چکیده

یکسوسازهای تریستوری از مهم‌ترین مبدل‌های الکترونیک قدرت هستند که در صنایع مختلف برای تبدیل انرژی الکتریکی متناوب (AC) به انرژی مستقیم (DC) مورد استفاده قرار می‌گیرند. در کاربردهای توان بالا، استفاده از یکسوسازهای معمولی شش پالسه با محدودیت‌هایی از جمله اعوجاج هارمونیکی بالا و ریپل قابل توجه ولتاژ خروجی مواجه است. به همین دلیل، ساختارهای پیشرفته‌تری مانند یکسوساز دوازده پالسه توسعه یافته‌اند که با استفاده از دو مبدل تریستوری و یک ترانسفورماتور ویژه، کیفیت توان بهتری را فراهم می‌کنند. در این مقاله ساختار یک یکسوساز تریستوری دوازده پالسه، نحوه عملکرد آن، نقش ترانسفورماتور Wye-Delta-Wye، مکانیزم کنترل زاویه آتش تریستورها و همچنین شبیه‌سازی آن در محیط Matlab/Simulink مورد بررسی قرار می‌گیرد. نتایج شبیه‌سازی نشان می‌دهد که استفاده از ساختار دوازده پالسه موجب کاهش ریپل ولتاژ خروجی و بهبود کیفیت جریان ورودی می‌شود.

مقدمه

امروزه سیستم‌های تبدیل انرژی الکتریکی نقش بسیار مهمی در صنایع مختلف ایفا می‌کنند. بسیاری از تجهیزات صنعتی، سیستم‌های محرکه الکتریکی، خطوط انتقال جریان مستقیم ولتاژ بالا (HVDC)، تجهیزات الکترولیز، شارژرهای صنعتی و منابع تغذیه توان بالا به ولتاژ DC نیاز دارند. از این رو، استفاده از یکسوسازها به عنوان تجهیزات اصلی تبدیل انرژی AC به DC اهمیت فراوانی پیدا کرده است.

در میان انواع یکسوسازها، یکسوسازهای کنترل‌شده مبتنی بر تریستور به دلیل قابلیت تنظیم ولتاژ خروجی، توانایی تحمل جریان‌های بالا و هزینه مناسب، کاربرد گسترده‌ای در صنایع دارند. با این حال، ساختارهای شش پالسه در توان‌های بالا باعث ایجاد هارمونیک‌های قابل توجه در شبکه برق می‌شوند. این هارمونیک‌ها علاوه بر کاهش کیفیت توان، می‌توانند موجب افزایش تلفات، گرم شدن تجهیزات و کاهش بازده سیستم شوند.

برای رفع این مشکلات، استفاده از یکسوسازهای دوازده پالسه به عنوان یکی از راهکارهای مؤثر مطرح شده است. این ساختار با ترکیب دو مبدل شش پالسه و ایجاد اختلاف فاز مناسب بین آن‌ها، بخش قابل توجهی از هارمونیک‌های مزاحم را حذف می‌کند و عملکرد سیستم را بهبود می‌بخشد.

ساختار یکسوساز تریستوری دوازده پالسه

در این مدل، یک یکسوساز دوازده پالسه از دو مبدل تریستوری شش پالسه تشکیل شده است. هر یک از این مبدل‌ها شامل شش تریستور هستند که به صورت پل کامل سه‌فاز آرایش یافته‌اند. این دو مبدل از طریق یک ترانسفورماتور مخصوص Wye-Delta-Wye به شبکه سه‌فاز متصل می‌شوند.

ترانسفورماتور مورد استفاده دارای دو سیم‌پیچ ثانویه مجزا است. یکی از سیم‌پیچ‌ها به صورت ستاره (Wye) و دیگری به صورت مثلث (Delta) متصل می‌شود. این ساختار باعث ایجاد اختلاف فاز 30 درجه‌ای میان ولتاژهای تغذیه‌کننده دو مبدل می‌شود. همین اختلاف فاز عامل اصلی کاهش هارمونیک‌ها و تشکیل خروجی دوازده پالسه است.

هر یک از مبدل‌های شش پالسه به صورت مستقل ولتاژ DC تولید می‌کنند. سپس خروجی آن‌ها با یکدیگر ترکیب شده و ولتاژ DC نهایی با ریپل کمتر و کیفیت بهتر حاصل می‌شود.

اصول عملکرد تریستورها

تریستورها از خانواده نیمه‌هادی‌های قدرت هستند که قابلیت کنترل جریان‌های بزرگ را دارند. برخلاف دیودهای معمولی، تریستور تنها زمانی هدایت می‌کند که علاوه بر وجود ولتاژ مناسب بین آند و کاتد، یک پالس تحریک نیز به گیت آن اعمال شود.

در یکسوسازهای کنترل‌شده، زمان ارسال پالس تحریک به تریستورها تعیین‌کننده مقدار ولتاژ خروجی است. این پارامتر با عنوان زاویه آتش یا Firing Angle شناخته می‌شود و معمولاً با نماد α نمایش داده می‌شود.

با افزایش زاویه آتش، ولتاژ متوسط خروجی کاهش می‌یابد و در نتیجه امکان کنترل توان انتقالی به بار فراهم می‌شود. این ویژگی یکی از مهم‌ترین مزایای استفاده از تریستورها در سیستم‌های صنعتی محسوب می‌شود.

نقش ترانسفورماتور Wye-Delta-Wye

یکی از مهم‌ترین اجزای یکسوساز دوازده پالسه، ترانسفورماتور ورودی است. این ترانسفورماتور علاوه بر تطبیق سطح ولتاژ، وظیفه ایجاد اختلاف فاز میان دو مجموعه ولتاژ تغذیه‌کننده مبدل‌ها را نیز بر عهده دارد.

