وبلاگ

ژنراتورها همواره یکی از مهمترین عناصر شبکۀ قدرت بوده و نقش کلیدی در تولید انرژی و کاربردهای خاص دیگر ایفا می‌کنند. و برای ژنراتورسنکرون برای تولید بخش اعظم توان الکتریکی در سراسر جهان به کار می‌رود .
در یک ژنراتور سنکرون یک جریان dc به سیم‌پیچ رتور اعمال می‌گردد تا یک میدان مغناطیسی رتور تولید شود سپس روتور مربوط به ژنراتور به وسیله یک محرک اصلی چرخانده می‌شود، تا یک میدان مغناطیسی دوار در ماشین به وجود آید. این میدان مغناطیسی یک ولتاژ سه فاز را در سیم پیچ‌های استاتور ژنراتور القاء می‌نماید. در رتور باید جریان ثابتی اعمال شود. چون رتور می‌چرخد نیاز به آرایش خاصی برای رساندن توان DC به سیم پیچ‌های میدانش دارد. برای انجام این کار 2 روش موجود است:
1- از یک منبع بیرونی به رتور با رینگ‌های لغزان و جاروبک .
2- فراهم نمودن توان DCاز یک منبع توان DC، که مستقیماً روی شفت ژنراتورسنکرون نصب می‌شود.
یك سیستم تحریك استاتیك به لحظ عملكرد شبیه تنظیم‌كننده اتوماتیك ولتاژ میدان رفتار می‌كند بطوریكه اگر ولتاژ ژنراتور كاهش داشته باشد جریان میدان را افزایش می‌‌دهد و بر عكس اگر ولتاژ ژنراتور افزایش داشته باشد جریان میدان را كاهش می‌دهد. در واقع سیستم تحریك استاتیك توان میدان اصلی ژنراتور تأمین می‌‌كند در حالیكه تنظیم كننده ولتاژ، توان میدان تحریك كننده را برآورده می‌سازد. در سیستم تحریك استاتیك 3 مؤلفه اصلی وجود دارند: قسمت كنترل، پل یكسوساز و ترانسفورماتور قدرت كه در تركیب باهم میدان ژنراتور را برای دستیابی به ولتاژ خروجی مناسب، كنترل می‌‌كنند.
جریان DC تزریق شده به سیم‌پیچ تحریک باید کیفیت بسیار بالایی داشته باشد در غیر این صورت اثرات هارمونیک‌های ورودی به سیم‌پیچ تحریک در شفت ژنراتور سنکرون نیز قابل مشاهده است. این عمل علاوه بر کاهش کیفیت توان تزریقی به شبکه باعث افزایش تلفات در سیستم و در نتیجه افزایش هزینه‌های بهره‌برداری می‌شود.
در این پایان نامه می‌خواهیم بعد از ترانسفورماتور قدرت و پل یکسوساز با استفاده از یک مبدل باک(Buck converter) کنترل شده با مد لغزشی برای کاهش هارمونیک‌های ورودی به سیم‌پیچ تحریک کاربرد دارد، استفاده کنیم.
روش كنترل مد لغزشی یكی از مهمترین روشهای كنترل غیرخطی می‌باشد كه از مشخصه‌های بارز آن عدم حساسیت به تغییر پارامترها و دفع كامل اغتشاش و مقابله با عدم قطعیت است. این كنترل‌كننده ابتدا سیستم را از حالت اولیه با استفاده از قانون رسیدن به سطح تعریف شده لغزش كه از پایداری مجانبی لیاپانوف برخوردار است، رسانده و سپس با استفاده از قانون لغزشی آن را به حالت تعادل می‌رساند.
مطالعات نشان می‌دهد ریپل ولتاژ DC ورودی به سیم‌پیچ تحریک می‌تواند اثرات نامطلوبی بر خروجی و شفت ژنراتور سنکرون برجای گذارد. از طرفی روش‌های کنترل غیرخطی مثل روش کنترل لغزشی توانایی بالایی در تثبت و تنظیم ولتاژهای خروجی مبدل‌های DC/DC دارند ولی با این وجود باز هم ولتاژ خروجی دارای اعوجاجاتی است. فرضیه تحقیق این است با استفاده از مد لغزشی در مبدل باک، هارمونیک‌های ولتاژ خروجی مبدل را به حداقل برسانیم. در انتها با استفاده از نرم‌افزار قدرتمند MATLAB/ SIMULINK کار شبیه‌سازی کل و قسمت مربوط به فیلترینگ صورت خواهد گرفت.
