پایان نامه بررسی اينورتر های مبدل AC به DC

چکیده

امروزه کنترل موتورهای القایی به دلیل مزایای زیاد این موتورها نسبت به موتورهای جریان مستقیم روز به روز از اهمیت بیشتری برخوردار می گردد.
در این پایان نامه روشهای مختلف کنترل دور و گشتاور موتورهای القایی و کاربردهای آن مورد بررسی قرار گرفته است.
در فصل اول مدارهای موردنیاز برای کنترل موتورهای القایی شامل مدارهای فرکانس متغیر که خود شامل اینورتورهای منبع ولتاژ، اینورتورهای منبع جریان می باشند معرفی و بررسی شده اند.
در فصل دوم روش های مختلف کنترل موتورهای القایی مورد بحث قرار گرفته است. در ابتدا اصول کنترل دور و سپس روشهای مختلف کنترل v/f ثابت کنترل لغزش و کنترلهای برداری مورد بحث قرار گرفته است.
در فصل سوم به روشهای مکانیکی و الکتریکی کنترل دبی در پمپها پرداخته ایم و با مقایسه هر دو روش الکتریکی و مکانیکی به این نتیجه می رسیم که استفاده از روش الکتریکی مناسبتر است.
در فصل چهارم به کاربردهای AC درایوها در پمپ های آبیاری و آبرسانی . انواع روشهای مختلف بکارگیری کنترل دور برای پمپ مورد بررسی قرار گرفته است.
در فصل پنجم صرفه جویی انرژی در موتورهای القایی از طریق استفاده از کنترل دور و انواع روشهای افزایشی راندمان، گشتاور و ضریب قدرت مورد بررسی قرار گرفته است.
اینورتر
همانطور که می دانیم وظیفه اینوتر تبدیل dc به ac می باشد که این کار هم در فرکانس ثابت و هم در فرکانس متغیر صورت می گیرد . ولتاژ خروجی می تواند در یک فرکانس متغیر یا ثابت دارای دامنه متغیر یا ثابت باشد که ولتاژ خروجی متغیر می تواند با تغییر ولتاژ ورودی dc و ثابت نگهداشتن ضریب تقویت اینوتر بدست آید . از سوی دیگر اگر ولتاژ ورودی dc ثابت و غیرقابل کنترل باشد
می توان برای داشتن یک ولتاژ خروجی متغیر از تغییر ضریب تقویت اینوتر که معمولاً با کنترل مدولاسیون عرض پالس ( PWM ) در اینورتر انجام می شود استفاده کرد. ضریب تقویت اینوتر عبارت است از نسبت دامنه ولتاژ ac خروجی به dc ورودی .
اینوترها به دو دسته تقسیم می شوند : ۱) اینوترهای تک فاز و ۲) اینورترهای سه فاز . که خود آنها نیز بسته به نوع کموتاسیون تریستورها به چهار قسمت تقسیم می شوند . الف. اینوتر با مدولاسیون عرض پالس ( PWM ) ، ب. اینوتر با مدار تشدید ، پ. اینوتر با کموتاسیون کمکی ، ت. اینوتر با کموتاسیون تکمیلی . که اگر ولتاژ ورودی اینوتر ، ثابت باشد ، اینوتر با تغذیه ولتاژ ( VSI ) و اگر ورودی ثابت باشد ، آن را اینوتر با تغذیه جریان ( CSI ) می نامند .
از بین اینورترهای تکفاز دو نوع معروف به نام اینوتر تکفاز با سر وسط و اینوتر پل تکفاز می باشد که در اینجا به اختصار نوع پل تکفاز آن را بررسی کرده و سپس راجع به اینوترهای سه فاز توضیح خواهیم داد .
۱-۱ ) اینوترپل تکفاز
در این نوع اینوتر همانطور که در شکل ۱ نشان داده شده است با آتش شدن تریستور مکمل T4 تریستور T1 خاموش می گردد . اگر بار سلفی باشد جریان بار بلافاصله معکوس نمی شود و لذا وقتی کموتاسیون کامل شد تریستور T4 خاموش می شود و جریان بار به دیود D4 منتقل می شود . فرمان کموتاسیون نسبت به زمان فرکانس بار اینوتر خیلی کوتاه می باشد . در اینجا ما کموتاسیون را ایده آل فرض می کنیم .

