. مجموعه صفحات بین دو صفحه فلزی انتهائی بوسیله پیچ بهم وصل میشوند. صفحات و قطعات منفصل فریم از میله حامل بالائی آویزان هستند و در انتهای مبدل بوسیله میله راهنما نگهداری میشوند. میله حامل و میله راهنما به قطعه ثابت فریم پیچ و مهره میشود و بجز مبدلهای کوچک بقیه به تکیه گاه انتهائی متصل میشوند هر چند این نمیتواند همیشه یک قاعده کلی باشد. مجموعه صفحات مانند دسته لولهها در مبدلهای پوستهای و لولهای است با این تفاوت مهم که دو سمت جریان گرم و سرد در یک مبدل حرارتی صفحهای معمولاً دارای مشخصههای هیدرودینامیکی یکسانی میباشد. صفحه فلزی مبدل جزء اساسی این سیستم حرارتی محسوب میشود که اندازه بزرگترین صفحه از ۳/۴ متر ارتفاع و ۱/۱ متر عرض می باشد. نرخ انتقال حرارت برای یک صفحه در محدوده رنج ۰۱/۰تا ۶/۳ متر مربع قرار دارد که برای اجتناب از توزیع غیریکسان سیال درعرض صفحه، حداقل نسبت طول/عرض حدود ۸/۱ انتخاب میشود. ضخامت صفحات مبدل در محدوده رنج ۵/۰ تا ۲/۱ میلیمتر که در فواصل ۵/۲ تا ۵ میلیمتر از یکدیگر قرار گرفتهاند تا قطر هیدرولیکی ۴ تا ۱۰ میلیمتر را برای کانال عبور جریان ایجاد کند.
واشر بندی
با واشر بندی و عایقکاری دور لبه صفحه خارجی میتوان از نشتی جریان از کانالهای صفحات به محیط بیرون جلوگیری نمود. صفحات میتوانند از جنس استنلس استیل، تیتانیوم، تیتانیوم-پالادیوم و ... ساخته شوند که با توجه به ضریب هدایت گرمائی متفاوتی که دارا میباشند در طراحی مورد توجه واقع میشوند.
ماده ضریب هدایت گرمائی
استنلس استیل(۳۱۶) ۱۶٫۵ تیتانیوم ۲۰ اینکونل ۶۰۰ ۱۶ اینکولوی ۸۲۵ ۱۲ هستلوی C -۲۷۶ ۶/ ۱۰ مونل ۴۰۰ ۶۶ نیکل ۲۰۰ ۶۶ کاپرونیل ۱۰/۹۰ ۵۲ کاپرونیل ۳۰/۷۰ ۳۵
انواع صفحات مبدل
در عمل محدوده نسبتاً متنوع و زیادی از انواع صفحات مبدل وجود دارد اما به بررسی دو نوع نسبتاً جدید از این صفحات میپردازیم که کاربرد وسیعتری دارند. این دو نوع بنامهای شورون(chevron ) و واشبرد (washboard) در دسترس هستند. البته با توجه به تغییرات زیاد انتقال حرارت و فشار در هر الگوی صفحات موجدار روشهای پیشگوئی انتقال حرارت و فشار بر اساس دادههای تجربی همان الگوی مشخص استوار میباشد. در صفحات نوع واشبرد، صفحات مجاور بصورتی مونتاژ میشوند که کانال جریان سیال حرکتی آشفته و گردابی با سیال میدهد. این الگوی موجدار زاویهای بنام دارد که از آن به زاویه شورون نام میبریم.
که این زاویه در صفحات مجاور هم معکوس میشوند بصورتیکه وقتی صفحات به یکدیگر محکم میشوند موجهای سطحی نقاط تماس زیادی برقرار میکنند که به همین دلیل صفحات مبدل میتواند از مواد بسیار نازک تا حدود ۶/۰ میلیمتر طراحی شوند. تغییرات زاویه حدود بین رنج ۶۵ و ۲۵ درجه میباشد که این زاویه تعیین کننده مشخصههای انتقال حرارت و افت فشار صفحه مبدل میباشد.
مزایای مبدلهای صفحه ای
مبدلهای صفحهای بصورت ویژهای فشرده هستند و در نرخ انتقال حرارت حرارت مشابه فضای محدودتری در مقایسه با مبدلهای لوله دارد ضمن اینکه حجم کم و وزن کمتر و به طبع آن هزینههای کمتر در ساخت و بهره برداری و نگهداری را به همراه دارد. البته این نوع مبدل مانند همه تجهیزات صنعتی دارای محدودیتهائی هستند.