 1-2- پیشینه و سوابق:
وظیفه اصلی سیستم تحریک تأمین جریان تحریک ماشین سنکرون است به علاوه با کنترل ولتاژ تحریک وظیفه کنترل و حفاظت یک سیستم قدرت را بر عهده دارد.]1[ برای تحریک ماشین‌های سنکرون روش‌های مختلفی وجود دارد، این روش‌ها با پیشرفت تکنولوژی و گذشت زمان یکی پس از دیگری ابداع شده و برخی از این روش‌ها دارای معایبی بوده که باعث شده است به فکر تغییر سیستم و اصلاح وارتقاء آن‌ها بیفتیم]2[ سیستم تحریک با تغییر جریان dc سیم‌پیچ تحریک واقع بر روی رتور نیروی محرکه تولید شده ژنراتور را کنترل می‌کند تغییر بار نیروی محرکه ژنراتور نه تنها ولتاژ خرجی تنظیم می‌شود بلکه ضریب قدرت و دامنه جریان نیز کنترل می‌شود. مرجع]3[ درمورد انواع روش‌های تحریک من جمله روش تحریک استاتیک که در این مقاله مورد بررسی قرار خواهد گرفت صحبت شده است. در طراحی صورت گرفته در این پایان نامه می‌خواهیم از یک مبدل DC/DC باک برای تغذیه سیم‌پیچ تحریک استفاده کنیم. مبدلDC/D ‏ مبدلی است که جریان DC hc یک منبع را به سطح ولتاژی دیگر تبدیل می‌کند و ولتاژ خروجی می‌تواند از ولتاژ ورودی بیشتر یا کمتر باشد. مبدل باک (Buck converter) نوعی مبدل DC-DC کاهنده است. روش کنترلی مورد استفاده در این پایان‌نامه برای مبدل باک روش کنترل لغزشی می‌باشد.
در مرجع ]4[ از روش کنترل PID استفاده شده که سیستم در این حالت دارای سرعت پاسخ بالا هستند و می‌توانند اضافه جهش را نیز کاهش دهند. اما بعد از معرفی کنترل لغزشی در سال 1977 توسط یوتکین، استفاده از این نوع کنترلرها به خاطر خصوصیات زیادی که داشتن در الکترونیک قدرت روز به روز بیشتر می‌شد به طوری که در سال 1991 برای اولین‌بار از این نوع کنترلرها در مبدل‌های باک         (Buck converter) توسط اسلوتین استفاده شد. ]5[
اما یکی از کارهای مهمی که می‌خواهیم در این پایان‌نامه انجام دهیم، استفاده از فیلترهای حذف هارمونیک در مبدل باک کنترل شده با مد لغزشی است تا بتوانیم حداکثر کاهش هارمونیک را داشته باشیم. در مرجع ]6[ از یک فیلتر RL بدون مبدل DC/DC برای کاهش هارمونیک‌های ورودی به سیم‌پیچ تحریک استفاده شده است.
در مراجع]7[ و ]8[ یک طراحی ساده برای استفاده از الکترونیک قدرت برای سیستم‌های تحریک مورد بررسی قرار گرفت که این طرح به خاطر هارمونی بودن ولتاژ ورودی به سیم‌پیچ تحریک منطقی به نظر نمی‌رسد. در مرجع ]9[ برای مبدل از یک کنترلر PI استفاده شده است ولی باز هم هارمونیک‌هایی در سیستم وجود دارند. در مراجع ]10[ و ]11[ از مبدل‌های Buck-Boost در سیستم تحریک استفاده شده است که همه این طرح‌ها بدون استفاده از فیلتر بوده و به طبع ولتاژ خروجی THD بالای دارد. ما در این پایان‌نامه علاوه بر استفاده از مبدل باک کنترل شده با مد لغزشی، با استفاده از فیلتری‌های حذف هارمونیک ولتاژ با هارمونیک بسیار کم را به سیم پیچ تحریک تزریق می‌کنیم.
