عنوان :

پایان نامه الکترونیک قدرت

تعداد صفحات :۶۲

نوع فایل : ورد و قابل ویرایش

چکیده

با پیشرفت در قطعات نیمه هادی قدرت از ۱۹۵۰‏، الکترونیک قدرت، بطور گسترده ای در کاربردهای صنعتی، نقل و انتقال، تجاری و هوا فضا رشد کرده است. الکترونیک قدرت در مورد تبدیل بهینه انرژی، کنترل و حالت دادن به توان الکتریکی با استفاده از عناصر نیمه هادی جامد بحث می کند.

در این پروژه طراحی و ساخت یک سیگنال ژنراتور مربعی و سینوسی که فرکانس آن توسط یک مدار میکروپروسسوری کنترل می گردد آورده شده است. که در واقع این مدار یک مبدل DC به AC می باشد که ولتاژ برق شهر توسط یک مدار یکسو ساز ساده به DC تبدیل شده و سپس این مقدار DC ثابت توسط یک مدار میکروپروسسوری بعنوان بخش کنترل و یک مدار تمام پل با قطعات نیمه هادی IGBT و درایورهای آن بعنوان بخش قدرت به یک سیگنال AC با فرکانس مختلف تبدیل می گردد.

در این نوشتار نیز سعی شده است تا ضمن تشریح کامل مدار پروژه ، مطالب ضروری دیگر که می تواند مدار را بیشتر تحلیل نموده و دلایل استفاده از قطعات و المانهای بکار رفته را توضیح نماید عنوان شود.  بنابراین از آنجایی که بخش عمده ای از پروژه مربوط به سوئیچ المانی از الکترونیک قدرت و کاربرد آن در پروژه مذکور می باشد، فصل اول را به مبحث الکترونیک قدرت اختصاص دادیم و از آنجایی که در این پروژه از میکروکنترلر ۸۹C52 که از خانواده میکروکنترلر ۸۰۵۱ می باشد ، استفاده شده است فصل دوم را به طور کلی به مبحث میکروکنترلر ۸۰۵۱ و جزئیات مربوط به آن اختصاص دادیم علاوه بر این لازم بود که تحلیل کلی از پروژه را ارئه دهیم لذا لازم دیدیم در فصل سوم به تشریح کامل مدار پرداخته و ضرورت استفاده از تک تک قطعات را بیان نموده و به مدار کاربردی آن نیز بپردازیم.

واژه های کلیدی: الکترونیک قدرت ، سوئچینگ PWM ، میکرو کنترلر ۸۹C52، اپتو کوپلر

فهرست مطالب

مقدمه             .۱
فصل اول: الکترونیک قدرت             ۴
مبدل DCبه AC تکفاز                    ۵
مدولاسیون پهنای پالس(PWM)                   .۶
اشکال مختلف سوئچینگ PWM                  .۸
مدولاسیون PWM دو قطبی                    ۸
مدولاسیون PWM تک قطبی       ۱۰
شمای PWM تک قطبی بهبود یافته            .۱۲
بلوک دیاگرام کلی مدار پروژه                 ۱۴
یکسوساز تمام موج          .۱۵
مبدلDC بهAC       ۱۶
IGBT              .۱۶
ساختارسیلیکون و مدار معادل                 ۱۷
مشخصات هدایت      ۱۸
مشخصات سوئیچینگ       ۲۰
راه انداز یا  درایور IGBT                    .۲۰
شرح ای سیIR2113                   .۲۲
ملاحظات طراحی بخش درایورIR2113           ۲۶
برد مدار چاپی مورد نیاز برای راه اندازی ماسفت        ۳۳
راهنمای کمک سریع        ۳۴
فصل دوم:میکروکنترلر۸۰۵۱          ۳۵
مقدمه                 .۳۶
تفاوت بین میکرو پروسسور و میکرو کنترلر               ۳۶
میکرو کنترلر۸۰۵۱          .۳۸
تخصیص فضای حافظهRAMدر ۸۰۵۱             ۴۰
توصیف پایه های ۸۰۵۱        .۴۲
فصل سوم:تشریح تکمیلی مدار پروژه                   ۴۸
پل دیود و خازن صافی کننده ورودی            ۴۹
راه انداز پل سوئیچ های قدرت                    ۴۹
میکروکنترلر۸۹C52        ۵۴
اپتو کوپلر و نقش آن در مدار                 .۵۸
عملکرد مدار             ۵۹
کاربردهای پروژه       ۶۰
منابع

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.

