آموزش تبدیل DC و AC به یکدیگر با مبدل دوگانه

در این جا درباره مبدل های دوگانه صحبت خواهیم کرد که همزمان جریان مستقیم را به متناوب و جریان متناوب را به مستقیم تبدیل می‌کند. همانطور که از نام آن پیداست، این مبدل ها دارای دو مبدل هستند. یکی از مبدل ها به عنوان یکسو ساز و دیگری به عنوان مبدل جریان مستقیم به متناوب (اینورتر) کار می‌کنند. همانطور که در تصویر زیر قابل مشاهده است، مبدل ها و منبع مصرفی به صورت موازی با یکدیگر قرار گرفته‌اند. برای کسب اطلاعات بیشتر، مطلب “جریان AC چیست” را بخوانید.

به طور کلی ما در این آموزش میفهمیم چطور جریان متناوب را به جریان مستقیم و همچنین جریان مستفیم را به جریان متناوب تبدیل کنیم.

چرا از مبدل های دو گانه استفاده می ‌کنیم ؟  اگر تنها یک مبدل می ‌تواند انرژی یک منبع مصرفی را تامین کند، چرا از دو مبدل استفاده می ‌کنیم ؟ این سوالات ممکن است برایتان پیش بیاید که در این مقاله به آن ها پاسخ می‌ دهیم.

در این جا دو مبدل داریم که به صورت موازی به یکدیگر متصل شده ‌اند. به خاطر نوع اتصال این دو قطعه، میتوان از آن برای عملیات چهار ربع استفاده کرد. این بدین معنی است که هم ولتاژ و هم جریان منبع مصرفی قابل برگشت هستند. چگونگی استفاده از عملیات چهار ربع را در ادامه‌ی مقاله مطرح خواهیم کرد.

به طور کلی از مبدل های دوگانه برای درایو جریان مستقیم برگشت پذیر و درایو جریان مستقیم با سرعت متغیر استفاده می‌شود.

عملیات چهار ربع در مبدل دو گانه

• ربع اول: ولتاژ و جریان هر دو مثبت هستند.
• ربع دوم: ولتاژ مثبت و جریان منفی است.
• ربع سوم: ولتاژ و جریان هر دو منفی هستند.
• ربع چهارم: ولتاژ منفی و جریان مثبت است.

بین این دو مبدل، مبدل اول با توجه به زاویه ی آلفا در دو ربع کار می‌کند. هنگامی که مقدار آلفا از 90 درجه  کمتر باشد، این مبدل به عنوان یکسو ساز کار می‌کند. در این صورت میانگین ولتاژ و جریان تولید شده توسط مبدل مثبت است و در ربع اول کار می‌کند.

هنگامی که مقدار آلفا از 90 درجه بیشتر می ‌شود، این مبدل به عنوان مبدل جریان مستقیم به متناوب کار می‌کند. در این صورت میانگین ولتاژ تولید شده توسط مبدل منفی است و جهت جریان عوض نمی‌ شود و مثبت باقی می‌ماند. در عملیات ربع اول انرژی از منبع به مصرف کننده و در ربع چهارم از مصرف کننده به منبع منتقل می ‌شود.

به همین صورت مبدل دوم هم هنگامی که زاویه ی آلفا کمتر از 90 درجه باشد به عنوان یکسوساز، و هنگامی که آلفا بیشتر از 90 درجه باشد به عنوان مبدل جریان مستقیم به متناوب کار می‌ کند. زمانی که مبدل به عنوان یکسوساز کار می‌ کند، میانگین جریان و ولتاژ منفی است. بنابراین در ربع سوم کار می‌ کند و انرژی از مصرف کننده به منبع منتقل می ‌شود. در اینجا، موتور در جهت معکوس می ‌چرخد. هنگامی که مبدل به عنوان مبدل جریان مستقیم به متناوب کار می ‌کند، میانگین ولتاژ مثبت و میانگین جریان منفی می‌ شود. پس در ربع دوم کار می‌ کند و جهت انرژی از مصرف کننده به منبع است.

وقتی جهت جریان از مصرف کننده به منبع باشد، موتور مانند یک مولد برق رفتار می‌کند.

اصول پایه مبدل دوگانه (مبدل دوگانه ی ایده آل)

برای اینکه اصول پایه ای مبدل‌های دوگانه را درک کنیم، فرض می‌کنیم که مبدل ها ایده‌آل هستند. این بدین معنی است که ولتاژ خروجی آن‌ها خالص DC است و حالت موج ندارد. شکل ساده شده ی مبدل در تصویر زیر قابل مشاهده است.

در مدار تصویر بالا مبدل به عنوان یک منبع قابل کنترل ولتاژ DC فرض می‌شود که به صورت سری با دیود بسته شده است. زاویه ی مبدل ها به وسیله ی یک مدار کنترلی تنظیم می‌ شود. ولتاژ DC هر دو مبدل از نظر اندازه برابر و از نظر قطبیت مخالف یکدیگر هستند. این باعث می‌شود که بتوان جریان را در جهت مخالف از منبع مصرفی عبور داد.

