در ادامه مطلب می توانید تکه هایی از ابتدای این پایان نامه را بخوانید

دانشگاه آزاد اسلامی

واحد دامغان

دانشکده فنی و مهندسی

 پایان‌نامه کارشناسی ارشد رشته مهندسی برق

گرایش قدرت

عنوان پایان‌نامه:

بهره گیری از مبدل باک (Buck) کنترل شده با مد لغزشی به مقصود کاهش هارمونیک‌های ورودی به سیستم تحریک استاتیک ژنراتور سنکرون

استاد راهنما:

دکتر احمدرضا اسکندری

برای رعایت حریم خصوصی نام نگارنده درج نمی گردد
تکه هایی از متن به عنوان نمونه : (ممکن می باشد هنگام انتقال از فایل اصلی به داخل سایت بعضی متون به هم بریزد یا بعضی نمادها و اشکال درج نشود اما در فایل دانلودی همه چیز مرتب و کامل می باشد)
چکیده
روش کنترل مد لغزشی یکی از مهمترین روشهای کنترل غیرخطی می‌باشد که از مشخصه‌های بارز آن عدم حساسیت به تغییر پارامترها و دفع کامل اغتشاش و مقابله با عدم قطعیت می باشد. این کنترل‌کننده آغاز سیستم را از حالت اولیه با بهره گیری از قانون رسیدن به سطح تعریف شده لغزش که از پایداری مجانبی لیاپانوف برخوردار می باشد، رسانده و سپس با بهره گیری از قانون لغزشی آن را به حالت تعادل می‌رساند. تاکنون در تحقیقات انجام شده به روش تغذیه استاتیک سیستم تحریک بهره گیری از مبدل‌های DC/DC کاهنده توجه ویژه‌ای نشده می باشد.
در این پایان‌نامه، بعد از ترانسفورماتور قدرت و پل یکسوساز با بهره گیری از یک مبدل باک               (Buck converter) کنترل‌شده با مد لغزشی برای کاهش هارمونیک‌های ورودی به سیم‌پیچ تحریک کاربرد دارد، بهره گیری کنیم.
ما در این پایان‌نامه با روش کنترل لغزشی کوشش 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 بهره گیری از SIMULINK/MATLAB کارآمد بودن این سیستم را نشان خواهیم داد.
 -1- مقدمه:
ژنراتورها همواره یکی از مهمترین عناصر شبکۀ قدرت بوده و تأثیر کلیدی در تولید انرژی و کاربردهای خاص دیگر اعمال 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 می گردد تا یک میدان مغناطیسی رتور تولید گردد سپس روتور مربوط به ژنراتور به وسیله یک محرک اصلی چرخانده می گردد، 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 بایستی جریان ثابتی اعمال گردد. زیرا رتور می‌چرخد نیاز به آرایش خاصی برای رساندن توان DC به سیم پیچ‌های میدانش دارد. برای انجام این کار 2 روش موجود می باشد:
1- از یک منبع بیرونی به رتور با رینگ‌های لغزان و جاروبک .
2- فراهم کردن توان DCاز یک منبع توان DC، که مستقیماً روی شفت ژنراتورسنکرون نصب می گردد.
یک سیستم تحریک استاتیک به لحظ عملکرد شبیه تنظیم‌کننده خودکار ولتاژ میدان رفتار می کند بطوریکه اگر ولتاژ ژنراتور کاهش داشته باشد جریان میدان را افزایش می‌‌دهد و بر عکس اگر ولتاژ ژنراتور افزایش داشته باشد جریان میدان را کاهش می‌دهد. در واقع سیستم تحریک استاتیک توان میدان اصلی ژنراتور تأمین می‌‌کند در حالیکه تنظیم کننده ولتاژ، توان میدان تحریک کننده را برآورده می‌سازد. در سیستم تحریک استاتیک 3 مؤلفه اصلی وجود دارند: قسمت کنترل، پل یکسوساز و ترانسفورماتور قدرت که در ترکیب باهم میدان ژنراتور را برای دستیابی به ولتاژ خروجی مناسب، کنترل می‌‌کنند.