1-3- ی بر گذشته کنترل سیستم تحریک استاتیک ژنراتور سنکرون:
جهت تحریک ماشین‌های سنکرون روش‌های مختلفی وجود دارد این روش‌‌ها با پیشرفت تکنولوژی و گذشت زمان یکی پس از دیگری ابداع شده است.برخی از این روش‌ها دارای معایبی بوده که باعث شده به فکر تغیر و اصلاح آنها بیفتیم]2[تا بتوانیم بازده را بالاتر برده و هارمونیک‌ها را کمتر کرده و THD ولتاژ خروجی را کمتر کنیم.
1-3-1- کنترل اتوماتیک سیستم تحریک:]3[
در این سیستم در تحریک استاتیک ژنراتور سنکرون از کنترل اتوماتیک استفاده شده است بدین صورت که ولتاژ ترمینال بدون تحریک اپراتوری در محدوده عملیاتی کنترل ماشین سنکرون قرار دارد.
تنظیم ولتاژ تحت کنترل خودکار ممکن است با تحریک جریان بار اکتیو ویا راکتیو و یا توسط عناصر مختلف کنترل اصلاح شده باشد ویا ممکن است با محدودیت‌های مختلف تحریک در سیستم تحریک وجود داشته باشد.
1-3-1-1- مجموعه تشکیل دهنده کنترل ولتاژ:
به مجموعه‌ای اتلاق می‌گردد که در میزان ولتاژ اسمی کنترل شده در سیستم تحریک ماشین سنکرون دخالت دارد به این صورت که میزان ولتاژ ثابت است یا به تدریج با تغیر بار تغیرات انجام می‌گیرد.
1-3-1-2- تنظیم کننده(رگولاتور) ماشین های سنکرون:
در یک رگولاتور(تنطیم‌کننده) از یک جفت فیدبک و فوروارد استفاده شده است که ورودی و خروجی سیستم تحریک ماشین‌های سنکرون را کنترل کرده و به این صورت ورودی‌های تحریک را با متغیرهای خروجی تنظیم کند.
1-3-1-3- عناصر و اجزای کنترل اتوماتیک سیستم:
در شکل (1-1)که برای درک بهتر کنترل سیستم تحریک بیان شده است یک بلوک دیاگرام عمومی است جهت معرفی کنترل سیستم تحریک و عناصر محافظ آن معرفی می‌گردد:
نمادهای شکل بالا بطور مستقیم بر گرفته از جدول زیر است:
جدول (1-1) فهرست علایم و اختصارات شکل (1-1) ]3[
نتیجه نهایی که در این روش مشاهده شده است این است که سیستم تحریک با تغیر جریان dc سیم‌پیچ واقع بر روی رتور نیروی محرکه تولید شده ژنراتور را کنترل می‌کند با تغیر بار نیروی محرکه ژنراتور نه تنها خروجی تنظیم می شود بلکه ضریب قدرت دامنه جریان کنترل می‌شود.
1-3-2- استفاده از سلف دوگانه یا دو تغذیه (dual self) در سیستم تحریک استاتیک: ]1[

در این سیستم علاوه بر کنترل ولتاژ تحریک ژنراتور سنکرون وظیفه کنترل و حفاظت سیستم قدرت را نیز بر عهده دارد]1[.که می‌توان

 گفت از نظر کنترلی در نظارت از کیفیت پایینی برخوردار می‌باشد.

 1-3-3- کنترل PID سیستم تحریک استاتیک:]4[
در این روش زمان واقعی سرعت موتور DC و کنترل موقعیت کارکرد آن با استفاده از هزینه کمتر را مورد بررسی قرار می‌دهد. در این روش از یک کمیت پردازش شده استفاده شده است که توسط نرم‌افزار متلب برای تولید مجموعه‌ای از عوامل مربوط به کنترل مورد نظر طراحی شده است.
در شکل (1-2) بلوک دیاگرام سیستم را تحت نظر قرار می‌دهیم.