محدودیتها
حداکثر فشار کارکرد ۲۵ بار و در موارد کاملاً خاص حداکثر ۳۰ بار
علت اصلی عدم پیشرفت استفاده از این نوع مبدلهای در صنایع محدودیت ساخت صفحات بزرگ به جهت محدودیت در پرسکاری و ساخت صفحات میباشد. که عملاً مبدلهای حرارتی با اندازههای بیشتر از قابل ساخت نیستند یعنی در واقع بصرفه هم نیستند. دبیهای بزرگ جریان باعث افت فشارهای اضافی خواهد شد که از این منظر باعث محدودیت در ظرفیت گرمائی میشود که در مرتبه بالاتر طراحی واشرها به ترتیبی نیست که در فشارو دماهای بالاتر بتوان از این نوع مبدلها سود جست.
مبدلهای حرارتی صفحهای را نمیتوان برای کولینگ هوا استفاده کرد و حتی برای تبادل حرارت در کوپلهای هوا-هوا و یا گاز-گاز نیز مناسب نیستند ضمناً سیالاتی با لزجت بالا بویژه وقتی خنک کاری مورد نظر باشد با توجه به اثرات توزیع جریان در این نوع مبدلها ناکارآمد جلوه میکنند. ضمناً سرعتهای کم جریان سیال کمتر از، ضرایب کوچک انتقال حرارت و به تبع آن بازدهی غیر بهینه را در مبدلهای صفحهای ایجاد میکند که به همین علت در سرعتهای کمتر از نمی توان از این نوع مبدلها سود جست.
مبدلهای حرارتی صفحهای برای انجام کندانس خیلی مناسب نیستند که این مورد بخصوص در مورد بخارها در خلا نسبی صدق میکند زیرا فاصلههای باریک صفحات و توربولانس ایجاد شده باعث بوجود آمدن افت فشارهای قابل ملاحظهای در سمت بخار میشود. هرچند با توجه به پیشرفتهای حاصل شده در حال حاضر مبدلهای حرارتی صفحهای با طراحیهای ویژه را می توان در سیستمهای تبخیر و کندانس نیز استفاده کرد. مسیرها و چیدمان جریان
واژه مسیر یا گذرگاه (passage) در مبدلهای حرارتی صفحه ای به دستهای از کانالها گفته میشود که در آنها جهت جریان یکسان باشد. شکل ذیل چیدمان تک مسیری را که بنام چیدمان "U"و "Z" اطلاق میشود را مشاهده میکنید که هر چهار دهنه ورودی و خروجی در صفحه سر همگرا هستند (fixed-head plate) که این خاصیت امکان دمونتاژ مبدل را برای تعمیر و نگهداری بدون ایجاد مشکل در سیستم لوله کشی خارجی آن را فراهم میکند ضمناً در این نوع چیدمان توزیع جریان توربولانس تر از چیدمان نوعZ میباشد.
چیدمان چند مسیره شامل مسیرهای متصل شده بشکل سری هستند که در شکل زیر چیدمان شکل بندی با دو مسیر و سه یا چهارکانال نمایش میدهند که باختصار آنرا و یا می نامند. این سیستم بجز صفحه مرکزی که در آن جریان هم جهت روان است دارای جریان مخالف جهت میباشد.
شکل زیر سیستم جریان دو مسیر –یک مسیر (شکل بندی نوع ۱/۲) را نشان می دهد که در آن یک سیال در مسیر خط چین و سیال دیگر در دو مسیر خط توپر جریان دارد. در این نوع چیدمان نیمی از مبدل دارای جریان مخالف و نصف دیگر دارای جریان هم جهت میباشد که از آن به عنوان سیستم نامتقارن نام برده میشود و اگر یکی از سیالهای مورد استفاده دارای دبی حجمی بزرگتر از دیگری و یا افت فشار مجاز کوچکتر از جریان دیگر باشد مورد استفاده قرار میگیرد.
چیدمانهای چند مسیره همیشه باید ورودی و خروجی مبدل در هر دو سر ثابت و متحرک وجود داشته باشد .معمولاً تعداد مسیرها، تعدادکانالها (مسبر جریان در دوصفحه مجاور )به ازای هر مسیر، برای دو سیال یکسان و بصورت متقارن باشد.
