سیکلوکانورتر و اصول کاری آن

سرویس آموزش و آزمون برق نیوز، منابع تغذیه در انواع مختلفی دسته‌بندی می‌شوند که یکی از این دسته‌بندی‌ها به دو نوع منبع توان AC و منبع توان DC است. همان‌طور که می‌دانیم، در نیروگاه‌ها توان AC تولید می‌شود و به دست ما می‌رسد. از آنجایی که از نظر اقتصادی تولید توان AC به صرفه است، از خطوط انتقال AC استفاده می‌کنیم و به همین دلیل، اغلب مشین‌ها/دستگاه‌ها با توان AC کار می‌کنند. اما ولتاژ و فرکانس استانداردی که از نیروگاه‌ها می‌آید، ممکن است به اندازه کافی برای کار کردن ماشین‌های صنعتی مناسب نباشد. در چنین مواقعی، از مبدل‌ها و اینورتر‌ها برای تبدیل شکلی از توان به شکلی دیگر با ولتاژ، جریان و فرکانس متفاوت استفاده می‌کنیم. سیکلوکانورتر (Cycloconverter) یکی از مبدل‌هایی است که توان AC با فرکانس مشخصی را به توان AC با فرکانس قابل تنظیم تبدیل می‌کند. در این آموزش، با سیکلوکانورتر‌ها آشنا می‌شویم.

سیکلوکانورتر چیست؟

سیکلوکانروتر (CCV) یک شکل موج AC با ولتاژ و فرکانس ثابت را به شکل موج AC دیگری با فرکانس پایین‌تر یا بالاتر تبدیل می‌کند. سیکلوکانورتر این کار را با تجزیه شکل موج خروجی منبع تغذیه بدون لینک DC میانی انجام می‌دهد.

یک ویژگی کاربردی سیکلوکانورتر‌ها این است که از لینک DC در فرایند تبدیل استفاده نمی‌کنند و به همین دلیل، بازده بالایی دارند. تبدیل با استفاده از کلید‌های الکترونیک قدرت، مانند تریستور‌ها و سوئیچینگ آن‌ها با یک روال منطقی انجام می‌شود. این تریستور‌ها معمولاً به دو مجموعه جدا می‌شوند: مجموعه مثبت و مجموعه منفی. هر مجموعه برای هدایت بخشی از شکل موج AC مورد استفاده قرار می‌گیرد. بنابراین، شارش توان دوطرفه خواهد بود. می‌توانیم سیکلو کانورتر را به عنوان یک جعبه سیاه در نظر بگیریم که توان AC با ولتاژ و فرکانس ثابت وارد آن می‌شود و خروجی آن، توان AC با ولتاژ و فرکانس متغیر خواهد بود.


چرا به سیکلوکانورتر‌ها نیاز داریم؟

اکنون می‌دانیم که سیکلوکانورتر‌ها توان AC با فرکانس ثابت را به توان AC با ولتاژ و فرکانس متغیر تبدیل می‌کنند. اما چرا به سیکلوکانورتر‌ها نیاز داریم؟ مزیت داشتن توان AC با فرکانس متغیر چیست؟

پاسخ این پرسش کنترل سرعت است. سیکلوکانورتر‌ها کاربرد وسیعی در کنترل موتور‌های بزرگ، مانند نورد، آسیاب گلوله‌ای و… دارند. فرکانس خروجی یک سیکلوکانورتر را می‌توان به صفر کاهش داد که به راه‌اندازی موتور‌های بسیار بزرگ با بار کامل در حداقل سرعت و افزایش تدریجی سرعت با افزایش فرکانس خروجی کمک می‌کند. قبل از اختراع سیکلوکانورترها، موتور‌های بزرگ باید کاملاً بدون بار شده و پس از آن شروع به کار می‌کردند و در ادامه بار آن‌ها به تدریج افزایش می‌یافت. این کار توان و زمان زیادی را هدر می‌داد.

انواع سیکلوکانورتر‌ها

براساس فرکانس خروجی و تعداد فاز‌ها در منبع توان AC، سیکلوکانورتر‌ها را می‌توان به صورت زیر دسته‌بندی کرد:

سیکلوکانورتر‌های افزاینده
سیکلوکانورتر‌های کاهنده
سیکلوکانورتر تکفاز به تکفاز
سیکلوکانورتر سه‌فاز به تکفاز
سیکلوکانورتر سه‌فاز به سه‌فاز

سیکلوکانورتر‌های افزاینده

سیکلوکانورتر‌های افزاینده، همان‌طور که از نامشان پیداست، فرکانسی بزرگ‌تر از فرکانسی ووردی تولید می‌کنند. اما این نوع سیکلوکانورتر استفاده گسترده‌ای ندارد. در اغلب موارد به فرکانس کمتر از ۵۰ هرتز نیاز است. همچنین، سیکلوکانورتر‌های افزاینده به کموتاسیون اجباری نیاز دارند که که خود، پیچیدگی مدار را افزایش می‌دهد.

