چکیده فارسی:امروزه با گسترش مصرفکنندههای DCو بارهای غیرخطی متصل به شبکه، طراحی و ساخت مدارات اصلاح ضریب توان با استفاده از مبدلهای الکترونیک قدرت، اهمیت ویژه‌ای یافته است. با پیشرفت تکنولوژی، مدارات مجتمع در این عرصه به کمک آمده‌اند. با توجه به پیچیدگی و عملکرد غیر خطی این مبدل‌ها و نیاز به کنترل لحظهای جریان ورودی و ولتاژ خروجی در آنها استفاده از مدارات مجتمع و پردازشگرهای الکترونیکی امری اجتناب ناپذیر است.مبدل شپارد- تیلور یکی از انواع جدید مبدلهای اصلاح ضریب توان میباشد که بدلیل عملکرد مطلوب آن در این حوزه و مشخصه‌های غیر معمول و منحصر به فرد در نگاه‌داشتن رگولاسیون ولتاژ خروجی با مقادیر ولتاژ ورودی بسیار پایین، در سالیان اخیر مورد توجه محققان قرار گرفته است.روشهای کنترل متعددی جهت کنترل پالس کلیدزنی و اصلاح ضریب توان برای مبدل اصلاح ضریب توان شپارد- تیلور ارائه شده است. در این پایان نامه نیز سعی میشود تا با اصلاح روش کلیدزنی و ارائه یک روش کنترلی جدید به منظور کاهش تلفات کلیدزنی مبدل اصلاح ضریب توان شپارد- تیلور، ضمن حفظ شکل موج جریان ورودی در حالت سینوسی (هم فاز با ولتاژ ورودی)، عملکرد مدار را بهبود داده و تلفات کلیدزنی را کاهش دهیم. به منظور پیادهسازی عملی این مبدل، الگوریتم روش کنترل پیشنهادی با استفاده از یک مدار کنترل ساده و کارا با استفاده از میکروکنترلر AVR طراحی و معرفی میشود. در انتها جهت اطمینان از صحت عملکرد مدار، نتایج بدست آمده از شبیه‌سازی با مقادیر بدست آمده از آزمایشات عملی مقایسه می‌شوند. جهت رسیدن به هدف نهایی که ساخت مبدل اصلاح شده‌ی شپارد- تیلور با روش کلیدزنی جدید بر مبنای روش کنترل هیستزیس میباشد، در ابتدا براساس تحقیقاتی که توسط سایر محقیقین در گذشته انجام شده بود، مبدل اصلاح ضریب توان شپارد-تیلور در نرم‌افزارهای متلب و پروتئوس شبیه‌سازی گردید و پس از حصول نتایج قابل قبول، مبدل اصلاح شده در روش کنترل پیشنهادی نیز با این دو نرم‌افزار مورد شبیه‌سازی قرار گرفت. سپس با توجه به نتایج شبیه‌سازی، مدار در ابعاد آزمایشگاهی پیادهسازی شد. نتایج شبیه‌سازی و آزمایشات عملی در فصل چهارم آورده شده که به خوبی نشان می‌دهد، مبدل در روش کنترل پیشنهادی دارای عملکرد مطلوب میباشد.واژه‌هاي كليدي: اصلاح ضریب توان، مبدل شپارد- تیلور، کنترل هیسترزیس، میکروکنترلر AVR، پیادهسازی و ساخت، کاهش تلفات کلیدزنی. فهرست مطالب1-.......... مقدمه و کلیات تحقیق21-1-................................................................................... مقدمه21-2-............................................................... موضوع پایان‌نامه31-3-..................................................................... نوآوری پژوهش41-4-......................................................... هدف از انجام پژوهش52-.......... مقدمه‌ای بر اصلاح ضریب توان72-1-................................................................................... مقدمه72-2-........................................................................... ضریب توان72-3-....................................... ضریب توان و کاهش هارمونیک‌ها82-4-................................................... روشهای اصلاح ضریب توان92-5-......................................................................... مبدلهای DC102-5-1توپولوژی باک122-5-2توپولوژی بوست132-5-3توپولوژی باک-بوست142-5-4توپولوژی