جریان DC تزریق شده به سیم‌پیچ تحریک بایستی کیفیت بسیار بالایی داشته باشد اگر این طور نباشد اثرات هارمونیک‌های ورودی به سیم‌پیچ تحریک در شفت ژنراتور سنکرون نیز قابل نظاره می باشد. این اقدام علاوه بر کاهش کیفیت توان تزریقی به شبکه باعث افزایش تلفات در سیستم و در نتیجه افزایش هزینه‌های بهره‌برداری می گردد.
در این پایان نامه می‌خواهیم بعد از ترانسفورماتور قدرت و پل یکسوساز با بهره گیری از یک مبدل باک(Buck converter) کنترل شده با مد لغزشی برای کاهش هارمونیک‌های ورودی به سیم‌پیچ تحریک کاربرد دارد، بهره گیری کنیم.
روش کنترل مد لغزشی یکی از مهمترین روشهای کنترل غیرخطی می‌باشد که از مشخصه‌های بارز آن عدم حساسیت به تغییر پارامترها و دفع کامل اغتشاش و مقابله با عدم قطعیت می باشد. این کنترل‌کننده آغاز سیستم را از حالت اولیه با بهره گیری از قانون رسیدن به سطح تعریف شده لغزش که از پایداری مجانبی لیاپانوف برخوردار می باشد، رسانده و سپس با بهره گیری 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 اما با این تفاصیل باز هم ولتاژ خروجی دارای اعوجاجاتی می باشد. فرضیه پژوهش این می باشد با بهره گیری از مد لغزشی در مبدل باک، هارمونیک‌های ولتاژ خروجی مبدل را به حداقل برسانیم. در انتها با بهره گیری 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 می باشد به علاوه با کنترل ولتاژ تحریک وظیفه کنترل و حفاظت یک سیستم قدرت را بر عهده دارد.]1[ برای تحریک ماشین‌های سنکرون روش‌های مختلفی هست، این روش‌ها با پیشرفت تکنولوژی و گذشت زمان یکی پس از دیگری ابداع شده و بعضی از این روش‌ها دارای معایبی بوده که باعث شده می باشد 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 می کند تغییر بار نیروی محرکه ژنراتور نه تنها ولتاژ خرجی تنظیم می گردد بلکه ضریب قدرت و دامنه جریان نیز کنترل می گردد. مرجع]3[ در ارتباط با انواع روش‌های تحریک من جمله روش تحریک استاتیک که در این مقاله مورد مطالعه قرار خواهد گرفت صحبت شده می باشد. در طراحی صورت گرفته در این پایان نامه می‌خواهیم از یک مبدل DC/DC باک برای تغذیه سیم‌پیچ تحریک بهره گیری کنیم. مبدلDC/D ‏ مبدلی می باشد که جریان DC hc یک منبع را به سطح ولتاژی دیگر تبدیل می کند و ولتاژ خروجی می‌تواند از ولتاژ ورودی بیشتر یا کمتر باشد. مبدل باک (Buck converter) نوعی مبدل DC-DC کاهنده می باشد. روش کنترلی مورد بهره گیری در این پایان‌نامه برای مبدل باک روش کنترل لغزشی می‌باشد.
در مرجع ]4[ از روش کنترل PID بهره گیری 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، بهره گیری از این نوع کنترلرها به خاطر خصوصیات زیادی که داشتن در الکترونیک قدرت روز به روز بیشتر می‌گردید به طوری که در سال 1991 برای اولین‌بار از این نوع کنترلرها در مبدل‌های باک         (Buck converter) توسط اسلوتین بهره گیری گردید. ]5[
اما یکی از کارهای مهمی که می‌خواهیم در این پایان‌نامه انجام دهیم، بهره گیری از فیلترهای حذف هارمونیک در مبدل باک کنترل شده با مد لغزشی می باشد 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 بهره گیری شده می باشد.
