یکسوساز سه فاز - بخش اول

سرویس آموزش و آزمون برق نیوز، یکسوسازی، عملی است که در آن، یک منبع ولتاژ AC سینوسی با استفاده از دیودها، تریستورها، ترانزیستور‌ها یا مبدل‌ها به یک منبع ولتاژ DC یا جریان مستقیم تبدیل می‌شود. این فرایند یکسوسازی را می‌توان با یکسوساز‌های مختلف نیم موج، تمام موج، کنترل نشده و کاملاً کنترل شده برای تبدیل منابع تکفاز و سه فاز به یک سطح DC ثابت انجام داد. در این آموزش، درباره یکسوساز سه فاز بحث می‌کنیم.

یکسوسازی، یکی از کاربرد‌های محبوب دیود‌ها است. دیود‌ها ارزان، کوچک و مقاوم هستند و با استفاده از آن‌ها می‌توان انواع مدار‌های یکسوکننده را ساخت. منابع تکفاز، مانند آن‌هایی که در خانه‌ها با ولتاژ‌های ۱۲۰Vrmsیا ۲۴۰Vrmsفاز به نول یا خط به نول (L-N) در دسترس هستند و ولتاژ و فرکانس ثابتی دارند، ولتاژ یا جریان‌های سینوسی تولید می‌کنند که به طور خلاصه آن را AC می‌نامند.

مدار‌های یکسوساز سه فاز یا چند فاز، مشابه مدار‌های یکسوساز تکفاز هستند؛ با این تفاوت که در حالت سه فاز، سه منبع تکفاز داریم که با یکدیگر یک منبع سه فاز را می‌سازند. از یکسوساز‌های سه فاز در بسیاری از کاربرد‌های صنعتی، مانند کنترل موتور، شارژ باتری و… استفاده می‌شود که توان بالاتری نسبت به مدار‌های یکسوساز تکفاز دارد. منابع سه فاز، از ترکیب ولتاژ‌های AC تکفاز با دامنه و فرکانس مشابه ساخته شده‌اند که هر یک از این ولتاژ‌های AC تکفاز، «فاز» نامیده می‌شود. این سه فاز مختلف، به اندازه ۱۲۰درجه الکتریکی نسبت به هم اختلاف فاز دارند و یک دنباله فاز یا چرخش فاز ۳۶۰∘/۳=۱۲۰∘را ایجاد می‌کنند که در شکل زیر نشان داده شده است.

شکل موج سه فاز

یکی از مزایای منبع سه فاز AC، این است که توان الکتریکی را مستقیماً برای بار‌های متعادل و یکسوکننده‌ها مهیا می‌کند. از آنجایی که دامنه ولتاژ و فرکانس یک منبع سه فاز ثابت است، می‌توان از آن برای تولید یک ولتاژ DC یکسو استفاده کرد. این ولتاژ DC در مقایسه با یک ولتاژ DC یکسو شده از منبع تکفاز، ریپل کمتری دارد.

یکسوساز سه فاز نیم موج

گفتیم که یک منبع سه فاز، ترکیبی از سه منبع تکفاز است و با استفاده از این ویژگی می‌توانیم مدار‌های یکسوساز سه فاز را بسازیم. مشابه یکسوسازی تکفاز، در یکسوسازی سه فاز نیز از دیود، تریستور یا مبدل برای برای ساخت مدار‌های یکسوکننده نیم موج، تمام موج، کنترل نشده و کاملاً کنترل شده استفاده می‌شود. در اغلب کاربردها، یکسوساز سه فاز مستقیماً از شبکه اصلی یا یک ترانسفورماتور سه فاز (در صورت نیاز به سطح ولتاژ متفاوت) تغذیه می‌شود.

مشابه یکسوساز‌های تکفاز، پایه‌ای‌ترین مدار یکسوساز سه فاز، یک مدار یکسوساز نیم موج کنترل نشده است که از سه دیود نیمه‌هادی (یک دیود برای هر فاز) بهره می‌گیرد. شکل زیر، این مدار را نشان می‌دهد.

یکسوسازی سه فاز نیم موج.

اما یکسوساز شکل بالا چگونه کار می‌کند؟ همان‌طور که می‌بینیم، آند هر دیود به هر فاز منبع ولتاژ متصل است. کاتد هر سه دیود نیز به یکدیگر و نیز سر مثبت بار متصل هستند.