همان طور که در شکل ۱-۱ 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 ۲-۱ یک شمای کلی از مدولاسیون PWM می باشد:

 جهت تولید یک ولتاژ سینوسی در فرکانس مشخص مثلاً  f₁، یک سیگنال کنترل سینوسی V_control در فرکانس مورد نظر (f₁) با یک موج مثلثی (V_carrier) مقایسه می گردد شکل ۲-۱٫ در هر نقطه مشترک، یک گذر در شکل موج PWM با توجه به شکل ۲-۱ ظاهر می گردد. وقتی V_contro1 بزرگتر از V_carrier باشد خروجی PWM مثبت می شود و و قتی کوچکتر از V_carrier باشد شکل موج PWM منفی خواهد شد. فرکانس ولتاژ حامل (V_carrier) در واقع فرکانس سوئیچ (f_s) اینورتر را بیان می کند. (f_s)، اندیس مدولاسیون را برای این سیستم داریم:

که در این رابطه V_contro1 در ماکزیمم دامنه سیگنال کنترلی قرار می گیرد، در حالیکه V_tri‌مقدار ماکزیمم سیگنال و مثلثی (حامل) می باشد. همچنین نرخ مدولاسیون فرکانسی بصورت زیر تعریف می گردد:

m_f در واقع نرخ بین فرکانس حامل و سوئیچینگ می باشد؛ جزء اصلی ولتاژ خروجی (V_out) نیم پل، دارای مشخصه معادله زیر و منطقه مدولاسیون خطی می باشد.

V_out=m_i.V_d       m_i≤۱٫۰

این معادله نشان می دهد که نتیجه مورد نظر که دامنه می باشد بطور خطی با اندیس مدولاسیون نسبت مستقیم دارد. مقدار m_i از صفر تا ۱ را می توان بعنوان محدوده 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 ۱-۱ 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 ۱-۱ 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:

V_out = V_d   when   V_control > V_carrier

V_out == V_d   when   V_control < V_carrier

شکل ۳-۱ یک شرحی از مدولاسیون PWM دو قطبی را با پارامترهای m_f=15 و m_i=0.8 بصورت گرافیکی بیان می کند. از روی شکل می توان فهمید که V_BO دقیقاً معکوس V_AO در هر زمان می باشد، بنابراین هیچ حالت صفری در خروجی ندارد، V_out=V_AO-V_BO 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 V_out 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 ۱-۱ بطور مجزا و غیر وابسته با قیاس دو سیگنال V_control1 و V_control2 با سیگنالهای حاصل مشابه آنها عمل می کند. شکل ۴-۱ این شمای سوئیچینگ تک قطبی را به همراه خروجی m_i=0.8 و m_f=12 نشان می دهد:

الگوریتم سوئیچینگ PWM تک قطبی، در معادله زیر نشان داده شده است:

V_out = V_d   when   T₁, T₄ is ON

V_out = -V_d   when   T₂, T₃ is ON

V_out= 0   when   T₁,T₃  or  T₃, T₄ is ON

از شکل ۱-۳ و معادله بالا مشخص می گردد که ولتاژ خروجی بین ۰ تا +V_d یا ۰ تا  -V_d 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 ۲V_d را داشت در این حالت (تک قطبی) تغییر ولتاژ V_d می باشد. همچنین در این نوع PWM امکان انتخاب مقدار نرخ مدولاسیون فرکانس( m_f ) بعنوان یک عدد زوج برای حذف اجزای هارمونیکها در فرکانس سوئیچینگ (f_s) 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 ۰ و +V_d و بین  ۰ و V_dـ می باشد ایجاد می گردد. شکل ۵-۱ یک شرحی از این نوع مدولاسیون با m_i=0.8 و m_f=15 آورده شده است:

 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 ۵-۱ دیده می شود، بر عکس دو نوع مدولاسیون دیگر، سیگنال مدولاسیون (V_control)  در این الگوریتم یک سیگنال ناپیوسته می باشد که در واقع اسپکتروم فوریه متفاوتی را ایجاد  می کند.

 همانطور که در شکل ۶-۱ 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 ۸۰۵۱ 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 ۴۰۰ 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.

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 ۲ 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.

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.

مشخصات هدایت :

جهت دریافت و خرید متن کامل مقاله و تحقیق و پایان نامه مربوطه بر روی گزینه خرید انتهای هر تحقیق و پروژه کلیک نمائید و پس از وارد نمودن مشخصات خود به درگاه بانک متصل شده که از طریق کلیه کارت های عضو شتاب قادر به پرداخت می باشید و بلافاصله بعد از پرداخت آنلاین به صورت خودکار  لینک دنلود مقاله و پایان نامه مربوطه فعال گردیده که قادر به دنلود فایل کامل آن می باشد .