 شکل(1-2) بلوک دیاگرام سیستم کنترل دیجیتال]4[
 در شکل (1-2) (r(t ورودی(نقطه آغاز) و c(t) خروجی و( D(z کنترل کننده دیجیتال و (G(s تابع انتقال و H(s) سنسور تابع انتقال فرم کنترل PID می‌باشد.
بر روی این سیستم تحریک آزمایشاتی نیز صورت گرفت که در این آزمایشات هم کنترل سرعت و هم کنترل موقعیت مورد بررسی قرار گرفت در نتایج حاصله از این آزمایش سرعت پاسخ بالا بوده و اضافه جهش نیز کاهش یافته است. ]4[
1-3-4- استفاده از فیلتر RL در سیستم تحریک استاتیک:]7[
در این مقاله از یک فیلترRL در ماشین‌هایAC استفاده شده است. استفاده از این فیلتر هارمونیک‌های تولید شده توسط یکسوکننده‌ها و هارمونیک‌های گشتاور فاصله هوایی سیستم تحریک را کاهش می‌دهد.]7[
در این سیستم جریان بالاتر از فرکانس خاص به نام فرکانس قطع از ژنراتور اصلی عبور کرده از طریق عبور از مقاومت موازی به ژنراتور اصلی راه پیدا می‌کند.]7[
در این مقاله دو راه حل را مورد آزمایش قرار داده است:
راه حل اول شبیه‌سازی سیستم تحریک سه فاز به سیستم تحریک شش فاز با استفاده از دوازده پالسه پل اصلاح و در روش دوم شبیه‌سازی سیستم تحریک با فیلتر RL ]7[
پس از انجام شبیه سازی و مقایسه FFT فرکانس رویت شده پس از اعمال فیلتر RL منظم تر شده و کاهش یافته ولی در حد مطلوب نبوده به این صورت که در مقایسه بین تجزیه تحلیل گشتاور فاصله هوایی با استفاده از فیلتر و سیستم تحریک فیلتر شده دیده می‌شود هارمونیک‌ها به اندازه کافی از بین نرفته است.
بنابراین این طرح به خاطر هارمونی بودن ولتاژ ورودی به سیم‌پیچ تحریک منطقی به نظر نمی‌رسد.
1-3-5- استفاده از مبدل باک-بوست جهت کنترل سیستم تحریک استاتیک:]11[
در این روش جهت کنترل سیستم تحریک استاتیک از یک مبدل باک – بوست به استفاده شده است.
در شکل (1-3) نمایی از یک سیستم کلاسیک تحریک را نشان می‌دهد:
شکل (1-3) دیاگرام شماتیک سیستم تحریک استاتیک]11[
این سیستم تحریک شامل یک ژنراتور سنکرون و کنترلر و مبدل می‌باشد در این سیستم تحریک قدرت از طریق یک ترانسفورماتور به ترمینال ژنراتور عرضه می‌گردد.]11[
از ویژگی‌های این سیستم داشتن ثابت زمانی بسیار کوچک و ارزان بودن و نگهداری ساده می‌باشد.
ماکزیمم ولتاژ خروجی سیستم تحریک وابسته به ولتاژ ورودی AC می باشد بنابراین در هنگام بروز خطای سیستم ولتاژ کاهش می‌یابد که این عامل باعث می‌شود سیستم تحریک به ماکزیمم ولتاژ دستیابی نداشته باشد.
شکل (1-4) سیستم تحریک را با مبدل باک – بوست به نشان داده می‌شود.
شکل(1-4) سیستم تحریک استاتیک ژنراتور سنکرون به همراه مبدل باک –بوست]11[
در سیستم تحریک شکل (1-4) به دلیل اینکه ولتاژ ورودی سیستم تحریک را افزایش دهیم از یک مبدل باک – بوست استفاده کردیم عملکرد مبدل بوست جهت افزایش ولتاژ ورودی به سیستم تحریک موثر می‌باشد]11[
در شکل(1-4) در قسمت A مبدل در حالت ماندگار عمل می‌کند و در قسمت B مبدل در حالت گذرا و استارت نرم (soft starting) عمل می‌کند.
