شبیه سازی کاهش THD و جریان نشتی +کد ها +فیلم

ابتدا میتوانید یک ویدیو از این مطلب ببینید.

برای اینکه بتوانیم THD را کاهش دهیم، ابتدا باید بتوانیم THD را اندازه‌گیری کنیم. خب مطابق با مقاله، آن جور که من مقاله را مطالعه کرده‌ام، در واقعیت این هست که باید بتوانیم THD ولتاژ خروجی را مطالعه کنیم و آن را تا حدی با روش‌هایی کم کنیم. ولتاژ خروجی ما در این اسکوپ نمایان هست:

همین‌جور که می‌بینید به‌صورت کاملاً غیرسینوسی است و این سیگنال قرمز که در اسکوپمان وارد شده برای ولتاژ رفرنس ماست:

برای اینکه یک THD را اندازه‌گیری کنیم احتیاج هست که اولاً تنظیمات اسکوپ‌هایمان را انجام دهیم. گزینه‌ی تنظیمات:

تنظیماتی که برای اسکوپ انجام می‌دهم مهم‌ترین قسمتش قسمت Logging آن است که آن را Log data می‌کنیم برای workspace:

Variable name آن را به‌صورت پیش‌فرض، خودش با نام ScopeData1 گذاشته و ما این را تغییر نمی‌دهیم و فقط تیک Log data to workspace را می‌زنیم و Apply را کلیک می‌کنیم.

یکی از کارهای دیگری که می‌توانیم برای زیبایی بیشتر اسکوپمان انجام دهیم این است که استایل را هم تغییر دهیم تا نمایش دقیق‌تری داشته باشیم:

Figure color را برابر با رنگ سفید قرار می‌دهیم. این رنگ زمینه‌ی اصلی کار می‌شود و خطوط و اعداد را مشکلی می‌کنیم؛ این قسمت را هم برابر سفید می‌گذاریم:

و حالا می‌توانیم رنگ زرد را روی پس‌زمینه‌ی سفید آبی کنیم تا بتوانیم مطالعاتمان را دقیق انجام بدهیم:

همین‌جور که در شکل می‌بینید الآن مشخص هست که سیستم ما سینوسی نیست:

و حالا باید میزان دقیق THD را اندازه‌گیری کنیم.

بعد از انجام این کار لازم هست که یک بار دیگر با سیستم جدیمان Run را انجام دهیم:

باید صبر کنیم تا زمان شبیه‌سازی ما طی شود و بعد از آن می‌توانیم میزان THD را در 40میلی‌ثانیه یا 0.04ثانیه اندازه‌گیری کنیم:

تا زمان شبیه‌سازی طی می‌شود این را باید بگویم که در روش‌های اندازه‌گیری جریان و جریان نشتی یکی از راحت‌ترین و متداول‌ترین کارهایی که می‌شود انجام داد این است که جریان خروجی بار را:

با جریان ورودی‌ای که ما در سیستممان داریم که اینجا هست:

و به عنوان جریان ورودی ما هست، اندازه‌گیری می‌کنیم و بعد از آن این دو تا را:

می‌توانیم توان‌هایش را، توان‌ّهای ورودی و توان‌های خروجی‌مان را از همدیگر کم کنیم:

سپس تقسیم بر ولتاژ ورودی و ولتاژ خروجی کنیم:

و جریان خالص ورودی و جریان خالص خروجی را به دست بیاوریم و از آنجا میزان جریان اتلافی یا جریان نشتی‌مان را می‌توانیم به دست بیاوریم.

خب از قسمت Continuous برای اندازه‌گیری THD ابتداءً باید بیاییم توی Power_gui و می‌آییم توی قسمت Tools:

یک سری ابزارهایی دارد که همه‌ی این ابزارها به درد ما نمی‌خورد. آن چیزی که الآن می‌خواهیم استفاده کنیم FFT Analysis است که با استفاده از سری فوریه orderهای مختلف جریان‌ها را برای ما اندازه‌گیری می‌کند و ما با استفاده از orderهای مختلف جریان، آن Orderای که موردنیازمان است را اندازه‌گیری می‌کنیم، که اینجا 50 هرتز است. حالا اگر من FFT Analysis را بزنم می‌بینید که سیگنالی که آنجا از روی ScopeData1 مشخص کردیم:

چون یک اسکوپ را بیشتر فعال نکرده‌ایم همین اسکوپ‌مان فقط می‌آید:

و اگر اسکوپ‌های دیگر را فعال کنیم اینجا اسامی‌شان می‌آید.