مقدمه

بحت انرژي از دو ديدگاه اقتصادي و زيست محيطي حائز اهميت است . بهينه سازي مصرف انرژي به اين معني است كه بتوان با استفاده از تجهيزات و يا مديريت بهتر همان كار را ولي با مصرف انرژي كمتر انجام بدهيم .

صرفه جوئي انرژي مي تواند با استفاده از تجهيزات بهتر نظير : عايق بندي مطلوب ، افزايش راندمان سيسمتهاي حرارتي، و بازيابي تلفات حرارتي بدست آيد از طرف ديگر اعمال مديريت انرژي، بمنظور درك سيستمهاي موجود و طريقه استفاده از آنها، ميتواند در كاهش مصرف انرژي نقش مهمي داشته باشد. در سياست گذاري انرژي بايد سازمانها رويكرد سيستمي داشته باشند. براي مثال در بهينه سازي مصرف انرژي الكتريكي هدف تنها كاهش هزينه هاي انرژي يك يا چند الكتروموتور مشخص نيست، بلكه بايد آثار اقدامات مورد نظر روي ساير سيستمها نيز بدقت مورد توجه قرار گيرد. در یک بنگاه اقتصادی صرفه جوئی انرژی میتواند موجب برتری رقابتی بنگاه گردد.

در اغلب بخشهاي صنعتي انرژي الكتريكي مهمترين منبع انرژي صنعت بشمار مي رود . از آنجا كه موتورهاي الكتريكي، مصرف كننده اصلي انرژي الكتريكي در كارخانجات

صنعتي ميباشند. لذا بهينه سازي مصرف انرژي در موتورهاي الكتريكي كه موضوع مقاله است از اهميت ويژه اي برخوردار خواهد بود . براي درك اهميت بهينه سازي مصرف انرژي به اين مورد اشاره مي كنيم كه اگر راندمان موتورهاي الكتريكي القائي موجود در اروپا تنها به ميزان ۱% افزايش يابد، هزينه مصرف انرژي الكتريكي به ميزان ۶/۱ ميليارد دلار در سال كاهش خواهد يافت .

آمار منتشر شده از سوي وزارت نيرو نشان مي دهد در سال ۱۳۷۳ ، ۵/۳۸% از كل انرژي الكتريكي مصرف شده در ايران توسط موتورهاي الكتريكي بوده است[F1]. البته اين ميزان در كشورهاي صنعتي تا ۶۵% مي رسد و شاخص خوبي براي نشان دادن سطح صنعتي شدن يك كشور مي باشد[۱۰] . اهداف بهينه سازي مصرف انرژي را میتوان بصورت زیر بیان نمود:

استفاده منطقي از انرژي
حفظ منابع انرژي
اصلاح ميزان مصرف انرژي در بخشهاي مصرف كننده انرژي
كاهش گازهاي گلخانه اي و آلودگي هوا
اصلاح وضعيت موجود
کسب برتری رقابتی در بنگاههای اقتصادی

مي توان اقدامات مختلفي براي صرفه جوئي انرژي الكتريكي در الكتروموتورهاي صنعتي بعمل آورد. در حالت كلي اين اقدامات به دو دسته تقسيم ميشود:

۱- اقدامات مربوط به طراحي موتور

۲- اقدامات مربوط به بهره برداري از موتورها

اقدامات مربوط به بهره برداري از موتورها را نيز ميتوان به دو دسته تقسيم نمود:

۱- اقدامات روي موتور، نظير تهويه، روغنكاري، و بارگذاري

۲- استفاده از درايو یا کنترل کننده دور موتور

در اين مقاله نخست روشهاي بهينه سازي مصرف انرژي در موتورهاي الكتريكي را مورد بحث قرار مي دهيم سپس كاربرد درايوها در كنترل موتورهاي الكتريكي و تاثيري كه آنها مي تواند در صرفه جوئي مصرف انرژي بگذارند مورد بررسي قرار خواهد گرفت .