اتصال ستاره و مثلث باعث ایجاد جابه‌جایی فاز 30 درجه‌ای می‌شود. در نتیجه، هارمونیک‌های تولید شده توسط هر مبدل در نقاط مشخصی یکدیگر را خنثی می‌کنند. این پدیده موجب کاهش قابل توجه اعوجاج هارمونیکی کل (THD) در جریان ورودی می‌شود.

کاهش هارمونیک‌ها باعث بهبود کیفیت توان، کاهش تلفات خطوط انتقال، افزایش طول عمر تجهیزات الکتریکی و کاهش نیاز به فیلترهای هارمونیکی می‌شود.

تولید پالس‌های گیت توسط بلوک Thyristor 12-Pulse Generator

در مدل شبیه‌سازی، تولید سیگنال‌های تحریک توسط بلوک Thyristor 12-Pulse Generator انجام می‌شود. این بلوک به صورت خودکار پالس‌های مورد نیاز برای هر دوازده تریستور را تولید می‌کند.

الگوریتم این بلوک به گونه‌ای طراحی شده است که پالس‌ها با توالی صحیح و اختلاف فاز مناسب به دو مبدل اعمال شوند. تنظیم زاویه آتش در این بلوک امکان کنترل مستقیم ولتاژ خروجی را فراهم می‌کند.

استفاده از این بلوک باعث ساده‌تر شدن فرآیند طراحی و افزایش دقت شبیه‌سازی می‌شود، زیرا دیگر نیازی به طراحی دستی مدارهای تولید پالس وجود ندارد.

مدلسازی در محیط Matlab/Simulink

برای شبیه‌سازی این سیستم در نرم‌افزار Matlab از محیط Simulink و کتابخانه Simscape Electrical استفاده می‌شود. مدل شامل بخش‌های زیر است:

• منبع ولتاژ سه‌فاز
• ترانسفورماتور Wye-Delta-Wye
• دو پل تریستوری شش پالسه
• بلوک Thyristor 12-Pulse Generator
• بار DC
• ابزارهای اندازه‌گیری ولتاژ و جریان
• سیستم ثبت داده Simscape Logging

در این مدل ابتدا ولتاژ سه‌فاز به ترانسفورماتور اعمال می‌شود. خروجی‌های ترانسفورماتور دو مجموعه ولتاژ با اختلاف فاز ایجاد می‌کنند. سپس این ولتاژها به دو پل تریستوری اعمال شده و پس از یکسوسازی، خروجی DC مشترک تولید می‌شود.

نتایج شبیه‌سازی

نتایج حاصل از Simscape Logging شامل بررسی ولتاژ خروجی DC و ولتاژهای فاز ورودی است. شکل نتایج نشان می‌دهد که ولتاژ DC تولید شده دارای مقدار متوسط مناسب و ریپل بسیار کمتر نسبت به یکسوسازهای شش پالسه است.

همچنین مشاهده می‌شود که ولتاژهای سه‌فاز ورودی دارای اختلاف فاز استاندارد هستند و عملکرد ترانسفورماتور در ایجاد جابه‌جایی فاز به درستی انجام شده است.

از مهم‌ترین نتایج قابل مشاهده می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

• کاهش محسوس ریپل ولتاژ خروجی
• افزایش کیفیت توان سمت ورودی
• کاهش اعوجاج هارمونیکی جریان
• بهبود بازده سیستم تبدیل انرژی
• عملکرد پایدار در بارهای توان بالا
• قابلیت کنترل دقیق ولتاژ DC از طریق زاویه آتش

مزایای استفاده از یکسوساز دوازده پالسه

استفاده از ساختار دوازده پالسه مزایای متعددی نسبت به ساختار شش پالسه دارد. مهم‌ترین مزیت آن کاهش هارمونیک‌های مرتبه پایین است که بیشترین تأثیر منفی را بر شبکه برق دارند.

• کاهش اعوجاج هارمونیکی کل (THD)
• بهبود ضریب توان سیستم
• کاهش نیاز به فیلترهای بزرگ هارمونیکی
• افزایش کیفیت ولتاژ خروجی DC
• مناسب برای کاربردهای صنعتی سنگین
• افزایش قابلیت اطمینان سیستم

کاربردهای صنعتی

یکسوسازهای دوازده پالسه در بسیاری از کاربردهای صنعتی مورد استفاده قرار می‌گیرند. برخی از مهم‌ترین کاربردها عبارت‌اند از:

• سیستم‌های انتقال HVDC
• کوره‌های قوس الکتریکی
• سیستم‌های الکترولیز
• درایوهای موتورهای DC توان بالا
• منابع تغذیه صنعتی
• صنایع فولاد و ذوب فلزات
• تجهیزات شارژ باتری‌های صنعتی

جمع‌بندی

در این مقاله ساختار و عملکرد یکسوساز تریستوری دوازده پالسه مورد بررسی قرار گرفت. این سیستم از دو مبدل شش پالسه تشکیل شده که توسط یک ترانسفورماتور Wye-Delta-Wye تغذیه می‌شوند. وجود اختلاف فاز 30 درجه‌ای میان دو مجموعه ولتاژ ورودی موجب کاهش قابل توجه هارمونیک‌ها و بهبود کیفیت توان می‌شود. همچنین استفاده از بلوک Thyristor 12-Pulse Generator فرآیند تولید پالس‌های گیت را ساده کرده و کنترل دقیق ولتاژ خروجی را امکان‌پذیر می‌سازد. نتایج شبیه‌سازی در Matlab/Simulink نشان می‌دهد که این ساختار برای کاربردهای توان بالا گزینه‌ای بسیار مناسب بوده و نسبت به یکسوسازهای شش پالسه عملکرد بهتری ارائه می‌دهد.

“`