چون یک input بیشتر ندارد، input1 هست:

و می‌بینید که دقیقاً همان شکل توی اسکوپ اینجا هم نمایش داده می‌شود:

اینجا این قسمتی که قرمز شده سیکلی هست که Fundamental برای 60هرتز قرار داده شده است:

حالا اگر ما Fundamental را بر روی 50 هرتز بگذاریم و Display را بزنیم می‌بینید که تا این قسمت می‌آید:

و نشان‌دهنده‌ی این است که base این سیستم همان 60هرتز بوده که تا این قسمت نمایش داده می‌شود:

تعداد سیکل‌ها را برابر 1 گذاشته که ما آن را برابر 2 می‌گذاریم و می‌بینید که تا این قسمت را دارد می‌سنجد:

برای اینکه هر چقدر تعداد سیکل‌های ما بیشتر باشد THD ما به واقعیت نزدیک‌تر است و میزان واقعی THD را می‌بینید که 41.32درصد هست.

ما ماکسیمم فرکانس را برای 1000هرتز به‌صورت پیش‌فرض قرار می‌دهیم. البته می‌توانیم روی 500هرتز هم بگذاریم و عدد THD عدد متفاوتی خواهد شد ولی حدوداً همان مقدار هست:

و هر چقدر که این عدد بزرگ‌تر باشد میزان دقت کار ما افزایش پیدا می‌کند:

می‌بینید که می‌توانید برای خروجی گرفتن، خروجی را به صورت بار(bar) ببینید:

یا اینکه بیایید و به‌صورت لیست این را ببینید:

حالا در لیست هم نمایش داده شده است که صفر هرتز یا DC شما 17درصد از کل را تشکیل می‌دهد:

حالا می‌توانید به صورت عددی هم آن را ببینید:

که به چه شکلی است و میزان ولتاژ و جریان خروجی‌تان دقیقاً اندازه‌گیری کنید و THD آن را به صورت کاملاً حرفه‌ای و دقیق. همچنین تمام orderها را می‌بینید که هارمونیک 23، هارمونیک 24، تا هر عدد هارمونیکی که دوست دارید را می‌توانید اینجا به صورت لیستی و با اعداد دقیقش:

و همچنین فازهای توانی مثبت و منفی آن را ببینید.

خب ما بعد از اینکه این‌ را دیدیم نیاز هست که بیاییم و سیستم را تغییر دهیم.

این سیستم قبلی‌مان بود که سیستم old ما هست:

نیاز هست که سیستم را با یک سری متدهایی تغییر بدهیم تا THDمان را بهبود دهیم.

یعنی باید این 41درصد را بهبود بدهیم که در یک فایل دیگر آن را برای شما آماده کرده‌ام:

در این سیستم جدیدی که پیاده‌سازی کرده‌ایم:

تفاوت نسبت به سیستم قدیمی این هست که ابتدا سیستممان را به دوتا subsystem تغییر داده‌ایم:

برای اینکه بتوانیم راحت‌تر تعقیب کنیم و سیستم جدید را شناسایی کنیم. همچنین یک‌سری تغییرات بنیادینی را در سیستم داده‌ایم. مثلاً:

این خروجی‌های Vn را که در آن مدل اصلی و قدیمی بر روی local بود، این‌ها را Global کردیم:

که این‌ها دقت اندازه‌گیری‌های ما را زیاد می‌کند و همچنین تغییری را بر روی سیستم فازی دادیم که بتوانیم THD را کاهش دهیم.

می‌بینید که بعد از اینکه اندازه‌گیری‌ّهایتان را انجام بدهید با یک اندازه‌گیری دقیق FFT:

بعد از اینکه Display را بزنید اینجا می‌بینید که THD شما برابر 32.90درصد شده است. که 10درصد میزان THD شما را کم کرده و میزان ولتاژ Fundamental شما را 314هرتز افزایش داده است و این نشان‌دهنده‌ی آن است که در میزان THDای که اینجا اندازه‌گیری کرده‌ایم موفق بوده‌ایم و توانسته‌ایم میزان THDمان را تا حد مطلوبی کاهش بدهیم.