کیوک152-6-................................................... توپولوژی شپارد- تیلور162-7-..................... روشهای کنترلی مبدلهای اصلاح ضریب توان162-7-1روش کنترل هیسترزیس182-8-............................. مبدل اصلاح ضریب توان شپارد- تیلور202-8-1مبدل ایزوله شده‌ی اصلاح ضریب توان شپارد- تیلور212-8-2مدلسازی و کنترل مبدل اصلاح ضریب توان شپارد- تیلور232-9-مبدل اصلاح ضریب توان شپارد- تیلور ارتقاء یافته262-10-.... مبدل بوست جدید بر اساس توپولوژی شپارد- تیلور272-11-اصلاح روش کلید زنی بر اساس کنترل هیسترزیس برای مبدل شپارد- تیلور282-12-............................................................................ جمع بندی313-.......... مبدل اصلاح ضریب توان شپارد- تیلور333-1-................................................................................... مقدمه333-2-............................... تحلیل مداری مبدل DCشپارد- تیلور333-3-......................... ساختار ساده شده‌ی مبدل شپارد- تیلور383-4-روش کنترل پیشنهادی برای مبدل اصلاح ضریب توان شپارد- تیلور383-4-1- تحلیل مداری مبدل شپارد- تیلور در روش کنترلی پیشنهادی393-5-............................................................................. جمع بندی414-.......... نتایج شبیه‌سازی و آزمایشات عملی434-1-................................................................................... مقدمه434-2-......... نتایج شبیه‌سازی با استفاده از نرم‌افزار متلب444-3-... نتایج شبیه‌سازی با استفاده از نرم‌افزار پروتئوس504-4-..................................................... نتایج آزمایشات عملی534-5-............................................................................. جمع بندی605-.......... نتیجه‌گیری و پیشنهادها625-1-........................................................................... نتیجه‌گیری625-2-........................................................................... پیشنهادها62پیوست 1...............................................................................................................................................64ملاحظات پیادهسازی و ساخت64پیوست 2...............................................................................................................................................66اطلاعات آی‌سی سنسور جریان مورد استفاده در ساخت66اطلاعات ماسفت مورد استفاده در ساخت69اطلاعات آی‌سی درایو ماسفت مورد استفاده در ساخت70مراجع...................................................................................................................................................7476...........................................................................................................................................Abstract فهرست جداولجدول 1 مقایسه روشهای کنترلی اصلاح ضریب توان18جدول 2 مقادیر پارامترهای مورد استفاده در شبیه‌سازی با نرم‌افزار متلب43جدول 3 مقادیر پارامترهای مورد استفاده در شبیه‌سازی با نرم‌افزار پروتئوس51جدول 4 مقادیر و نوع المان‌های استفاده شده در آزمایش عملی53 فهرست تصاویر و نمودارهاشکل 2‑1 ولتاژ و جریان ورودی یک مبدل بدون اصلاح ضریب توان8شکل 2‑2 شکل موج‌های جریان ورودی یک مبدل(1- بدون اصلاح ضریب توان،2-اصلاح ضریب توان غیرفعال، 3- اصلاح