توزیع غیرمتقارن در هر سیستم با کانالهای متصل بهم منجمله مبدلهای صفحهای می تواند مشکل آفرین باشد که مسئله باید در طراحی این نوع سیستمهای حرارتی بسیارمورد توجه قرار گیرد.
سطوح کاربرد و استفاده مبدلهای حرارتی صفحه ای
مبدلهای حرارتی صفحه ای با داشتن مشخصات خاص بطور گسترده ای در صنایع غذائی مورد استفاده قرار می گیرند که به دلیل همین خاصیت یعنی تعمیر و نگهداری آسان و تمیز کاری بسیار راحتر دامنه نفوذ خود را حتی تا صنعت خودرو سازی نیز گسترش داده است . کاربردهای عمومی مبدلهای حرارتی صفحه ای اصولاً در شرایط فازی مایع – مایع و جریانهای توربولانس می باشد. از موارد بسیار مهم استفاده
مشخصات فایل
عنوان مقاله: مبدل DCبه AC تکفاز
قالب بندی: word
تعداد صفخات: 58
محتویات
فهرست
مقدمه
فصل اول: الکترونیک قدرت
مبدل DCبه AC تکفاز
مدولاسیون پهنای پالس(PWM)
اشکال مختلف سوئچینگ PWM
مدولاسیون PWM دو قطبی
مدولاسیون PWM تک قطبی
شمای PWM تک قطبی بهبود یافته
بلوک دیاگرام کلی مدار پروژه
یکسوساز تمام موج
مبدلDC بهAC
IGBT
ساختارسیلیکون و مدار معادل
مشخصات هدایت
مشخصات سوئیچینگ
راه انداز یا درایور IGBT
شرح ای سیIR2113
ملاحظات طراحی بخش درایورIR2113
برد مدار چاپی مورد نیاز برای راه اندازی ماسفت
راهنمای کمک سریع
فصل دوم:میکروکنترلر8051
مقدمه
تفاوت بین میکرو پروسسور و میکرو کنترلر
میکرو کنترلر8051
تخصیص فضای حافظهRAMدر 8051
توصیف پایه های 8051
مبدل DC به AC تک فاز:
در کاربردی که ذکر شد در واقع یک منبع تولید کننده سیگنال AC با ولتاژ و فرکانس مختلف نیاز می باشد. یک مبدل توان DC به AC مد سوئیچینگ (اینورتر) در این نوع کاربردها استفاده می گردد که ورودی آن سیگنال DC و خروجی آن یک سیگنال AC می باشد. اگر ورودی این اینورتر یک منبع ولتاژ DC باشد به آن اینورتر منبع ولتاژ (VSI)گویند و اگر ورودی آن منبع جریان DC باشد به آن اینورتر منبع جریان (CSI) می گویند. که CSI برای توانهای بسیار بالا کاربرد دارد. در اینجا اینورتر مورد نظر، از نوع VSI می باشد.
VSI در واقع به دو نوع اینورتر تکفاز و اینورتر سه فاز تقسیم می گردد. که اینورتر تکفاز مــی بایست بار AC تکفاز با یک کیفیت توان بالا و هارمونیک پایین را تأمین نماید.
در شکل 1-1 توپولوژی کلی یک اینورتر آورده شده است:
(شکل 1-1)
همان طور که در شکل 1-1 نشان داده شده است، اینورتر دارای دو پایه (B, A) می باشد که به بار تکفاز خروجی متصل گشته و آنرا تأمین می کند. دو خازن با مقدار یکسان به صورت سری دو سر ولتاژ DC ورودی قرار گرفته است که نقطه اشتراک آنها به زمین متصل می باشد. که این اتصال باعث می گردد که ولتاژ دو خازن دقیقاً گردد. یک الگوریتم سوئیچینگ شخصی را می توان به چهار ماژول سوئیچ T1 ، T2، T3 و T4 جهت کنترل اینورتر برای ایجاد یک سیگنال سینوسی با فرکانس و دامنه مورد نظر اعمال نمود. در میان اشکال مختلف سوئیچینگ عملی، روش PWM (Pulse With Modulation) . بطور کلاسیک و وسیعتر بکار می رود که در این مورد در بخشهای بعد توضیح داده خواهد شد.