جریان خروجی‌مان هم در این سیستم افزایش داشته است:

یعنی جریان را هم اگر اندازه‌گیری کنیم در هر دوتا می‌بینیم که جریان خروجی افزایش چشمگیری را داشته است، چون بار ما یک بار اُهمیک هست و میزان ولتاژ با میزان جریان رابطه‌ی خطی دارد:

این افزایش چشمگیر به این معنی است که ما چون ولتاژهای ورودی‌مان دقیقاً همان ولتاژ DCای هست که تغییر ندادیم و در تمام سطوح همین VDCای بوده که در اول هست:

به همین جهت هیچ تغییر خاصی را در این سیستم نداده‌ایم که این نشان‌دهنده‌ی این هست که ما جریان خروجی‌مان وقتی افزایش پیدا می‌کند و جریان ورودی‌مان ثابت است، اتلاف جریان و جریان‌های نشتی ما تا حد بسیار زیادی کاهش پیدا کرده و این نشان از درستی این شبیه‌سازی به ما می‌دهد.

بررسی و تحلیل مدار

از این رو، همه‌ي جریان‌های مغناطیس‌زدایی مشمول نیستند و تنها مجموع جریان‌های تحریکی در جریان dc-link نمونه مشمول شدند.

شکل 1 روش نمونه‌گیری جریان dc-link

توابع سوییچ مبدل به صورت زیر تعریف شده است:

جریان dc-link به صورت عبارت‌هایی از جریان‌های فازی و توابع سوییچ به صورت زیر بیان شده است:

رابطه‌ی بین جریان dc-link و حالت‌های تغییروضعیت مبدل در دنباله‌ي تحریک فاز در جدول 1 ارائه شده است. وقتی که جریان A فاز در جریان dc-link در نظر گرفته شده، حداکثر 3 تغییر وضعیت وجود دارد

جدول 1 رابطه‌ی بین جریان dc-link و تغییر وضعیت‌ها

اگر جریان‌های فاز در مناطق تحریک همپوشانی شوند، جریان dc-link ظاهرا جریان فازی در منطقه‌ي فعال فاز است، و همه‌ی جریان‌های فازی می‌توانند مستقیما با ضرب جریان dc-link و سیگنال‌های محرک بدون تزریق پالس با فرکانس بالا، به دست آيند.

اگر دو جریان فازی در مناطق تحریک همپوشانی شوند، یکی بازسازی جریان فاز‌ A را به طور مثال بر می‌دارد. همانطور که در معادله‌ی 3 نشان داده شده است، جریان dc-link در ناحیه‌ی I برابر مجموع جریان‌های فاز‌ A و D است. در این نقطه، اگر سوییچ-پایین فاز D خاموش باشد، جریان dc-link تنها برابر جریان فاز A خواهد بود؛ اگر سوییچ-پایین فاز A خاموش باشد، جریان dc-link برابر جریان فاز D خواهد بود. با این حال، تنها جریان فاز A در جریان dc-link در ناحیه‌ي II مشمول شده است. در ناحیه‌ي III، جریان dc-link برابر مجموع جریان‌های فاز A و B است. در نتیجه، اگر سوییچ-پایین فاز B خاموش باشد، جریان dc-link تنها برابر جریان فاز A است؛ و اگر سوییچ-پایین فاز A خاموش باشد، جریان dc-link تنها برابر جریان فاز B است.

بنابراین جریان d-link در ناحیه‌ي همپوشانی را می‌توان به صورت زیر بسط داد:

به منظور بازسازی جریان فاز A، پالس فرکانس بالا، PWM_1، با یک سیکل وظیفه‌ی گسترده به سوییچ-پایین فاز‌های B و D در ناحیه‌ي همپوشانی I و III تزریق شده است و یک کانال مبدل A/D، A/D_1، راه اندازی شد تا جریان DC-LINK را در مکث میانی PWM_1 نمونه گیری کند، که می‌تواند جریان فاز A را در نواحی I و III بازسازی نماید.

