ابزار شبیه سازی مدارات قدرت

ابزار شبیه سازی مدارات قدرت –  ایران ترجمه – Irantarjomeh

مقالات ترجمه شده آماده گروه برق – الکترونیک

مقالات ترجمه شده آماده کل گروه های دانشگاهی

مقالات

ابزار شبیه‌سازی مدارات قدرت

چکیده

LEI ( لابراتور صنعت برق آزمایشگاهی) بعنوان یکی از لابراتورهای DE  وابسته به EPFL محسوب می‌شود. کار اصلی و هدف عمده این آزمایشگاه، تحقیق و تدریس در دامنه مدارات الکترونیک صنعتی و قدرت می‌باشد.

ابزار شبیه‌سازی در تحقیقات و تدریس جهت فراهم نمودن امکان فهم دقیق ساختارهایی استفاده شده است که قبل از تست‌های تجربی مورد بررسی قرار گرفته‌اند. این مقاله، روش سیمپلورر (Simplorer) را نشان خواهد داد که در ارتباط با چهار موضوع تحقیقاتی عمده و ابزار آموزشی که در حال توسعه آن هستیم استفاده شده است.

تقدیر و تشکر

نتایج نشان داده شده در این مقاله، خلاصه‌ای از برخی فعالیت صورت گرفته در LEI توسط برخی دانشجویان دکترا می‌باشد. نویسنده می‌خواهد از آنها به واسطه کمک در فراهم نمودن این مقاله تشکر کند.

مقدمه

LEI  یکی از لابراتورهای DE  وابسته به EPFL است که اهداف عمده آن در بالا ذکر گردید.

اهداف این لابراتور، تحقیق در زمینه مدارات الکترونیک صنعتی و تدریس دانشجویان اداره برق می‌باشد. بر این اساس، در رابطه با فعالیت‌های تحقیقاتی انجام شده، چهار حوزه اصلی را بررسی نموده‌ایم:

• ذخیره انرژی با ابر خازن

• سمبولهای چند سطحی

• سلولها و سیستم‌های سوخت

• درایوها

برای فعالیت‌های آموزشی، چهار هدف در نظر گرفته شده‌اند:

• برگزاری دوره‌های فارغ التحصیلی در حوزه مدارات الکترونیک قدرت، الکترونیک صنعتی و حوزه‌های مرتبط دیگری همچون کنترل و مدلسازی مخصوص.

• تأمین دوره‌هایی در جهت روش شناسی‌ها و بررسی‌های بهتر شامل ارزیابی، تطبیق و پیاده‌سازی ابزار تدریس جدید.

• دوره‌های بعد از فارغ‌التحصیلی و D مطابق با لابراتورهای مربوطه.

• پخش فوت و فن‌های مقرر شده با تز D و مقاله‌های خاص.

این مشارکت به دو بخش تقسیم شده است. در بخش اول، برخی از کارهایی را نشان می‌دهیم که ابزار شبیه‌سازی برای تحقیق آنها طراحی شده بود شامل: مدل ابرخازن‌ها و ابزار الکترونیکی مرتبط آنها، فیلتراکتیو، مبدل مربوط به سلول سوخت و یک سیکلو مبدل فرکانس بالای جا به جا شده نرم در آرایش چند سطحی.

ابزار شبیه سازی مدارات قدرت

در بخش دوم روشی را برای تدریس مدارات الکترونیک قدرت و ابزار محاسباتی را نشان می‌دهیم که ما آنها را به عنوان یک دستیار در تدریس و آموزش طی درس و آزمایشات گسترش دادیم.

تحقیق در مدارات الکترونیک قدرت

ذخیره انرژی با ابرخازن‌ها

این موضوع در LEI از سال ۱۹۹۸ مورد بحث و بررسی قرار گرفته است. اولین کار صورت گرفته، بررسی ترکیبی از باتری‌ها و ابرخازن‌ها جهت بدست آوردن یک منبع انرژی بود که قادر به فراهم نمودن انرژی (با استفاده از باتری‌ها) و توان (با استفاده از ابرخازن‌ها) باشد.

از آن  زمان چندین بررسی دیگر برای تعیین این قطعه انبارش انرژی جدید و کاربردهایی که بتوان آن را تعریف کرد صورت گرفته بود.