سیکلوکانورتر‌های کاهنده

سیکلوکانورتر‌های کاهنده، همان‌طور که احتمالاً حدس زده‌اید، خروجی با فرکانس کمتر از ورودی تولید می‌کنند. این نوع سیکلوکانورتر‌ها کاربرد فراوانی دارند و با کمک کموتاسیون طبیعی کار می‌کنند. بنابراین، به نسبت، ساخت آن‌ها آسان‌تر بوده و عملکرد ساده‌ای نیز دارند. سیکلوکانورتر کاهنده، خود به سه نوع تقسیم می‌شود که در ادامه آن‌ها را معرفی می‌کنیم.

اصول کار سیکلوکانورتر‌ها

هرچند سه نوع مختلف سیکلوکانورتر وجود دارد، اما عملکرد آن‌ها بسیار به هم شبیه است، جز در تعداد کلید‌های الکترونیک قدرت آن‌ها در مدار. برای مثال، در یک سیکلوکانورتر تکفاز به تکفاز، تنها ۶ کلید الکترونیک قدرت (تریستور) درایم، در حالی که در یک CCV سه فاز، ممکن است ۳۲ کلید به کار رود.



ساده‌ترین سیکلوکانورتر در شکل بالا نشان داده شده است. این CCV در هر سمت بار، یک مدار سوئیچینگ دارد که یکی از آن‌ها در نیم سیکل مثبت منبع توان AC و دیگری در نیم سیکل منفی آن عمل می‌کند. معمولاً مدار سوئیچینگ با SCR به عنوان کلید الکترونیک قدرت نمایش داده می‌شود، اما در سیکلوکانورتر‌های مدرن، می‌توان مدار‌هایی را پیدا کرد که به جای SCR، در آن‌ها IGBT و گاهی MOSFET به کار رفته است.

مدار‌های سوئیچینگ به مدار کنترل نیاز دارند که فرمان خاموش و روشن کردن کلید‌ها را صادر می‌کند. این مدار کنترل، معمولاً یک میکروکنترلر است و ممکن است دارای فیدبک از خروجی به شکل یک سیستم حلقه بسته باشد. کاربر می‌تواند مقدار فرکانس خروجی را با تنظیم پارامتر‌های مدارِ کنترل، مدیریت کند. دیود‌های مدار بالا برای هدایت جهت جریان به کار می‌روند. مدار سوئیچینگ مثبت همواره جریان را به سمت بار تأمین می‌کند و مدار سوئیچینگ منفی همیشه جریان بار را دریافت می‌کند.

سیکلوکانورتر‌های تکفاز به تکفاز

سیکلو کانورتر تکفاز به تکفاز به ندرت مورد استفاده قرار می‌گیرد، اما برای درک عملکرد یک CCV، ابتدا مدار این نوع سیکلوکانورتر مورد بررسی قرار می‌گیرد تا درک عملکرد سیکلوکانورتر سه فاز ساده‌تر شود. مدار سیکلوکانورتر تکفاز به تکفاز دو مدار یکسوساز تمام موج دارد که هرکدام، شامل چهار SCR است. همان‌طور که در شکل زیر مشخص است، یک مجموعه از این کلید‌ها در جهت مستقیم و مجموعه دیگر، در جهت موازی معکوس قرار گرفته است.



همه ترمینال‌های گیت SCR ها، به مدار کنترل متصل می‌شوند که در شکل بالا نشان داده نشده است. این مدار کنترل SCR‌ها را تریگر می‌کند. برای درک عملکرد مدار، فرض کنید منبع ورودی با فرکانس ۵۰ هرتز و بار مقاومتی خالص بوده و زاویه آتش تریستور (α) برابر با صفر درجه باشد. از آنجایی که زاویه آتش در صفر درجه قرار دارد، وقتی تریستور روشن شود، مانند یک دیود در جهت مستقیم عمل کرده و وقتی خاموش شود، مانند یک دیود مخالف عبور جریان است. حال، شکل موج زیر را برای درک چگونگی کاهش فرکانس توسط سیکلوکانورتر تحلیل می‌کنیم.