از انجا که جریان DC-LINK در ناحیه‌ي II برابر جریان فاز A است، جریان نمونه‌گرفته شده در ناحیه‌ي برابر جریان فاز A بازسازی‌شده در ناحیه‌ي روشن (فعال) است.

به طور مشابه، به منظور بازسازی جریان فاز D در ناحیه‌ی I و جریان فاز B در ناحیه‌ي III، یک پالس اضافی فرکانس بالا، PWM_2 با سیکل وظیفه‌ی مشابه و چند فاز-شیفت از PWM_2 نیاز است تا به سوییچ-پایین فاز A در نواحی I و III تزریق شود، و یک کانال مبدل A/D دیگر، A/D_2 راه‌اندازی شده تا از جریان DC-LINK ذر مکث میانی PWM_2 نمونه گیری کند.

پالس‌های فرکانس بالای دوتایی و نمونه‌گیری نمونه‌های A/D در نواحی همپوشانی فاز A و B، و فاز A و D، در شکل 7 نشان داده شده‌اند. PWM_1 و PWM_2 توسط شیفت داده شده‌اند.

تعریف به صورت نیم دوره‌ي PWM_1،

سیکل وظیفه‌ی PWM، ، به صورت زیر بیان شده است:

که در آن و زمان‌های روشن و خاموشی در یک دوره از پالس‌های با فرکانس بالا هستند.

فرکانس‌ها و سیکل‌های وظیفه‌ي PWMهای تزریق شده باید به اندازه‌ي کافی بزرگ باشند تا تضمین کنند که جریان DC-LINK می‌تواند با یک دقت بالا نمونه‌گیری کند. با این حال، به دلیل سنجیدن تلرانس سنسورهای جریان، بیشترین مقادیر سیکل وظیفه باید محدود شود، با در نظر گرفتن این واقعیت که سنسور DC-LINK زمان کافی دراد تا جریان را اندازه بگیرد.

شکل 7- پالس‌های فرکانس بالا و نمونه‌های نمونه‌گیری A/D با استفاده از یک سنسور جریان منفرد در DC-LINK. (a) جریان‌ها همپوشاننده‌ي نواحی فاز A و D. (b) جریان‌های همپوشاننده‌ی نواحی فاز A و B.

شکل 8، دیاگرام حالت‌های تزریق پالس‌های فرکانس بالای دوتایی را نشان میدهد. پالس فرکانس بالا، PWM_1، به ترتیب به سوییچ‌های پایین فاز B و D تزریق می‌شود؛ در حالی‌که، پالس فرکانس بالا، PWM_2، به سوییچ‌های پایین فاز A و C تزریق می‌شود تا بازسازی جریان فاز را برای فاز‌های A، B، C و D اجرایی کند.

شکل8. دیاگرام حالت‌های تزریق پالس‌های فرکانس بالا دوتایی

در دیاگرام، نشاندهنده‌ی تزریق پالس فرکانس بالا، PWM_1، به سوییچ پایین فاز B در ناحیه‌ي همپوشانی فاز A و B، است و راه‌اندازی مبدل A/D، A/D_1، تا جریان DC-LINK را در مکث میانی PWM_1 نمونه‌گیری کند تا جریان فاز A را بازسازی نماید.

به همین صورت، نشان دهنده‌ي تزریق پالس فرکانس بالا، PWM_2، شیفت یافته توسط از PWM_1، به فاز A و B است، و راه‌اندازی کننده مبدل A/D، A/D_2، تا جریان DC-LINK را در مکث میانی PWM_2 نمونه‌گیری نماید تا جریان فاز B را بازسازی کند.

از تحلیل بالا، 4 جریان فازی با استفاده از معادله زیر به طور کامل بازسازی شده‌اند:

که در آن و ، ، و ، جریان‌های بازسازی شده، ، ، و جریان‌های نمونه‌گرفته شده‌ی dc-link با تزریق پالس‌های فرکانس بالا‌ي دوتایی و ، ، و سیگنال‌های تحریک تنظیمی هستند.