به مبدلی که به عنوان یکسو ساز کار می‌ کند مبدل گروه مثبت و به مبدلی که به عنوان مبدل جریان مستقیم به متناوب کار می‌کند مبدل گروه منفی می‌گویند.

ولتاژ خروجی متوسط تابعی از زاویه ی مبدل است. برای مبدل‌های یک فازی و سه فازی ولتاژ خروجی متوسط از روابط زیر محاسبه می‌شود.

EDC1 = EmaxCos⍺1
EDC2 = EmaxCos⍺2

در روابط بالا α1 و α2 به ترتیب زاویه های مبدل اول و دوم هستند.

برای مبدل‌ های دوگانه ی تک فاز داریم:

Emax = 2Em /π

برای مبدل ‌های دوگانه ی سه فاز داریم:

Emax = 3√3Em /π

و برای مبدل‌ های ایده ‌آل داریم:

EDC = EDC1 = -EDC2
EmaxCos⍺1 = -EmaxCos⍺2
Cos⍺1 = -Cos⍺2
Cos⍺1 = Cos (180⁰ - ⍺2)
⍺1 = 180⁰ - ⍺2
⍺1 + ⍺2= 180⁰

همانطور که بالاتر به آن اشاره شد، ولتاژ خروجی متوسط تابعی از زاویه ی مبدل است. این بدین معنی است که برای رسیدن به ولتاژ خروجی دلخواه، باید زاویه ی مبدل را کنترل کنیم. می‌توان از مدار کنترل زاویه ای که  با تغییر سیگنال Ec  زاویه های α1 و α2 را همانند مدار زیر تغییر می‌دهد استفاده کرد.

مبدل دوگانه واقعی

عملاً نمی‌توانیم هر دو مبدل را ایده‌آل فرض کنیم. زاویه های دو مبدل مکمل یکدیگر هستند. در این صورت اندازه ی متوسط ولتاژ هر دو مبدل یکسان و قطبیت آن ها مخالف یکدیگر است. اما به دلیل تموج ولتاژ، نمی‌توانیم دقیقا همان ولتاژ را دریافت کنیم. پس در پایانه های DC دو مبدل تفاوت ولتاژی دیده می‌شود که باعث می‌شود جریان های بزرگی بین آن‌ها در گردش باشد که از منبع مصرفی عبور می‌کند.

بنابراین لازم است که جریان در گردش مبدل‌ های دوگانه واقعی را کنترل کنیم. دو روش برای کنترل جریان در گردش وجود دارد:

1. عملکرد بدون جریان در گردش
2. عملکرد با جریان در گردش

مبدل دوگانه‌ بدون جریان در گردش

در این نوع مبدل دوگانه یکی از مبدل ها رسانا و دیگری به صورت موقت نا رسانا است. پس در یک زمان یکی از مبدل ها کار می‌کند و نیازی به راکتور بین مبدل ها نیست. پس در یک لحظه اگر مبدل اول به عنوان یکسو ساز کار کند و جریان عبوری را تامین کند، مبدل دوم به عنوان مانع عمل می ‌کند و بالعکس.

پالس ها به مبدل دوم با تاخیر می ‌رسند که حدود 10 الی 20 میلی ثانیه است. دلیل آن‌ که ما زمان تاخیر را در زمان تغییر اعمال می ‌کنیم این است که باعث عملکرد مطمئن تریستور می‌شود. اگر مبدل دوم قبل از آن‌ که مبدل اول کاملاً قطع شود شروع به کار کند، باعث می‌شود که مقدار زیادی جریان بین دو مبدل عبور کند.

طرح های مختلفی برای کنترل زاویه ی مبدل ها و تولید جریان مبدل دوگانه وجود دارد. این طرح ها برای کنترل کردن سیستم های پیچیده طراحی شده‌اند. در این روش، در یک لحظه تنها یک مبدل کار می‌کند. درنتیجه می‌توانیم از تنها یک بخش تنظیم زاویه استفاده کنیم. چند طرح ساده در لیست زیر آمده‌اند:

1. انتخاب مبدل با قطبیت سیگنال کنترلی
2. انتخاب مبدل با قطبیت جریان منبع مصرفی
3. انتخاب مبدل با ولتاژ کنترلی و جریان منبع مصرفی

مبدل دو گانه با جریان در گردش

برای مبدل دو گانه ‌ای که بدون جریان در گردش کار می‌ کند سیستم کنترل بسیار پیچیده است و مقدار جریان منبع مصرفی پیوسته نیست. برای غلبه بر این مشکلات، مبدل دو گانه ‌ای وجود دارد که می‌تواند با جریان در گردش کار کند. بین پایانه های DC دو مبدل یک راکتور محدود کننده‌ جریان وصل شده است. زاویه ‌ی دو مبدل طوری تنظیم شده است که کمترین میزان جریان از راکتور عبور کند. همان‌ طور که برای مبدل جریان مستقیم به متناوب ایده‌ آل گفته شد، اگر زوایای مبدل ‌ها مکمل یکدیگر باشند (⍺₁ + ⍺₂= 180⁰) مقدار جریان در گردش صفر است.