فرض می‌کنیم ترتیب فاز‌ها به صورت قرمز-زرد-آبی (VA–VB–VC) بوده و فاز قرمز (VA) از ۰∘ آغاز می‌شود. دیودی که قبل از همه هدایت می‌کند، دیود ۱ (D۱) است، زیرا در آند، ولتاژ مثبت بزرگتری نسبت به دو دیود دیگر D۲ یا D۳ دارد. بنابراین، دیود D۱ در نیم دوره‌های مثبت VA هدایت می‌کند؛ در حالی که D۲ و D۳بایاس معکوس هستند. سیم نول، یک مسیر برای بازگشت جریان بار به منبع ایجاد می‌کند.

بعد از ۱۲۰درجه الکتریکی، دیود ۲ (D۲) برای نیم سیکل مثبت VB (فاز زرد) شروع به هدایت می‌کند. در این حالت، آند دیود D۲، نسبت به آند دیود‌های D۱ و D۳ مثبت‌تر است و به دلیل بایاس معکوس، این دو دیود خاموش هستند. به طور مشابه، ۱۲۰∘ بعد، VC (فاز آبی) دیود ۳ (D۳) را روشن می‌کند. در این حالت D۱ و D۲خاموش هستند.

شکل زیر، نحوه یکسوسازی توسط سه دیود D۱، D۲ و D۳را نشان می‌دهد.

شکل موج هدایت یکسوساز سه فاز نیم موج

همان‌طور که از شکل بالا مشخص است، هر دیود به اندازه یک سوم هر دوره، جریان را هدایت می‌کند و فرکانس جریان خروجی، سه برابر فرکانس منبع AC است. بنابراین، در هر تناوب، سه پیک ولتاژ وجود دارد. در نتیجه، با افزایش تعداد فاز‌های منبع از یک فاز به سه فاز، یکسوسازی منبع بهبود می‌یابد و ولتاژ DC خروجی نرم‌تر خواهد بود.

برای یک یکسوساز نیم موج سه فاز، منابع ولتاژ VA، VB و VC با اختلاف فاز ۱۲۰∘متعادل هستند:



بنابراین، مقدار DC میانگین شکل موج ولتاژ خروجی یک یکسوساز نیم موج سه فاز برابر است با:



از آنجایی که ولتاژ پیک منابع ولتاژ، VP، برابر با ۱.۴۱۴×VRMS است، رابطه VRMS=۰.۷۰۷×VPرا داریم. بنابراین، ولتاژ خروجی DC میانگین یکسوکننده را می‌توان بر حسب مقدار مؤثر (RMS) ولتاژ فاز بیان کرد:



مثال ۱

یک ترانسفورماتور سه فاز ۱۲۰VAC، به یک یکسوساز سه فاز متشکل از سه دیود مجزا متصل شده است. اگر بخواهیم توان مورد نیاز باری با امپدانس ۵۰Ωرا تأمین کنیم، موارد زیر را به دست آورید (فرض کنید دیود‌ها ایده‌آل هستند):‌

(الف) خروجی ولتاژ DC میانگین بار
(ب) جریان بار
(ج) جریان میانگین هر دیود.

حل (الف): ولتاژ بار DC میانگین برابر است با:



توجه کنید که اگر مقدار پیک ولتاژ (VP) را در اختیار داشتیم، می‌توانستیم VDCرا به صورت زیر محاسبه کنیم:



حل (ب): جریان بار DC برابر است با:



حل (ج): جریان میانگین هر دیود نیز به صورت زیر به دست می‌آید:



یکی از معایب یکسوسازی سه فاز نیم موج این است که به یک منبع تغذیه چهار سیمه شامل سه فاز و یک نول نیاز دارد. همچنین، ولتاژ خروجی DC میانگین آن کم است (همان‌طور که دیدیم، مقدار آن ۰.۸۲۷VPاست). دلیل کم بودن این مقدار این است که فرکانس خروجیِ دارای ریپل، سه برابر فرکانس ورودی است. البته با افزودن سه دیود دیگر به مدار یکسوساز پایه و تشکیل یک یکسوساز پل کنترل نشده تمام موج، می‌توانیم این معایب را بهبود دهیم.

 

ادامه این مقاله را می توانید در یکسوساز سه فاز - بخش دوم مطالعه نمایید.

 

منبع: فرادرس