III. شبیه‌سازی‌های عددی

برای تایید صحت روش بازسازی جریان فازی ارائه شده، یک SRM قطب- 8/6 150 واتی به کار گرفته شد تا به عنوان مورد مطالعه‌ي مدل غیرخطی سیستم موتور عمل کند. اتصال شار و داده های گشتاور موتور به دست آمده با استفاده از نرم افزار ANSOFT، استفاده شده‌اند تا مدل شبیه‌سازی را در متلب سیمولینک اجرا کند. مبدل قدرت با استفاده از مدول‌های سیستم‌های سیم‌پاور ساخته شده‌اند و سیگنال‌های تحریک از PWMها با خروجی‌های منطقی تولید شده‌اند. شکل 9 مدول‌های بازسازی جریان را در ناحیه‌ی همپوشانی فاز A و D با تزری پالس‌های فرکانس بالای 2تایی نشان می‌دهد. همانطور که در مدول‌ها نشان داده شده است، و سیگنال‌های تحریک منظمی در سوییچ‌های پایین فاز A و D هستند، در حالی‌که و سیگنال‌های تحریک واقعی پس از تزریق پالس‌های فرکانس بالای 2 تایی هستند (PWM_1 و PWM_2).

شکل 9. مدول‌های بازسازی جیران در ناحیه‌ی همپوشاننده‌ی فازهای A و D. (a) بازسازی جریان برای فاز A. (b) بازسازی جریان برای فاز D.

در شبیه‌سازی‌های CCC، ولتاژ DC-LINK به 30 ولت ثابت شده است، منبع جریان روی 0.73 آمپر تنظیم شده و پهنای هیسترزیس جریان به 0.03 آمپر تنظیم شده است. شکل 10 جریان DC-LINK و جریان‌های 4 فازی را در حالت‌های همپوشانی جریان و غیرهمپوشانی جریان در سیستم CCC نشان می‌دهد. در شکل 10 (a)، زاویه‌ی روشن شدن روی 0 درجه و زاویه‌ي خاموش بودن روی 15 درجه تنظیم شده است، و جریان‌های فاز تحریک در هر ناحیه‌ي فعال (روشن) همپوشانی نشده است. در این نقطه، جریان dc-link برابر مجموع دو جریان فازی همپوشانی است و جریان‌های فازی کل در ناحیه‌ی روشن می‌تواند با استفاده از تزریق پالس‌های فرکانس‌ بالای دوتایی بازسازی نمود.

به منظور بازسازی مجدد این جریان‌های فازی در نواحی همپوشانی، دو نوع از پالس‌های فرکانس بالا با شیفت-پالس و سیکل‌های وظیفه‌ي بزرگ، به ترتیب به سوییچ‌های پایین تزریق شده‌اند. فرکانس‌های PWM تزریق شده روی 10 kHz و سیکل‌های وظیفه روی 0.95 تنظیم شده‌اند. شکل 11(a) موردی را نشان می‌دهد که PWM_1 به سوییچ‌های پایین فاز B و D در ناحیه‌ی همپوشانی فاز A و B، و ناحیه‌ی همپوشانی فاز A و D تزریق شده‌اند تا جریان فازی A را بازسازی نمایند؛ شکل 11(b) موردی را نشان می‌دهد که PWM_2 به سوییچ-پایین فاز A در ناحیه‌ی همپوشانی فاز A و D تزریق شده است تا جریان فازی D را بازسازی نماید.

در شبیه‌سازی‌های SPC، ولتاژ DC-LINK برابر 12 ولت تنظیم شده است. شکل 12 جریان DC-LINK و جریان‌های 4 فازی را در وضعیت همپوشانی و غیرهمپوشانی جریان‌ها در سیستم SPC نشان می‌دهد. در شکل 12(a)، زاویه‌ی فعالسازی و خاموشی به ترتیب روی 0 و 15 درجه تنظیم شده‌اند. در شکل 12(b) این دو مورد به ترتیب برابر 0 و 22 درجه تنظیم شده‌اند. شکل 13 جریان dc-link، جریان‌های فازی، و سیگنال‌های تحریک را با استفاده از روش تزریق پالس‌های فرکانس بالا دوتایی نشان می‌دهد تا جریان‌های فازی را در سیستم SPC بازسازی نماید.