ضریب توان فعال، 4- ولتاژ ورودی)9شکل 2‑3 مبدل AC/DC اصلاح ضریب توان با واحد کنترل10شکل 2‑4 (الف) اساس طرز کار مبدل ,DC/DC (ب) شکل موج ولتاژ خروجی[1]11شکل 2‑5 نمودار مداری مبدل باک13شکل 2‑6 نمودار مداری مبدل بوست13شکل 2‑7 نمودار مداری مبدل باک-بوست14شکل 2‑8 نمودار مداری مبدل کیوک15شکل 2‑9 نمودار مداری مبدل شپارد- تیلور16شکل 2‑10 (الف) روش کنترل هیسترزیس برای مبدل شپارد- تیلور (ب) محدوده‌ی مجاز تغییرات جریان ورودی19شکل 2‑11 مدل دوطبقه معادل مبدل شپارد- تیلور20شکل 2‑12 جریان سلف ورودی و جریان خازن C و پالس کلیدزنی مبدل (به ترتیب از بالا به پایین)21شکل 2‑13 مبدل ایزوله‌ی شپارد- تیلور در بازه‌های زمانی مختلف از عملکرد در حالت جریان ورودی گسسته..22شکل 2‑14 جریان ورودی (الف) مبدل بوست(ب) مبدل شپارد- تیلور23شکل 2‑15 سیستم کنترل بر اساس کنترل هیسترزیس برای مبدل شپارد- تیلور24شکل 2‑16 سیستم کنترل بر اساس کنترل موج حامل خطی برای مبدل شپارد- تیلور24شکل 2‑17 سیستم کنترل بر اساس کنترل موج حامل غیرخطی برای مبدل شپارد- تیلور25شکل 2‑18 بلوک دیاگرام کنترل دیجیتال مبدل اصلاح ضریب توان شپارد- تیلور بر اساس الگوریتم پیش‌بین26شکل 2‑19 مبدل شپارد- تیلور ارتقاء یافته27شکل 2‑20عملکرد مبدل شپارد- تیلور در (الف) خاموش بودن کلیدها (ب) روشن بودن کلیدها 27شکل 2‑21 نمودار مداری مبدل جدید بوست براساس توپولوژی شپارد- تیلور28شکل 2‑22 دوره‌های عملکرد مبدل (الف) دوره اول (ب) دوره دوم (ج) دوره سوم29شکل 2‑23 مبدل اصلاح ضریب توان شپارد- تیلور بر اساس کنترل هیسترزیس با روش کلیدزنی پیشنهادی30شکل 2‑24 مقایسه بین جریان ورودی در روش کلیدزنی پیشنهادی و روشهای مرسوم30شکل 3‑1(الف)مسیرهای جریان در زمان خاموش بودن کلیدها (ب) مسیرهای جریان در زمان روشن بودن کلیدها34شکل 3‑2 مدل ایزوله شده‌ی مبدل شپارد- تیلور37شکل 3‑3 ساختار ساده شده‌ی مبدل شپارد- تیلور39شکل 3‑4 بازه‌های زمانی روش کلیدزنی پیشنهادی38شکل 3‑5 مسیرهای جریان مبدل در بازه زمانی اول (الف) روشن بودن Q1 و Q2(ب) خاموش بودن Q1 و Q240شکل 3‑6 جریان مبدل در بازه زمانی دوم (الف) روشن بودن Q1 (ب) خاموش بودن Q141شکل 4‑1 پالس آشکارساز عبور از صفر ولتاژ ورودی (شکل موج بالایی) ولتاژ ورودی (شکل موج پایینی)45شکل 4‑2 مدار شبیه‌سازی شده توسط نرم‌افزار متلب46شکل 4‑3 شکل موج‌های ولتاژ (شکل موج بلندتر) و جریان (شکل موج کوتاهتر) ورودی مبدل با استفاده از نرم‌افزار متلب47شکل 4‑4 پالس اعمالی به گیت Q1 (شکل موج بالایی) پالس اعمالی به گیت Q2 (شکل موج وسط) جریان ورودی بعد از یکسوسازی (شکل موج پایینی)48شکل 4‑5 ولتاژ خروجی (شکل موج بالایی) و جریان ورودی مبدل (شکل موج پایینی)49شکل 4‑6 مدار شبیه‌سازی شده توسط نرم‌افزار پرونئوس50شکل 4‑7 نمونه جریان ورودی (شکل موج بالایی) ولتاژ مرجع ورودی ( شکل موج پایینی)52شکل 4‑8 جریان ورودی مبدل قبل از پل دیودی52شکل 4‑9 پالس اعمالی به گیت Q2 (شکل موج بالایی) پالس اعمال شده به گیت 1Q (شکل موج پایینی)53شکل 4‑10 تصویر مداری که در آزمایشات عملی مورد استفاده قرار گرفته است54شکل 4‑11 ولتاژ ورودی (شکل موج بالایی) و جریان ورودی (شکل موج پایینی) مبدل قبل از پل دیودی54شکل 4‑12 ولتاژ و جریان ورودی مبدل در حالت بزرگنمایی شده55شکل 4‑13 جریان ورودی مبدل و پالس اعمالی به گیت Q255شکل 4‑14جریان ورودی مبدل و پالس اعمالی به گیت Q2 در حالت بزرگنمایی شده56شکل 4‑15 پالس اعمالی به Q1و جریان ورودی56شکل 4‑16 پالس اعمالی به Q1و جریان