اینورتر

همانطور که می دانیم وظیفه اینوتر تبدیل dc به ac می باشد که این کار هم در فرکانس ثابت و هم در فرکانس متغیر صورت می گیرد . ولتاژ خروجی می تواند در یک فرکانس متغیر یا ثابت دارای دامنه متغیر یا ثابت باشد که ولتاژ خروجی متغیر می تواند با تغییر ولتاژ ورودی dc و ثابت نگهداشتن ضریب تقویت اینوتر بدست آید . از سوی دیگر اگر ولتاژ ورودی dc ثابت و غیرقابل کنترل باشد
می توان برای داشتن یک ولتاژ خروجی متغیر از تغییر ضریب تقویت اینوتر که معمولاً با کنترل مدولاسیون عرض پالس ( PWM ) در اینورتر انجام می شود استفاده کرد. ضریب تقویت اینوتر عبارت است از نسبت دامنه ولتاژ ac خروجی به dc ورودی .

اینوترها به دو دسته تقسیم می شوند : ۱) اینوترهای تک فاز و ۲) اینورترهای سه فاز . که خود آنها نیز بسته به نوع کموتاسیون تریستورها به چهار قسمت تقسیم می شوند . الف. اینوتر با مدولاسیون عرض پالس ( PWM ) ، ب. اینوتر با مدار تشدید ، پ. اینوتر با کموتاسیون کمکی ، ت. اینوتر با کموتاسیون تکمیلی . که اگر ولتاژ ورودی اینوتر ، ثابت باشد ، اینوتر با تغذیه ولتاژ ( VSI ) و اگر ورودی ثابت باشد ، آن را اینوتر با تغذیه جریان ( CSI ) می نامند .

از بین اینورترهای تکفاز دو نوع معروف به نام اینوتر تکفاز با سر وسط و اینوتر پل تکفاز می باشد که در اینجا به اختصار نوع پل تکفاز آن را بررسی کرده و سپس راجع به اینوترهای سه فاز توضیح خواهیم داد .