در مراجع]7[ و ]8[ یک طراحی ساده برای بهره گیری از الکترونیک قدرت برای سیستم‌های تحریک مورد مطالعه 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 بهره گیری شده می باشد اما باز هم هارمونیک‌هایی در سیستم وجود دارند. در مراجع ]10[ و ]11[ از مبدل‌های Buck-Boost در سیستم تحریک بهره گیری شده می باشد که همه این طرح‌ها بدون بهره گیری از فیلتر بوده و به طبع ولتاژ خروجی THD بالای دارد. ما در این پایان‌نامه علاوه بر بهره گیری از مبدل باک کنترل شده با مد لغزشی، با بهره گیری از فیلتری‌های حذف هارمونیک ولتاژ با هارمونیک بسیار کم را به سیم پیچ تحریک تزریق می‌کنیم.
1-3- مروری بر گذشته کنترل سیستم تحریک استاتیک ژنراتور سنکرون:
جهت تحریک ماشین‌های سنکرون روش‌های مختلفی هست این روش‌‌ها با پیشرفت تکنولوژی و گذشت زمان یکی پس از دیگری ابداع شده می باشد.بعضی 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 خودکار سیستم تحریک:]3[
در این سیستم در تحریک استاتیک ژنراتور سنکرون از کنترل خودکار بهره گیری شده می باشد به این شکل که ولتاژ ترمینال بدون تحریک اپراتوری در محدوده عملیاتی کنترل ماشین سنکرون قرار دارد.
تنظیم ولتاژ تحت کنترل خودکار ممکن می باشد با تحریک جریان بار اکتیو ویا راکتیو و یا توسط عناصر مختلف کنترل اصلاح شده باشد ویا ممکن می باشد با محدودیت‌های مختلف تحریک در سیستم تحریک وجود داشته باشد.
1-3-1-1- مجموعه تشکیل دهنده کنترل ولتاژ:
به مجموعه‌ای اتلاق می گردد که در اندازه ولتاژ اسمی کنترل شده در سیستم تحریک ماشین سنکرون دخالت دارد به این شکل که اندازه ولتاژ ثابت می باشد 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 بهره گیری شده می باشد که ورودی و خروجی سیستم تحریک ماشین‌های سنکرون را کنترل کرده و به این شکل ورودی‌های تحریک را با متغیرهای خروجی تنظیم کند.
1-3-1-3- عناصر و اجزای کنترل خودکار سیستم:
در شکل (1-1)که برای درک بهتر کنترل سیستم تحریک اظهار شده می باشد یک بلوک دیاگرام عمومی می باشد جهت معرفی کنترل سیستم تحریک و عناصر محافظ آن معرفی می گردد:
نمادهای شکل بالا بطور مستقیم بر گرفته از جدول زیر می باشد:
جدول (1-1) فهرست علایم و اختصارات شکل (1-1) ]3[
نتیجه نهایی که در این روش نظاره شده می باشد این می باشد که سیستم تحریک با تغیر جریان dc سیم‌پیچ واقع بر روی رتور نیروی محرکه تولید شده ژنراتور را کنترل می کند با تغیر بار نیروی محرکه ژنراتور نه تنها خروجی تنظیم می گردد بلکه ضریب قدرت دامنه جریان کنترل می گردد.
1-3-2- بهره گیری 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 بهره گیری از هزینه کمتر را مورد مطالعه قرار می‌دهد. در این روش از یک کمیت پردازش شده بهره گیری شده می باشد که توسط نرم‌افزار متلب برای تولید مجموعه‌ای از عوامل مربوط به کنترل مورد نظر طراحی شده می باشد.
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 مطالعه قرار گرفت در نتایج حاصله از این آزمایش سرعت پاسخ بالا بوده و اضافه جهش نیز کاهش یافته می باشد. ]4[
1-3-4- بهره گیری از فیلتر RL در سیستم تحریک استاتیک:]7[
در این مقاله از یک فیلترRL در ماشین‌هایAC بهره گیری شده می باشد. بهره گیری 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 می کند.]7[
در این مقاله دو راه حل را مورد آزمایش قرار داده می باشد:
راه حل اول شبیه‌سازی سیستم تحریک سه فاز به سیستم تحریک شش فاز با بهره گیری 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 اما در حد مطلوب نبوده به این شکل که در مقایسه بین تجزیه تحلیل گشتاور فاصله هوایی با بهره گیری از فیلتر و سیستم تحریک فیلتر شده دیده می گردد هارمونیک‌ها به اندازه کافی از بین نرفته می باشد.
پس این طرح به خاطر هارمونی بودن ولتاژ ورودی به سیم‌پیچ تحریک منطقی به نظر نمی‌رسد.
1-3-5- بهره گیری از مبدل باک-بوست جهت کنترل سیستم تحریک استاتیک:]11[
در این روش جهت کنترل سیستم تحریک استاتیک از یک مبدل باک – بوست به بهره گیری شده می باشد.
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 می گردد.]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 پس در هنگام بروز خطای سیستم ولتاژ کاهش می‌یابد که این عامل باعث می گردد سیستم تحریک به ماکزیمم ولتاژ دستیابی نداشته باشد.
شکل (1-4) سیستم تحریک را با مبدل باک – بوست به نشان داده می گردد.
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 بهره گیری 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 اقدام می کند و در قسمت B مبدل در حالت گذرا و استارت نرم (soft starting) اقدام می کند.
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 موردها زیر تصریح نمود:]11[
1- از نظر پایداری سیستمی که با مبدل باک – بوست طراحی شده می باشد پایدارتر می باشد از سیستمی که این مبدل ندارد
2- این سیستم پیشنهادی پیش روی خطای سیستم قدرتمندتر نشان می دهد زیرا 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 می باشد اما 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 بهره گیری از مبدل باک – بوست در سیستم تحریک استاتیک می‌تواند طریقه کارکرد سیستم را بهبود ببخشد و پایداری سیستم را بالاتر برده اما 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 بهره گیری 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 می باشد که ما در این پایان‌نامه می‌خواهیم این کار را با بهره گیری 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 بهره گیری از ژنراتورهای سنکرون برق مورد نیاز کشور را تولید می‌کنند. از طرف تامین برق سیستم تحریک این ژنراتورها نیازمند یک طراحی جامع و کاملی می باشد که در تمام شرایط بتواند برق مورد نیاز این سیستم را و تنظیم ولتاژ مناسب تهیه کند. جریان مستقیم مورد بهره گیری در سیم‌پیچ تحریک بایستی عاری از هرگونه از هارمونیک باشد تا سیستم به بهترین شکل ممکن مورد بهره‌‌برداری قرار بگیرد. در این راستا بایستی مطالعات جامعی برای طراحی تغذیه این سیستم‌ها صورت پذیرد. این پایان‌نامه مورد بهره گیری 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 بهره گیری از مبدل‌های DC/DC کاهنده توجه ویژه‌ای نشده می باشد. همچنین بهره گیری از مبدل‌های افزاینده یا افزاینده- کاهنده که بعضی از تحقیقات مورد بهره گیری قرار گرفته شده بود، با فرض عدم بهره گیری از فیلترهای حذف هارمونیک بوده می باشد. ما در این پایان‌نامه علاوه بر بهره گیری از روش کنترل لغزشی کوشش 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 بهره گیری از SIMULINK/MATLAB کارآمد بودن این سیستم را نشان خواهیم داد.
تعداد صفحه :109
قیمت : 14700 تومان

این مطلب رو هم توصیه می کنم بخونین:   سمینار کارشناسی ارشد مهندسی برق:الگوریتم های بهینه سازی تکاملی

***

—-

دسته‌ها: مهندسی برق