فرض کنیم زاویه ی مبدل اول 60 درجه است. پس زاویه مبدل دوم باید 120 درجه باشد. در این صورت مبدل اول به عنوان یکسو ساز و مبدل دوم به عنوان مبدل جریان مستقیم به متناوب کار می‌ کند. بنابراین در این نوع عملکرد، همزمان هر دو مبدل کار می‌کنند. اگر جهت جریان بر عکس شود، مبدلی که به عنوان یکسو ساز کار می‌کرد به عنوان مبدل جریان مستقیم به متناوب و مبدلی که به عنوان مبدل جریان مستقیم به متناوب کار می‌کرد حالا به عنوان یکسوساز کار می‌کند. از آنجایی که همزمان هر دو مبدل کار می‌کنند به دو بخش برای تنظیم زوایای دو مبدل احتیاج داریم.

مزیت این طرح این است که عملکرد این مبدل در زمان تغییر روان است. زمان پاسخگویی این طرح بسیار زیاد است. هنگامی که مبدل بدون جریان در گردش کار می‌ کند میزان تأخیر نرمال بین 10 تا 20 میلی ثانیه است.

عیب این طرح اندازه و هزینه ی زیاد راکتور است. به خاطر وجود جریان در گردش قدرت و بازدهی کم می‌ شود. برای این که جریان در گردش را کنترل کنیم، لازم است از تریستور با نرخ جریان بالا استفاده کنیم.

با توجه به نوع منبع مصرفی از مبدل های تک فاز یا سه فاز استفاده می‌شود.

مبدل دوگانه ی تک فاز

مدار مبدل دوگانه در تصویر زیر نمایش داده شده است. به عنوان منبع مصرفی، از یک موتور جریان مستقیم استفاده می‌شود. پایانه های هر دو مبدل به پایانه های آرمیچر مار پیچ وصل شده‌اند. در اینجا دو مبدل یک فازی به یکدیگر متصل شده‌اند و هردو به عنوان منبع یک مصرف کننده هستند.

زاویه ی مبدل اول α1 است که از 90 درجه کمتر است، از این‌ رو به عنوان یکسو ساز عمل میکند. در نیمه ‌ی مثبت زمان (0 < t < π) تریستور S1 و S2 و در نیمه ی منفی زمان (π < t < 2π) تریستور S3 و S4 کار می‌کنند. در این نوع عملکرد ولتاژ و جریان هر دو مثبت هستند بنابراین در ربع اول کار می‌ کند. به این نوع عملکرد مبدل ‌ها فوروارد موتورینگ (Forwarding Monitoring) می‌گویند.

زاویه ی مبدل دوم α2 است که از 90 درجه بیشتر است، از این ‌رو به عنوان مبدل جریان مستقیم به متناوب عمل می ‌کند. در این نوع عملکرد مبدل، جریان مثبت باقی می‌ماند اما ولتاژ منفی می‌شود . بنابراین مبدل در ربع چهارم کار می‌کند. به این نوع عملکرد مبدل ‌ها ترمز احیا کننده می‌ گویند.

اگر موتور جریان مستقیم برعکس بچرخد، مبدل دوم به عنوان یکسوساز و مبدل اول به عنوان مبدل جریان مستقیم به متناوب کار می ‌کنند. زاویه ی مبدل دوم α2 است که از 90 درجه کمتر است. منبع ولتاژ متناوب، انرژی منبع مصرفی را تأمین می‌کند. جریان و ولتاژ مدار هر دو منفی هستند. بنابراین مبدل ها در ربع سوم کار می‌ کنند. به این نوع عملکرد مبدل ‌ها ریورس موتورینگ (Reverse Motoring) می‌گویند.

در عملکرد بر عکس موتور جریان مستقیم، زاویه‌ مبدل اول کمتر از 90 درجه و زاویه مبدل دوم بیشتر از 90 درجه است. جریان منبع مصرفی منفی است اما متوسط ولتاژ خروجی مثبت است. پس مبدل دوم در ربع دوم کار می‌کند. به این نوع عملکرد مبدل ها ترمز احیا کننده معکوس می ‌گویند.

نمودار موجی مبدل دو گانه‌ تک فاز در تصویر زیر نمایش داده شده است.

مبدل دوگانه‌ سه فاز

نمودار مبدل دوگانه‌ سه فازی در تصویر زیر نمایش داده شده‌است. در این مدار دو مبدل سه فازی به یکدیگر متصل شده‌اند. قواعد عملکرد این مبدل‌ همانند مبدل یک فازی است.

در این مقاله چگونگی طراحی مبدل ‌های دوگانه را مطرح کردیم و همانطور که گفته شد، از آن‌ها برای ساخت درایو های برگشت ‌پذیر جریان مستقیم و درایو های با سرعت متغیر جریان مستقیم استفاده می‌شود.

میخواهید برنامه نویسی STM32 را یاد بگیرید؟

میخواهید الکترونیک را یاد بگیرید؟

میخواهید آردوینو را به صورت پروژه محور یاد بگیرید؟ برای مشاهده توضیحات روی دوره مورد نظر کلیک کنید