یکسوسازهای تریستوری از مهم‌ترین مبدل‌های الکترونیک قدرت هستند که در کاربردهای صنعتی با توان بالا، نقش بسیار مهمی در تبدیل انرژی الکتریکی ایفا می‌کنند. در بسیاری از صنایع مانند سیستم‌های انتقال جریان مستقیم (HVDC)، درایوهای موتورهای DC، صنایع فولاد، تجهیزات الکترولیز و منابع تغذیه توان بالا، استفاده از یکسوسازهای چندپالسه به دلیل کیفیت بهتر ولتاژ خروجی و کاهش هارمونیک‌ها بسیار رایج است. در این شبیه سازی، نحوه کنترل یک یکسوساز تریستوری دوازده پالسه بررسی شده و عملکرد آن در محیط Matlab و Simulink مورد تحلیل قرار می‌گیرد.

معرفی یکسوساز دوازده پالسه

یکسوساز دوازده پالسه در واقع از ترکیب دو یکسوساز شش پالسه تشکیل می‌شود که به صورت همزمان کار می‌کنند. هدف از این ساختار، کاهش ریپل ولتاژ خروجی، کاهش اعوجاج هارمونیکی جریان ورودی و افزایش کیفیت توان سیستم است. هر یک از این یکسوسازها شامل مجموعه‌ای از تریستورها بوده که با کنترل زاویه آتش، مقدار ولتاژ خروجی قابل تنظیم خواهد بود.

در این ساختار، دو مبدل تریستوری به ورودی یک ترانسفورماتور با اتصال ستاره-دلتا-ستاره متصل می‌شوند. اختلاف فاز ایجاد شده توسط سیم‌پیچی‌های ترانسفورماتور باعث می‌شود هارمونیک‌های تولید شده توسط هر یک از مبدل‌ها تا حد زیادی یکدیگر را خنثی کنند. نتیجه این فرآیند، تولید ولتاژ DC با کیفیت بالاتر نسبت به یکسوسازهای شش پالسه است.

ساختار مدل شبیه سازی

در این شبیه سازی از دو مبدل تریستوری استفاده شده است که هر دو به ورودی ترانسفورماتور سه‌فاز متصل هستند. ترانسفورماتور مورد استفاده دارای اتصال ستاره-دلتا-ستاره بوده و وظیفه ایجاد اختلاف فاز مناسب میان دو مبدل را بر عهده دارد. این اختلاف فاز موجب می‌شود خروجی نهایی دارای دوازده پالس در هر سیکل باشد که نسبت به ساختار شش پالسه دارای کیفیت بسیار بهتری است.

برای تولید سیگنال‌های گیت تریستورها از بلوک Thyristor 12-Pulse Generator استفاده می‌شود. این بلوک وظیفه تولید دقیق پالس‌های تحریک را بر اساس زاویه آتش تعیین‌شده بر عهده دارد و به صورت همزمان هر دو مبدل را کنترل می‌کند. هماهنگی مناسب میان این پالس‌ها نقش بسیار مهمی در عملکرد صحیح سیستم دارد.

ترانسفورماتور ستاره-دلتا-ستاره

یکی از مهم‌ترین اجزای این سیستم، ترانسفورماتور ورودی است. استفاده از اتصال ستاره-دلتا-ستاره باعث ایجاد اختلاف فاز 30 درجه میان ولتاژهای تغذیه دو یکسوساز می‌شود. این اختلاف فاز موجب کاهش چشمگیر هارمونیک‌های مرتبه پایین شده و کیفیت جریان کشیده شده از شبکه را بهبود می‌بخشد.

همچنین این نوع اتصال موجب افزایش راندمان سیستم، کاهش اعوجاج جریان، کاهش تلفات و بهبود عملکرد تجهیزات متصل به شبکه می‌شود. به همین دلیل در سیستم‌های صنعتی با توان بالا معمولاً از چنین آرایشی استفاده می‌شود.

کنترل زاویه آتش تریستورها

تریستورها برخلاف دیودها قابلیت کنترل زمان هدایت را دارند. با تغییر زاویه آتش می‌توان مقدار متوسط ولتاژ خروجی را کنترل کرد. هرچه زاویه آتش افزایش پیدا کند، مقدار ولتاژ متوسط خروجی کاهش یافته و در نتیجه توان انتقالی نیز کاهش می‌یابد.

بلوک تولیدکننده پالس دوازده پالسه وظیفه دارد سیگنال‌های مناسب را با ترتیب صحیح و اختلاف زمانی دقیق برای هر دوازده تریستور تولید کند. کوچک‌ترین خطا در زمان‌بندی این پالس‌ها می‌تواند باعث کاهش کیفیت ولتاژ خروجی یا ایجاد ناپایداری در عملکرد سیستم شود.