فهرست مطالب

فصل اول-مدارهای موردنیاز برای کنترل موتور القایی
اینورتر     ۱
۱-۱- اینورتر پل تکفاز     ۲
۱-۲- اینورتر تکفاز PWM     ۵
۲- اینورترهای سه فاز     ۶
۳- اینورتر با تشدید سری     ۱۴
۴- اینورترهای منبع جریان     ۱۵
۴-۱- اینورتر منبع جریان سه فاز     ۱۷
۵- منابع جریان     ۲۵
۵-۱- مدولاسیون پهنای پالس در یک اینورتر منبع جریان تریستوری     ۲۷
۶- مقایسه محرکه های اینوتر منبع جریان و ولتاژ     ۳۰
فصل دوم – کنترل موتور القایی
مقدمه     ۳۳
۱- اصول کنترل سرعت موتورهای القایی     ۳۳
۲- کنترل لغزش     ۳۴
۳- روشهای کنترلی موتورهای القایی، کنترل کننده اسکالر     ۳۶
۴- کنترل کننده اسکالر درایوهای موتور القایی با اینورتر VSI     ۳۷
۴-۱- کنترل کننده سرعت، مدار باز     ۳۸
۴-۲- کنترل کننده سرعت مداربسته با محدود کننده جریان     ۴۰
۵- کنترل کننده سرعت مدار باز ، در شیراط کنترل V/F     ۴۲
۶- کنترل برداری     ۴۴
۶-۱- انواع روشهای کنترل برداری     ۴۵
۶-۲- کنترل برداری مستقیم با جهت یابی شار فاصه هوایی و اینورتر PWM با جریان کنترل کننده     ۴۵
۶-۳- کنترل کننده برداری مستقیم با جهت یابی شار استاتور     ۵۰
۶-۴- کنترل برداری غیر مستقیم با جهتیابی شار رتور و اینوتر PWM با جریان کنترل شده     ۵۱
۶-۵- کنترل برداری با اینورترها PWM و در شرایط کنترل ولتاژ     ۵۵
۶-۶- کنترل برداری با استفاده از اینورتر CSI     ۵۸
فصل سوم – روشهای الکتریکی و مکانیکی کنترل دبی در پمپها
چکیده     ۶۱
۱- مقدمه     ۶۲
۲- استخراج رابطه میان گشتاور، سرعت و دبی یک پمپ     ۶۴
۳- ارزیابی به کارگیری شیر فلکه به عنوان روش معمول کنترل دبی پمپ     ۶۷
۴- ارزیابی روش کنترل دور موتور القایی به منظور کنترل دبی سیال     ۶۹
۵- مقایسه نتایج حاصل از روشهای مختلف کنترل دبی سیال     ۷۵
۶- ارزیابی اقتصادی به کارگیری ASD     ۷۹
نتایج     ۸۰
فصل چهارم – کاربرد AC درایوها در پمپ های آبیاری و آبرسانی
مقدمه     ۸۲
۱- مشخصه های سیستم پمپ و بار و طبقه بندی پمپ ها     ۸۵
۲- مشخصه پمپ های روتو دینامیک     ۸۶
۳- تاثیر سرعت متغیر پمپ روی منحنی عملکرد آن     ۸۷
۴- پرفورمنس مکش پمپ (NPSH)     ۹۰
۵- نیازهای عملیاتی پمپ ها     ۹۱
۶- راندمان پمپ     ۹۳
۷- پمپ های موازی     ۹۵
۸- کنترل on/off پمپ های موازی     ۹۷
۹-۱- کنترل فلو با روش شیر کنترل     ۹۸
۹-۲- کنترل فلو با روش شیر BYPASS
۹-۳- کنترل فلو توسط درایوهای دور متغیر     ۱۰۰
۱۰- آبیاری در مزارع (Irrigation)     ۱۰۳
۱۱- روشهای مختلف استفاده از درایو برای کنترل پمپ     ۱۰۴
۱۱-۱- روش مالتی مستر Multi Master     ۱۰۴
۱۱-۲- روش Multi Follower     ۱۰۷
۱۱-۳- تشریح عملکرد کنترل در روش Advance level Control     ۱۱۰
فصل پنجم
مقدمه     ۱۱۳
۱- مصرف انرژی در موتورهای الکتریکی     ۱۱۵
۲- موانع در سیاستگذاری انرژی     ۱۱۷
۳- انتخاب موتور مناسب     ۱۱۸
۳-۱- تطابق موتور و بار     ۱۱۸
۳-۲- موتورهای با راندمان بالا     ۱۲۱
۴- اقدامات مورد نیاز برای بهبود عملکرد سیستمهای مرتبط با الکتروموتورها     ۱۲۳
۴-۱- کیفیت توان Power Quality     ۱۲۳
۴-۲- تثبیت ولتاژ شبکه     ۱۲۳
۴-۳- عدم تقارن فاز     ۱۲۵
۴-۴- ضریب قدرت     ۱۲۶
۵- روشهای عملمی برای افزایش بازدهی موتور     ۱۲۶
۶- دستورالعملهای لازم برای بهبود عملکرد موتورهای الکتریکی     ۱۳۱
۷- دسته بندی اقدامات لازم برای بهینه سازی مصرف انرژی     ۱۳۳
۸- تکنولوژی الکترونیک قدرت و درایوهای AC     ۱۳۳
۹- کنترل کننده دور موتور     ۱۳۶
۱۰- مزایای استفاده از کنترل کننده های دور موتور     ۱۴۰
۱۱- مدیریت بهینه سازی مصرف انرژی و نقش کنترل کننده های دور موتور     ۱۴۲
۱۲- پمپها و فنها     ۱۴۵
۱۳- قوانین افینیتی در کاربردهای پمپ و فن     ۱۴۷
۱۴- محاسبات صرفه جویی انرژی در فن     ۱۵۴
۱۵- یک مطالعه موردی در ایران     ۱۵۵
۱۶- سیستمهای تهویه مطبوع     ۱۵۹
۱۷- ماشین تزریق پلاستیک     ۱۵۹
۱۸- صرفه جویی انرژی در تاسیسات آب و فاضلاب     ۱۶۱
۱۹- کمپرسورها     ۱۶۱
۲۰- نیروگاه ها     ۱۶۲
۲۱- سیمان     ۱۶۳
۲۲- قابلیتهای کنترل کننده دور موتور مدرن     ۱۶۵
۲۲-۱- نرم افزار کاربردی کنترل پمپ و فن     ۱۶۸
۲۲-۲- نرم افزار کاربردی کنترل سطح پیشرفته     ۱۶۸
۲۲-۳- نرم افزار کنترلی Master Follower     ۱۶۸
۲۳- درایوهای دور متغیر VACON مصداقی از درایوهای مدرن     ۱۶۸
۲۴- مسائلی که درایوهای دور متغیر به وجود می آورند     ۱۶۹
منابع     ۱۷۵