ابزار شبیه سازی مدارات قدرت

مدل یک ابرخازن

ابرخازن‌ها، خازن‌هایی هستند که با قوانین برق موجود مشخص شده‌اند. اما آنها قادر به ذخیره تراکم انرژی بالایی هستند که آن را مرهون تکنولوژی‌شان هستند (خازن لایه دوبل الکترو شیمیایی). حتی اگر این انرژی کمتر از انرژی باشد که باتری‌ها ذخیره می‌نمایند ابرخازن‌ها، خازنی از چند فاراد تا ۲۴۰۰ فاراد و بیشتر ارائه می‌دهند.

…

ابزار شبیه سازی مدارات قدرت

اتصال سری ابرخازن‌ها

ولتاژ ماکزیممی که می‌تواند به یک ابرخازن اعمال شود پائین و نزدیک ۵/۲ ولت است. در کاربردهای فشار ضعیف و فشار متوسط، این بدین معنی است که جریان تامین شده با یک ابرخازن در سطح بالایی قرار خواهد داشت.

نتیجه کار، راندمان پایین مبدل قدرت مربوطه است.

ما لازم است سطح ولتاژ یک بانک ابرخازن را برای کاهش مقدار جریان و به لطف یک اتصال سری افزایش دهیم. این در صورتی مشکل‌زا است که کل ابرخازن‌های اتصال سری، مقدار یکسانی نداشته باشند. در این مورد، برخی از ابرخازن‌ها، یک مقدار بیش از حدی برای ولتاژ و کاهش طول عمر خود خواهند داشت. ولتاژ ماکزیمم ابرخازن‌های دیگر، زیر حد ولتاژ (۵/۲ ولت) خواهد بود. انرژی ذخیره شده در این قطعات در سطح ماکزیمم خود قرار نخواهد داشت.

بنا به همین دلایل نیاز به تعادل ولتاژ می‌باشد که به صورت پاسخ به دو معیار اصلی تعریف شده است:

. راندمان بالا 

. دینامیک خوب تعادل ولتاژ 

پروژه قطار تراموا

یک حوزه کاربردی ممکن ابرخازن‌ها، حوزه حمل ونقل عمومی است. بنا به دلایل محیطی، راه حل اتوبوس‌های برقی را همین قرار دادند. برای اجتناب از استفاده Catenary ها در تغذیه‌شان، راه حل ممکن، استفاده از ابرخازن است.

مقدار انرژی کل مورد نیاز تعیین کننده تعداد ابرخازن‌های لازم در اتوبوس، برای انتقال از ایستگاه اول به ایستگاه آخر است. تصور این نکته، راحت است که این تعداد برای یک اتوبوس زیاد است که همچنین بایستی مبدلهای قدرت لازم که رابط ابرخازنها و تجهیزات الکتریکی اتوبوس است را مدنظر قرار داد. هدف ما بارگذاری سریع انرژی در تانک ابرخازن‌های آنبرد در مواقعی است که اتوبوس در یک ایستگاه وسط قرار دارد. ایده اصلی، گرفتن انرژی از تانک ابرخازن دیگری است که در ایستگاه مذکور برای به حداقل رساندن محدودیتهای توان در شبکه تغذیه قرار گرفته است. بارگذاری ابرخازن‌های آن‌برد به لطف ابرخازن‌های ثابت انجام خواهد شد که مزایای تامین یا ذخیره توان آنی بالای ابرخازن‌ها را در بردارد: آنها به همین منظور طراحی شده‌اند. طی این فرآیند ابرخازن‌های واسطه، از شبکه منبع تغذیه قطع شده‌اند. پالس توان بالای لازم برای بارگذاری سریع ابرخازن‌های آنبرد توسط ابرخازن‌های ثابت و نه شبکه توان تأمین شده است.

…

ابزار شبیه سازی مدارات قدرت

فیلتراکتیو

حوزه تحقیقاتی دیگر مربوط به استفاده از سیمپلورر، بررسی یک فیلتراکتیو است. کمک این کار در تعریف توپولوژی‌های جدید این وسیله نبود بلکه بررسی روشی است که با آن ابزار معمول پردازش سیگنال می‌تواند برای مدیریت انرژی استفاده شوند.