نتایج شبیه سازی

پس از اجرای مدل در محیط Simulink، نتایج از طریق بخش Simscape Logging قابل مشاهده هستند. در این بخش می‌توان شکل موج ولتاژ خروجی DC و همچنین ولتاژهای سه‌فاز ورودی را مورد بررسی قرار داد.

ولتاژ خروجی DC حاصل از این ساختار نسبت به یکسوسازهای شش پالسه دارای ریپل بسیار کمتری است. این ویژگی باعث می‌شود بارهای حساس عملکرد مناسب‌تری داشته باشند و نیاز به استفاده از فیلترهای بزرگ نیز کاهش یابد.

همچنین شکل موج ولتاژهای ورودی نشان می‌دهد که سیستم با هماهنگی مناسب میان دو مبدل کار کرده و اختلاف فاز ایجاد شده توسط ترانسفورماتور به خوبی موجب تشکیل ساختار دوازده پالسه شده است.

مزایای استفاده از یکسوساز دوازده پالسه

استفاده از ساختار دوازده پالسه مزایای متعددی نسبت به یکسوسازهای معمولی دارد. مهم‌ترین مزیت آن کاهش قابل توجه اعوجاج هارمونیکی است. این موضوع علاوه بر بهبود کیفیت توان، باعث کاهش گرم شدن تجهیزات، کاهش تلفات و افزایش طول عمر تجهیزات الکتریکی می‌شود.

از دیگر مزایای این ساختار می‌توان به کاهش ریپل ولتاژ DC، افزایش کیفیت ولتاژ خروجی، کاهش نیاز به فیلترهای بزرگ، افزایش راندمان سیستم، کاهش تداخلات الکترومغناطیسی و عملکرد پایدارتر در توان‌های بالا اشاره کرد.

کاربردهای صنعتی

یکسوسازهای دوازده پالسه در بسیاری از صنایع سنگین مورد استفاده قرار می‌گیرند. سیستم‌های انتقال توان جریان مستقیم، درایوهای موتورهای توان بالا، صنایع ذوب فلزات، تجهیزات الکترولیز، منابع تغذیه صنعتی، سیستم‌های شارژ باتری با توان بالا و تجهیزات آزمایشگاهی از جمله مهم‌ترین کاربردهای این نوع مبدل محسوب می‌شوند.

در این کاربردها کیفیت توان اهمیت بسیار زیادی دارد و استفاده از ساختارهای چندپالسه باعث می‌شود استانداردهای هارمونیکی شبکه به راحتی رعایت شوند.

اهمیت شبیه سازی در Matlab

محیط Matlab و Simulink ابزار بسیار قدرتمندی برای طراحی، تحلیل و ارزیابی سیستم‌های الکترونیک قدرت محسوب می‌شود. در این شبیه سازی تمامی اجزای سیستم شامل ترانسفورماتور، تریستورها، تولیدکننده پالس و بار به صورت دقیق مدل‌سازی شده‌اند و امکان بررسی رفتار سیستم در شرایط مختلف فراهم شده است.

کاربر می‌تواند پارامترهایی مانند زاویه آتش، مشخصات ترانسفورماتور، نوع بار، پارامترهای شبکه و شرایط عملکرد را تغییر داده و تأثیر آن‌ها را بر ولتاژ خروجی، جریان‌ها، هارمونیک‌ها و کیفیت توان مشاهده کند. این قابلیت باعث می‌شود قبل از پیاده‌سازی عملی، عملکرد سیستم به طور کامل مورد ارزیابی قرار گیرد.

جمع‌بندی

در این شبیه سازی عملکرد یک یکسوساز تریستوری دوازده پالسه مورد بررسی قرار گرفت. سیستم شامل دو مبدل تریستوری متصل به یک ترانسفورماتور با اتصال ستاره-دلتا-ستاره است که توسط بلوک تولیدکننده پالس دوازده پالسه کنترل می‌شوند. نتایج حاصل از Simscape Logging شامل ولتاژ خروجی DC و ولتاژهای ورودی سه‌فاز بوده و نشان می‌دهد استفاده از ساختار دوازده پالسه موجب کاهش ریپل ولتاژ، کاهش هارمونیک‌ها، بهبود کیفیت توان و افزایش راندمان سیستم می‌شود. به همین دلیل این ساختار یکی از رایج‌ترین گزینه‌ها برای کاربردهای صنعتی با توان بالا محسوب شده و شبیه سازی آن در Matlab امکان بررسی دقیق رفتار سیستم و بهینه‌سازی پارامترهای کنترلی را فراهم می‌کند.