خلاصه

در این مقاله دو نوع روش کنترلی حلقه باز برای اینورتر تکفاز (full bridge) بر پایهی روش های کنترلی مدولاسیون پهنای پالس سینوسی (SPWM) و مدولاسیون سیگما-دلتا (SDM) مورد بررسی قرار گرفته است. اکثر روش های پیشنهاد شده برای کاربردهای درایو اینورتر و کنترل موتور بر پایه ی مدولاسیون پهنای پالس میباشد. در این روش میتوان با تغییر پهنای پالس، سیگنال خروجی و طیف خروجی اینورتر را کنترل کرد. علاوه بر این ، روشی که در چند سال اخیر مخصوصا برای کاربردهای audio نسبتا زیاد مورد استفاده قرار گرفته است روش مدولاسیون سیگما-دلتا میباشد که به تازگی در کاربردهای الکترونیک-قدرت مورد توجه بیشتری قرار گرفته است. در این مقاله ،دو روش سیگما-دلتا و مدولاسیون پهنای پالس سینوسی برای اینورتر تکفاز در محیط متلب/سیمولینک شبیه سازی و بصورت عملی بر روی میکروکنترلر ARM سری AT91SAM7X پیاده سازی شده اند. THD جریان خروجی اینورتر برای دو روش SPWM و سیگما-دلتا به ترتیب برابر ۲۶/ ۴% و % ۱۱/۱۳ می باشد که نشاندهندهی بهبود قابل توجهی در THD جریان خروجی ناشی از روش سیگما-دلتا است.

کلمات کلیدی: اینورتر تکفاز ، مدولاتور سیگما- دلتا ، مدولاسیون پهنای پالس سینوسی ، کنترل حلقه باز ، THD

۱٫ مقدمه

به منظور کاهش استفاده از سوخت های فسیلی و کاهش تولید CO2 ، استفاده از انرژی های تجدیدپذیر مانند انرژی خورشیدی و بادی بطور چشمگیری افزایش یافته است.استفاده از این انرژی های نو مستلزم بکارگیری مبدل توان DC/AC یا اینورتر میباشد تا به این ترتیب توان dc به توان ac مورد نیاز برای شبکه های توزیع الکتریکی یا برای درایو موتورها و همچنین کاربردهای stand alone تبدیل شود.

پیاده سازی و کنترل اینورتر ، شامل یک بخش قدرت و یک بخش الکترونیک است که بخش قدرت برای ما توان dc را به توان ac تبدیل میکند و بخش الکترونیک تولید سیگنال های کنترلی مورد نیاز بخش قدرت را به عهده میگیرد.راندمان بخش قدرت که شامل اینورتر و بار متصل به آن است وابستگی شدیدی به روش کنترلی مورد استفاده دارد بطوریکه میتوان با انتخاب یک روش کنترلی مناسب ، محتوای هارمونیکی طیف فرکانسی خروجی اینورتر را کاهش داد و به این ترتیب THD و تداخل الکترومغناطیسی۳ نیز کاهش مییابد و در نتیجه راندمان بهبود پیدا میکند.

تاکنون روش های کنترلی مختلفی برای درایو اینورتر ارائه شده است که میتوان به روشهای مدولاسیون پهنای پالس((PWMو مدولاسیون سیگما-دلتا (SDM) اشاره کرد. روش های کنترلی به دو دسته حلقه باز۴ و حلقه بسته۵ تقسیم میشوند و پیاده سازی آنها به دو صورت آنالوگ و دیجیتال امکان پذیر است. پیاده سازی دیجیتالی روش های کنترلی در مدارات مجتمع دیجیتالی همانند میکرو کنترلرها و FPGA دارای مزایای بیشتری نسبت به پیاده سازی آنالوگ متناظر آن است که میتوان به قابلیت اطمینان وانعطاف پذیری بیشتر در پیاده سازی و دقت آنها در برآوردن قوانین کنترلی

۱ دانشجوی کارشناسی ارشد دانشگاه شهید چمران اهواز

×
۲ دانشجوی کارشناسی ارشد دانشگاه شهید چمران اهواز
۳ EMI 4 Open loop 5 Closed loop