مدولاسیون پهنای پالس (PWM) :
تکنیک مدولاسیون پهنای باند (PWM)، یک روش موثر برای کنترل فرکانس و دامنه ولتاژ خروجی منحنی باشد. شکلهای کنترلی PWM مختلف که در اینجا بررسی می گردد اصولاً به دو دسته تقسیم می گردد، یکی PWM بر اساس حامل می باشد و دیگری PWM فضای برداری می باشد که PWM فضای برداری برای سه فاز مورد استفاده است که مورد بحث این پروژه نیست. در اینجا PWM بر اساس حامل برای دستگاههای تکفاز مورد بررسی قرار می گیرد. شکل 2-1 یک شمای کلی از مدولاسیون PWM می باشد:
(شکل 2-1)
جهت تولید یک ولتاژ سینوسی در فرکانس مشخص مثلاً f1، یک سیگنال کنترل سینوسی Vcontrol در فرکانس مورد نظر (f1) با یک موج مثلثی (Vcarrier) مقایسه می گردد شکل 2-1. در هر نقطه مشترک، یک گذر در شکل موج PWM با توجه به شکل 2-1 ظاهر می گردد. وقتی Vcontro1 بزرگتر از Vcarrier باشد خروجی PWM مثبت می شود و و قتی کوچکتر از Vcarrier باشد شکل موج PWM منفی خواهد شد. فرکانس ولتاژ حامل (Vcarrier) در واقع فرکانس سوئیچ (fs) اینورتر را بیان می کند. (fs)، اندیس مدولاسیون را برای این سیستم داریم:
که در این رابطه Vcontro1 در ماکزیمم دامنه سیگنال کنترلی قرار می گیرد، در حالیکه Vtriمقدار ماکزیمم سیگنال و مثلثی (حامل) می باشد. همچنین نرخ مدولاسیون فرکانسی بصورت زیر تعریف می گردد:
mf در واقع نرخ بین فرکانس حامل و سوئیچینگ می باشد؛ جزء اصلی ولتاژ خروجی (Vout) نیم پل، دارای مشخصه معادله زیر و منطقه مدولاسیون خطی می باشد.
Vout=mi.Vd mi≤1.0
این معادله نشان می دهد که نتیجه مورد نظر که دامنه می باشد بطور خطی با اندیس مدولاسیون نسبت مستقیم دارد. مقدار mi از صفر تا 1 را می توان بعنوان محدودة کنترل خطی سیگنال حامل سینوسی PWM در خروجی تعریف کرد.
اشکال مختلف روش سوئیچینگ PWM :
تا به حال با مفاهیم مبدل توان DC به AC و مدولاسیون PWM آشنا شدیم. در کاربردهای تکفاز آنچه بطور خاص مورد نظر می باشد ولتاژ خروجی است که به بار منتقل می شود. همانطور که قبلا دیده شد، ولتاژ خروجی، اختلاف بین دو پایه A و B از پل ترانزیستوری می باشد. نکته دیگری که مد نظر است مقدار THD (Total Harmonic Disturtion) می باشد که باید تا حدامکان مقدار کمی داشته باشد.
مدولاسیون PWm دو قطبی :
سوئیچینگ PWM دو قطبی در واقع یک شمای سوئیچینگ کلاسیک می باشد که برای اینورتر تکفاز بکار می رود. جفت ترانزیستور (T4, T1) و (T3, T2) در شکل 1-1 روی لنگه های مختلف پل بطور همزمان روشن و خاموش می گردند. ولتاژ خروجی در این حالت بصورت دو قطبی (مثبت و منفی) می گردد چون هیچ حالت صفری در آن وجود ندارد.شکل موج خروجی برابر ولتاژ نقطه VAO در شکل 1-1 می باشد با این تفاوت که دامنه آن دو برابر می باشد. اصول یک PWM دو قطبی را می توان در معادله زیر خلاصه کرد:
Vout = Vd when Vcontrol > Vcarrier
Vout == Vd when Vcontrol < Vcarrier
(شکل 3-1)
شکل 3-1 یک شرحی از مدولاسیون PWM دو قطبی را با پارامترهای mf=15 و mi=0.8 بصورت گرافیکی بیان می کند. از روی شکل می توان فهمید که VBO دقیقاً معکوس VAO در هر زمان می باشد، بنابراین هیچ حالت صفری در خروجی ندارد، Vout=VAO-VBO که باعث
تولید ولتاژ دو قطبی در خروجی گردیده است. در شمای مدولاسیون PWM دو قطبی، اگر نرخ مدولاسیون فرکانس را عدد فرد انتخاب کنیم، ولتاژ خروجی Vout نسبت به مبدأ یک شکل موج متقارن و دو نیم موج می گردد که در این حالت هارمونیکهای زوج در خروجی حذف می گردد.