ورودی‌در حالت بزرگنمایی شده57شکل 4‑17 پالس اعمالی به Q1 (شکل موج بالایی) پالس اعمالی به Q2(شکل موج پایینی)57شکل 4‑18 پالس اعمالی به Q1 (شکل موج بالایی) پالس اعمالی به Q2(شکل موج پایینی) در حالت بزرگنمایی شده58شکل 4‑19 جریان ورودی و ولتاژ خروجی مبدل تحت مقادیر مختلف از ولتاژ مرجع خروجی59شکل 0‑1 طرح فیبر مدار چاپی قسمت کنترل مبدل شپارد- تیلور پیادهسازی شده65شکل 0‑2 طرح فیبر مدار چاپی قسمت قدرت مبدل شپارد- تیلور پیادهسازی شده65 فصل اولمقدمه و کلیات تحقیقالکترونیک قدرت ترکیبی از قدرت، الکترونیک و کنترل است. کنترل به بررسی مشخصه‌های دینامیک و حالت پایدار سیستم‌های با حلقه بسته می‌پردازد. قدرت، وسایل قدرت استاتیک و گردنده را که در تولید، انتقال و توزیع توان الکتریکی بکار‌گرفته می‌شوند را بررسی می‌کند. الکترونیک، مدارها و وسایل پردازشگر یا پردازنده سیگنال‌ها را بررسی می‌کند که برای بدست آوردن هدفهای کنترلی مطلوب مورد استفاده قرار می‌گیرند. الکترونیک قدرت را می‌توان به صورت کاربردهای الکترونیک حالت جامد در کنترل و تبدیل توان الکتریکی نیز تعریف کرد. الکترونیک قدرت بر اساس خاصیت کلیدزنی عناصر نیمه‌هادی قدرت پایه گذاری شده است. با پیشرفت تکنولوژی نیمه‌هادی‌های قدرت،قابلیت کار با توان و سرعت کلیدزنی بالا در ادوات الکترونیک قدرت بطور قابل ملاحظه‌ای بهبود یافته است. پیشرفت در تکنولوژی میکروکنترلرها[1] تاثیر زیادی در کنترل و ایجاد روشهای کنترلی برای عناصر نیمه‌هادی قدرت داشته است[1].همانطورکه قبلا اشاره شد الکترونیک قدرت بر کلیدزنی المان‌های قدرت استوار است. بکارگیری این المان‌ها معایبی را هم به همراه دارد. غیرخطی بودن این عناصر باعث به وجود آمدن اعوجاج در شکل موج جریان خط میشود که خود سبب بوجود آمدن معایب زیادی از جمله کاهش ضریب توان[2] (P.F)به عنوان یکی از مهمترین اثرها میشود. مبدلهای اصلاح ضریب توان[3](PFC) ورودی را به حالت سینوسی و هم‌فاز با ولتاژ نزدیک می‌کنند. مشکل اعوجاجات جریان ورودی مدت زیادی است که شناخته شده است. اخیرا توجه به اثرات زیان آور هارمونیک‌ها منجر به ایجاد یک فرمولاسیون راهبردی و همچنین استانداردهایی گردیده است که باعث شده توجه به راههای محدود کردن اعوجاجات جریان بیشتر شود[3].به طورکلی PFC، ظرفیت تولید یا جذب توان راکتیو در یک بار متصل به شبکه بدون استفاده از منبع میباشد. ضریب توان را می‌توان نسبت توان واقعی[4] به توان ظاهری[5] و به صورت رابطه (1‑1) تعریف کرد: که در آن توان واقعی مقدار متوسط حاصلضرب ولتاژ لحظهای در جریان لحظهای در یک سیکل میباشد و توان ظاهری حاصلضرب مقدار موثر جریان در مقدار موثر ولتاژ میباشد. اگر ولتاژ و جریان سینوسی و هم فاز باشند، ضریب توان مقدار واحد و برابر با یک خواهد داشت. در صورتیکه ولتاژ و جریان سینوسی و غیر هم‌فاز باشند ضریب توان کسینوس اختلاف فاز آنها خواهد بود. این تعریف از ضریب توان تنها در مواقعی که ولتاژ و جریان سینوسی باشند معتبر است، به عبارتی تعریف فوق از ضریب توان، تنها تحت شرایطی که بار ترکیبی از عناصر خطی مانند مقاومت، خازن و القاگر باشد مورد استفاده قرار می‌گیرد، این در حالی است که معمولا در ورودی مبدلهای اصلاح ضریب توان یک یکسوساز نیم‌موج یا تمام‌‌موج قرار دارد، که همین امر یعنی استفاده از عناصر غیرخطی در این مبدل‌ها باعث میشود که نتوانیم از تعریف فوق برای ضریب توان استفاده کنیم. [1]Microcontrollers[2]Power factor[3] Power factor correction[4]Real power[5] Apparent power