۱

دومین همایش ملی پژوهش های کاربردی در » مهندسی برق، مکانیک و مکاترونیک«
۲nd National Conference on Applied Researches in Electrical, Mechanical and Mechatronics Engineering

مورد نیاز سیستم های بلادرنگ اشاره کرد [۱] .آقای داپارو و همکاران [۲] ،به کمک مدولاتور سیگما-دلتا یک اینورتر (full bridge) را دو حالت حلقه باز و حلقه بسته درایو کردند و با مقایسهی نتایج حاصل از درایو اینورتر به کمک روش PWM دیجیتالی ، مشخص شد که اینورتر درایو شده به روش سیگما-دلتا بازده بیشترو تداخل الکترومغناطیسی کمتری از خود نشان داده است. در کاری مشابه، آقای چانگ و همکاران[۳] ،طرح کنترلی خود را بر پایه ی مدولاتور سیگما-دلتای آسنکرون برای درایو اینورترهای متصل به شبکه که از منبع انرژی dc تجدیدپذیر توان خود را تامین میکنند بصورت ماژولار بر روی میکروکنترلر پیاده سازی کردهاند. همچنین آقای دان دان و همکاران [۴] ،برای کاربرد صوتی یک تقویت کننده توان کلاس D بر پایهی روش کنترلی سیگما-دلتا ارائه داده اند.

در این مقاله دو نوع روش کنترلی حلقه باز بر پایه مدولاسیون پهنای پالس سینوسی (SPWM) و سیگما-دلتا به صورت دیجیتالی بر روی میکروکنترلر ARM پیاده سازی شده است،که سیگنال های کنترلی بصورت تک بیتی میباشند. ابتدا کنترل بر مبنای روش SPWM صورت میگیرد وسپس با جایگزین کردن این کنترل کننده با کنترل کننده ای بر مبنای سیگما-دلتا ،میتوان روند بهبود طیف فرکانسی خروجی اینورتر را مشاهده کرد. در بخش دوم از این مقاله ،مروری جزئی بر روش SPWM و SDM آمده است و همچنین مقایسه ای بین ویژگی های این دو روش صورت گرفته است و طرح کنترلی حلقه باز موردنظر در این مقاله بررسی میشود .در بخش سوم نتایح حاصل از شبیه سازی و پیاده سازی طرح کنترلی ارائه شده ، مورد بررسی و مقایسه قرار گرفته است.

۲٫ طرح روش کنترلی
۱٫۲ مدولاسیون پهنای پالس سینوسی

SPWM یکی از رایج ترین روش های کنترلی PWM است و دارای مزایایی از قبیل سادگی در پیادهسازی ، تلفات کلیدزنی کم و محتوای هارمونیکی ناچیز نسبت به بسیاری از روش های کنترلی میباشد[۵] .و در کاربردهایی مانند درایو اینورترهای متصل به شبکه وکنترل دور موتور کاربرد دارد. در این روش یک موج سینوسی به عنوان شکل موج مرجع با دامنه و فرکانس مشخص با یک شکل موج مثلثی مقایسه میشود. فرکانس موج سینوسی ، نشان دهندهی فرکانس مطلوب و مورد انتظار در ولتاژ خروجی اینورتر است و فرکانس موج مثلثی برابر فرکانس کلیدزنی اینورتر است. نسبت دامنه سیگنال سینوسی به دامنه سیگنال موج مثلثی ma (اندیس مدولاسیون) نامیده میشود و طبق رابطه (۱) تعریف میشود.

(۱)

اگر ۰<ma≤۱ باشد،این ناحیه بعنوان ناحیه عملکرد خطی شناخته میشود در این ناحیه ولتاژ خروجی اینورتر به صورت خطی با maتغییر میکند که در رابطه (۲) آورده شده است :

(۲) √
×

و اگر ma>1 باشد ناحیه عملکرد فرامدولاسیون۱ نامیده میشود و ولتاژ خروجی اینورتر طبق رابطه((۳ تغییر میکند. [۵]

(۳)× √ √

در این مقاله ma برابر ۰/۸و فرکانس موج سینوسی برابر ۵۰ هرتز و فرکانس موج مثلثی برابر ۴۰۰ هرتز انتخاب شده است .