مدولاسیون PWM تک قطبی :
در این مدولاسیون جفت سوئیچهای (T4, T1) و (T3, T2) در اینورتر H-Bridge (نیم پل)، بطور همزمان همانطور که در دو قطبی دیده شد عمل نمی کند. در واقع لنگه A و B در شکل 1-1 بطور مجزا و غیر وابسته با قیاس دو سیگنال Vcontrol1 و Vcontrol2 با سیگنالهای حاصل مشابه آنها عمل می کند. شکل 4-1 این شمای سوئیچینگ تک قطبی را به همراه خروجی mi=0.8 و mf=12 نشان می دهد:
(شکل 4-1)
الگوریتم سوئیچینگ PWM تک قطبی، در معادله زیر نشان داده شده است:
Vout = Vd when T1, T4 is ON
Vout = -Vd when T2, T3 is ON
Vout= 0 when T1,T3 or T3, T4 is ON
از شکل 1-3 و معادله بالا مشخص می گردد که ولتاژ خروجی بین 0 تا +Vd یا 0 تا -Vd در هر نیم پریود اصلی تغییر می کند. بنابراین شمای PWM بنام PWM تک قطبی شناخته می گردد. تغییر ولتاژ در هر سوئیچینگ در قیاس با حالت قبل که مقدار 2Vd را داشت در این حالت (تک قطبی) تغییر ولتاژ Vd می باشد. همچنین در این نوع PWM امکان انتخاب مقدار نرخ مدولاسیون فرکانس( mf ) بعنوان یک عدد زوج برای حذف اجزای هارمونیکها در فرکانس سوئیچینگ (fs) وجود دارد.
شمای PWM تک قطبی بهبود یافته :
این نوع PWM با دو حالت قبل تفاوت دارد. در این مورد، هر دو لنگه های نیم پل اینورتر تک فاز در فرکانسهای مختلف سوئیچ می کند. بطور مثال لنگه A در فرکانس پایه f1 سوئیچ می کند در حالی که لنگه B در فرکانس حامل f2 سوئیچ می کند که مقدار آن خیلی بزرگتر از f1 می باشد. این نمای سوئیچینگ PWM یک سرعت سوئیچینگ، متعادل بین دو لنگه های اینورتر ایجاد می کند. همچنین یک ولتاژ خروجی تک قطبی که مقدارش بین 0 و +Vd و بین 0 و Vdـ می باشد ایجاد می گردد. شکل 5-1 یک شرحی از این نوع مدولاسیون با mi=0.8 و mf=15 آورده شده است:
(شکل 5-1)
برای بدست آوردن تقارن نیم موج و فرد در ولتاژ خروجی جهت حذف هارمونیکهای زوج، نرخ مدولاسیون فرکانس نباید بعنوان مضرب فردی انتخاب گردد. این نوع مدولاسیون دارای مزایای کاهش مزاحمتهای مغناطیسی الکتریکی فرکانس بالا (EMI) می باشد. همانطور که در شکل 5-1 دیده می شود، بر عکس دو نوع مدولاسیون دیگر، سیگنال مدولاسیون (Vcontrol) در این الگوریتم یک سیگنال ناپیوسته می باشد که در واقع اسپکتروم فوریه متفاوتی را ایجاد می کند.