مبدل افزاینده PMG(perment magnet generator) که همان ژنراتور مغناطیس دایم از سیستم تحریک AC می باشد نام دارد.
از مزایای این روش می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:]11[
1- از نظر پایداری سیستمی که با مبدل باک – بوست طراحی شده است پایدارتر است از سیستمی که این مبدل ندارد
2- این سیستم پیشنهادی در مقابل خطای سیستم قدرتمندتر نشان می دهد چون یک سیستم دوکاناله می باشد و از دو کانال سیستم را تحت کنترل قرار می دهد.
3- پایین‌ترین رنج ولتاژ کنتل برای یک سیستم تحریک معمولی 30% تا 40% از ولتاژ نامی است ولی پایین‌ترین رنج ولتاژ کنترل برای سیستم تحریک پیشنهادی 10% از ولتاژ نامی می‌باشد.
در این روش پس از انجام آزمایشات و شبیه‌سازی این نتیجه حاصل آمده که استفاده از مبدل باک – بوست در سیستم تحریک استاتیک می‌تواند روند کارکرد سیستم را بهبود ببخشد و پایداری سیستم را بالاتر برده ولی در شرایط خطا می‌تواند ثبات بیشتری نسبت به قبل داشته باشد.
1-4- اهداف این پایان‌نامه:
برای تامین تغذیه دایمی سیستم تحریک ژنراتور سنکرون برق مورد نیاز از خروجی ژنراتور مورد استفاده قرار می‌گیرد. تامین برق مورد نیاز با مبدل باک کنترل شده با مود لغزشی در راستای تنظیم برق DC می‌تواند بسیار کارآمد باشد. نکته مهم در این بین کاهش هارمونیک‌های خروجی مبدل باک است که ما در این پایان‌نامه می‌خواهیم این کار را با استفاده از کنترلر مد لغزشی در مبدل باک. درنتیجه تلفات کمتر، هزینه سرمایه‌گذاری کمتر و نیاز به دایمی بودن سیستم برق تولیدی در ژنراتور سنکرون و سایر مزایای دیگر اجرای چنین پایان نامه‌ای را در جهت مناسب‌ترین الگوی طراحی تغذیه سستم تحریک لازم می‌شمارد.
کشور عزیزمان ایران به واسطه وسعت جغرافیایی دارای مراکز تولید برق متعددی می‌باشد که درصد بالایی از این مراکز همگی با استفاده از ژنراتورهای سنکرون برق مورد نیاز کشور را تولید می‌کنند. از طرف تامین برق سیستم تحریک این ژنراتورها نیازمند یک طراحی جامع و کاملی است که در تمام شرایط بتواند برق مورد نیاز این سیستم را و تنظیم ولتاژ مناسب تهیه کند. جریان مستقیم مورد استفاده در سیم‌پیچ تحریک باید عاری از هرگونه از هارمونیک باشد تا سیستم به بهترین شکل ممکن مورد بهره‌‌برداری قرار بگیرد. در این راستا باید مطالعات جامعی برای طراحی تغذیه این سیستم‌ها صورت پذیرد. این پایان‌نامه مورد استفاده بخش تولید انرژی برق و مولدهای الکتریکی می‌تواند قرار گیرد.
1-5- جنبه‌های نوآوری این پایان نامه:
تاکنون در تحقیقات انجام شده به روش تغذیه استاتیک سیستم تحریک استفاده از مبدل‌های DC/DC کاهنده توجه ویژه‌ای نشده است. همچنین استفاده از مبدل‌های افزاینده یا افزاینده- کاهنده که بعضی از تحقیقات مورد استفاده قرار گرفته شده بود، با فرض عدم استفاده از فیلترهای حذف هارمونیک بوده است. ما در این پایان‌نامه علاوه بر استفاده از روش کنترل لغزشی سعی در کاهش اثرات اغتشاشات (شامل تغییر ولتاژ وردی و تغییر بار) و تنظیم ولتاژ خروجی با دینامیک بسیار سریع و حداکثر کاهش هارمونیک‌ها خواهیم بود. همچنین با استفاده از SIMULINK/MATLAB کارآمد بودن این سیستم را نشان خواهیم داد.