…

مبدل قدرت برای ارتباط یک سلول سوخت

فعالیت‌های تحقیقاتی زیادی عملا برای بررسی سلولهای سوخت به عنوان منابع انرژی صورت گرفته‌اند. دو برنامه اصلی مرتبط با این موضوع عبارتند از:

• سلولهای سوخت خودروی برقی

• سلولهای سوخت برای توزیع انرژی در شبکه قدرت

کاربرد نشان داده شده در اینجا بستگی به موضوع دوم دارد. راه حل معمول ارتباط یک سلول سوخت با یک شبکه AC، استفاده از مجموعه مبدلهای قدرت همچون مبدل بوستر (تقویتی) و یک اینورتر ولتاژ است. عیب این راه حل این است که راندمان کلی، نتیجه راندمان هر مبدل بوده و می‌تواند پایین باشد.

برای حل این مسئله، ما در حال بررسی راه حل دیگر جهت ارتباط سلول سوخت با یک مبدل قدرت مستقیم واحد می‌باشیم. این مبدل در شکل ۹ نشان داده شده است. توپولوژی آن، توپولوژی معمول یک مبدل DC/AC مستقیم است. اما به جای استفاده از تریستورهای کلاسیک، اکنون امکان استفاده از IGBT به همراه دیودهای سری وجود دارد.

…

سیکلو کانورتر فرکانس بالای جابجا شده نرم در آرایش چند سطحی

استفاده از تجهیزات الکتریکی در راه‌آهن و کاربردهای دریایی اغلب به دلیل وزن و حجم محدود شده است. این نقیصه به دلیل استفاده از ترانسفورماتورهای فرکانس پایین است. هدف این بررسی در حل مسئله استفاده از ترانسفورماتورهای فرکانس متوسط، مربوط به مبدلهای قدرت کاربردی در سوئیچینگ نرم برای کاهش تلفات کموتاسیون است.

…

ابزار شبیه سازی مدارات قدرت

پروژه‌های GETOC

در یک روش مرسوم، هر بررسی با محاسبات تئوری شروع می‌شود. سپس شبیه‌سازی‌ها به عنوان اولین تأثیر کار انجام می‌شوند. ابزار شبیه‌سازی نیز جهت بررسی تکمیلی استفاده شده‌اند. سپس نمونه اولیه‌ای برای تأثیر تجربی طراحی شده  است.

اکثر نمونه‌های اولیه‌ای که در آزمایشگاه ما ساخته شده‌اند توسط برد DSP و بویژه با برد DAVID تحریک شده‌اند که توسط یک شرکتی از LEI توسعه یافته بود. نتیجه کار این است که یک قاعده کنترل برنامه‌ای خاص، دوبار پیاده می‌شود: اولین بار در ابزار شبیه‌سازی و بار دوم در برد DSP .

…

روش و ابزار تدریس مدارات الکترونیک قدرت

محتوا

همانند لابراتورهای تحقیقاتی در EPFL، هدف دیگر، تدریس مدارات الکترونیک قدرت به دانشجویان است. یکی از انتقادات مشخص شده،  با اساس الکترونیک قدرت سروکار داشته و براساس روش سیماتیک برای فراهم نمودن کلیدهای مهم و طراحی قبل از تعریف توپولوژی‌های اصلی مدارات الکترونیک قدرت برای دانشجویان می‌باشد. این روش براساس کارهای پروفسور فوچ کریو است.

…

ابزار شبیه سازی مدارات قدرت

نتایج

ما در این مقاله پروژه‌های اصلی که سمپلورر از آنها برای تحقیق و تدریس استفاده نموده را نشان دادیم. در حقیقت این فهرست نمونه کارها، غیر جامع است. اما سمپلورر، به نظر ابزار خیلی مفیدی می‌رسد که برای بررسی مبدل‌های قدرت تخصیص یافته است.

آنچه ارزشمند است استفاده اول راحت از این نرم افزار است، بویژه برای دانشجویانی که وقت کمی برای تمرین دارند.

مرور برخی از کاربردهای ممکن سمپلورر بدون نظرها و تقاضاها غیر ممکن است . یک نظریه کلی ارائه شده توسط دستیاران LEI این است که سمپلورر در هر نگارش جدید خود سنگین‌تر و سنگین‌تر شده مخصوصا از بعد سایز فایلهای ایجاد شده. این ویژگی بایستی اجتناب شده باشد.

با حفظ سادگی واقعی سمپلورر و با تصفیه رابطهای گرافیکی بهره‌برداری از نتایج، سمپلورر بایستی برای شبیه‌سازی مدارات الکترونیک قدرت شده و بماند.

ابزار شبیه سازی مدارات قدرت