بلوک دیاگرام کلی مدار پروژه :
(شکل 6-1)
همانطور که در شکل 6-1 مشاهده می شود، سیگنال AC برق شهر وارد یک یکسوساز تمام موج شده و بعد از یکسو شدن توسط خازن صاف می گردد. سپس سیگنال DC وارد مبدل DC به AC تمام پل (Full Bridge) شده و در آنجا به یک سیگنال AC مربعی تبدیل می گردد، ورودی این بلوک از یک مدار کنترلی (میکروکنترلر) می آید و فرمانهای آن توسط میکروکنترلر سری 8051 تولید می گردد، صفحه کلید جهت وارد کردن مقدار فرکانس به ورودی میکروکنترلر بکار می رود، همچنین نمایشگر LCD برای نمایش عدد وارد شده استفاده می شود. در خروجی اینورتر دو سیگنال مربعی و سینوسی تولید می گردد، که خروجی مربعی بعد از یک فیلتر LC پایین گذر به یک سیگنال تقریبا سینوسی تبدیل می گردد، در این بخش بلوک دیاگرام آورده شده را بطور دقیق تری بررسی می کنیم:
یکسو ساز تمام موج :
این مدار یک یکسو ساز تمام موج که توانایی تحمل ولتاژ معکوس تا 400 ولتاژ را دارد استنفاده شده است، مقدار خازن الکترولیت بکار رفته در خروجی آن، باید به اندازه ای باشد که برای جریان مورد نیاز دارای کمترین ریپل ممکن باشد، باید توجه داشت که چون این مدار بصورت سوئیچینگ می باشد بر روی خطوط برق نویزی اندازد که برای جلوگیری از آن در ورودی یکسوساز یک فیلتر خط که بصورت زیر منی باشد قرار داده می شود که در اینحالت از عبور پالسهای فرکانس بالا به خطوط انتقال جلوگیری می کند.
(شکل 7-1)
مبدل DC به AC :
همانطور که گفته شد مبدلهای مختلفی برای تبدیل سیگنال DC به AC وجود دارد که در اینجا از مدار تمام پل استفاده کرده ایم. در این مدار که از قطعات IGBT به عنوان عنصر قابل سوئیچ استفاده شده است نیاز به درایور برای کنترل گیتهای IGBT مورد نیاز می باشد. که در این پروژه از 2 آی سی درایور نیم پل IR2113 جهت کنترل هر لنگه از پل بهره برده شده است. که شرح کامل آن در ادامه امده است.
IGBT :
IGBT جز قطعات حامل اقلیت می باشد که دارای مشخصه هدایتی خیلی زیادی است با توجه به اینکه مشخصات ماسفت قدرت را نیز که شامل سهولت در راه اندازی، قابلیت جریان بالا و دارای سطح عملکرد مطمئن می باشد داراست .
معمولاَ IGBT دارای سرعت کمتری از ماسفت می باشد اما در تکنولوژی ساخت جدید این قطعه، مشخصات سوئیچیگ IGBT به حد ماسفت قدرت رسیده است بدون اینکه مشخصه هدایت بالای آن که جهت تشابه خروجی آن به ترانزیستور BJT می باشد تغییر نماید.
(شکل 7-1)
ساختار سیلیکون و مدار معادل:
بغیر از بدنه ،ساختار داخلی IGBT به ماسفت شباهت زیادی دارد. هر دو قطعه یک ساختار گیت پلی سیلیکن مشابه و چاله های P به همراه اتصالات سورس دارند در هر دو قطعه نیمه هادی نوع N زیر چاله های P از نظر ضخامت و مقاومت بگونه ای تزریق می گردند که بتوانند نرخ ولتاژ قطعه را نگهدارند و تحمل نمایند. به هر حال با وجود خیلی از تشابهات موجود عملکرد فیزیکی IGBT و ترانزیستور BJT ، شباهت آن ننسبت به ماسفت بیشتر است. این مشخصه به علت بدنه می باشد که مسئول تزریق حامل اقلیت به ناحیه N می باشد و در نتیجه مدولاسیون هدایتی را ایجاد می کند ماسفت قدرت که از مدولاسیون هدایت بهره ای نمی برد در ناحیه N تلفات زیادی دارد.
کل فایل : 150 صفحه + فایل شبیه سازی شده با نرم افزار
فهرست مطالب
عنوان صفحه
فصل اول:
مقدمه..........................................................................................................................................................................................................3
تاریخ الکترونیک قدرت............................................................................................................................................................................5
مروری بر مفاهیم سوئیچینگ و کلیدهای نیمه هادی قدرت........................................................................................................7
فصل دوم:
منابع تغذیه..............................................................................................................................................................................................19
فصل سوم:
مبدلهای قدرت سوئیچینگ.................................................................................................................................................................26
فصل چهارم:
مبدلهای تشدیدی..................................................................................................................................................................................52
فصل پنجم:
سوئیچینگ ولتاژ و جریان صفر...........................................................................................................................................................74
فصل ششم:
........................................................................128MATLAB طراحی مبدلهای تشدیدی به همراه شبیه سازی آنها توسط