شکل موج ولتاژ منبع با Vs نشان داده شده و شکل موج ولتاژ خروجی با Vo مشخص شده است. در اینجا، می‌خواهیم فرکانس ولتاژ منبع را به یک‌چهارم مقدار آن کاهش دهیم. بدین منظور، ابتدا برای دو سیکل اول ولتاژ منبع، از یکسوساز پل مثبت استفاده می‌کنیم و برای دو سیکل بعدی از یکسوساز پل منفی. بنابراین، همان‌طور که در شکل موج خروجی Vo نشان داده شده است، چهار پالس مثبت در ناحیه مثبت، و چهار پالس منفی در ناحیه منفی داریم. شکل موج جریان این مدار مشابه شکل موج ولتاژ است، زیرا بار را مقاومتی خالص فرض کرده‌ایم. هرچند، اندازه شکل موج، براساس مقدار مقاومت بار تغییر خواهد کرد.

در شکل بالا، به ازای فرکانس ورودی ۵۰ هرتز، فرکانس خروجی یک‌چهارم ۵۰ هرتز، یعنی ۱۲٫۵ هرتز خواهد بود. این فرکانس خروجی را می‌توان با تغییر ساز و کار تریگر کردن مدار کنترل مدیریت کرد.

سیکلوکانورتر‌های سه فاز به تکفاز

سیکلوکانورتر سه‌فاز به تکفاز نیز شبیه سیکلوکانورتر تکفاز به تکفاز است، اما در اینجا ولتاژ ورودی یک منبع سه‌فاز و ولتاژ خروجی یک منبع تکفاز با فرکانس متغیر است. مدار این CCV بسیار شبیه به مدار قبل است، با این تفاوت که به ۶ تریستور در هر مجموعه یکسوساز نیاز داریم، زیرا باید ولتاژ AC سه‌فاز را یکسو کنیم.



مانند مدار قبل، ترمینال‌های گیت SCR به منظور تریگر کردن به مدار کنترل متصل می‌شوند و فرضیات مشابهی را در نظر می‌گیریم تا درک عملکرد مدار ساده‌تر شود. همچنین، دو نوع سیکلوکانورتر سه فاز به تکفاز وجود دارد: نوع اول یک یکسوساز نیم‌موج برای هر دو پل مثبت و منفی دارد و نوع دوم دارای یک یکسوساز تمام‌موج است. نوع اول اغلب مورد استفاده قرار نمی‌گیرد، زیرا بازدهی کمی دارد. همچنین، در یک منبع جریان فقط در جهت مثبت جریان را تولید می‌کند و مبدل در جهت منفی آن را می‌کِشد. در نتیجه، سیکلوکانورتر در چهار ربع کار می‌کند. این چهار ربع (V, +i+) و (V, -i-) در مد یکسوسازی و (V, -i+) و (V, -i-) در مد معکوس هستند.

سیکلوکانورتر‌های سه فاز به سه فاز

سیکلوکانورتر‌های سه فاز به سه فاز کاربرد‌های زیادی دارند، زیرا می‌توانند بار‌های سه‌فاز، مانند موتور‌ها را مستقیماً هدایت کنند. بار یک CCV سه‌فاز، معمولاً یک بار با اتصال ستاره، مانند سیم‌پیچی استاتور یک موتور است. این مبدل‌ها ولتاژ AC سه‌فاز با فرکانس ثابت را به عنوان ورودی می‌گیرند و ولتاژ AC سه‌فاز با فرکانس متغیر در خروجی تحویل می‌دهند.

دو نوع CCV سه‌فاز وجود دارد: یکی مبدل نیم‌موج دارد و دیگری دارای مبدل تمام‌موج است. سیکلوکانورتر مبدل نیم‌موج، سیکلو کانورتر شش پالسه یا سیکلوکانورتر ۳۶ تریستوره نامیده می‌شود. یک سیکلوکانورتر سه‌فاز در شکل زیر نشان داده شده است.



در اینجا شش مجموعه یکسوساز وجود دارد که دو تا از آن‌ها در هر فاز واقع شده است. عملکرد این سیکلوکانورتر مشابه سیکلوکانورتر تکفاز است، با این تفاوت که در اینجا یکسوساز‌ها فقط می‌توانند نصف موج را یکسو کنند و مورد مشابه برای برای همه سه فاز رخ می‌دهد.

کاربرد سیکلوکانورتر‌ها

سیکلوکانورتر‌ها کاربرد‌های صنعتی بسیاری دارند که برخی از آن‌ها عبارتند از:

دستگاه آسیاب
ماشین آلات بزرگ شست‌وشو
خطوط قدرت HVDC
منبع تغذیه هواپیما
ژنراتور‌های وار استاتیک (SVG)
سیستم پیشرانه کشتی