معرفی شارژرها:
در بیشتر مجموعه های تجاری و صنعتی، برق DC (یکسویه) دارای کاربردهای مختلفی از جمله تامین برق DC پایدار برای Sub-Station ها، سیستم های مخابراتی و سیستم های کنترل و ابزار دقیق و ... است. جهت تامین برق DC مورد نیاز این سیستم ها از تجهیزی به نام "یکسوکننده" استفاده می گردد که وظیفه آن تبدیل برق متناوب شهری به برق DC است. بدیهی است جهت تامین برق DC این سیستم ها در زمان قطع و یا وجود اختلال در برق شهر از انواع مختلف باتری نیز استفاده میشود تا عملکرد این سیستم ها با خلل و مشکل مواجه نگردد، بنابراین یکسوکننده ها علاوه بر تامین برق DC مورد نیاز تجهیزات وظیفه شارژ باتری های متصله را نیز بعهده خواهد داشت که به همین دلیل از این تجهیز با نام "شارژر" نیز یاد می شود. یکسوکننده ها (شارژرها) بنا به درخواست و مشخصات فنی مورد نظر کارفرمایان در مدلهای مختلف تریستوری و سوئیچینگ قابل طراحی و عرضه می باشند. بطور معمول یکسوکننده های مورد استفاده در صنایع بالادستی از جمله نفت و گاز و پتروشیمی، صنایع مس، صنایع فولاد و ... از نوع تریستوری و یکسوکننده های مورد استفاده در سیستم های مخابراتی از نوع سوئیچینگ هستند، گرچه امروزه یکسوکننده های سوئیچینگ با کیفیت و ضریب اطمینان بسیار بالا نیز وجود دارند که در صنایع نفت و گاز و پتروشیمی استفاده می شوند. همچنین در برخی کاربردها نیاز به تبدیل برق DC از یک سطح ولتاژ به سطح ولتاژ دیگر و یا از DC به برق متناوب بوجود می آید که به این تجهیزات اصطلاحا مبدل (Converter or Inverter) می گویند. ارائه مشاوره، طراحی و تولید این یکسوکننده ها (شارژرها) و مبدل ها نیازمند تخصص فنی بالا و درک نیاز کارفرمایان بوده و می بایست توسط متخصصین حرفه ای انجام شود. شرکت آرکا شبکه به واسطه حضور کادر فنی کارآمد و بسیار قوی در زمینه انواع یکسوکننده ها (شارژرها) و مبدل های صنعتی، قادر به ارائه خدمات مشاوره، طراحی و اجرای پروژهها در سطح کشور بوده و آمادگی خود را جهت ارائه خدمات ارزنده در این خصوص حضور کارفرمایان محترم اعلام می دارد.
انواع شارژرها:
شارژرهای سوئیچینگ (Switch Mode Rectifiers)
شارژرهای تریستوری (SCR Type Rectifiers)
مبدل های برق مستقیم به مستقیم (DC/DC Inverters)
مبدل های برق مستقیم به متناوب (DC/AC Inverters)
واحد یکسوساز Rectifier:
واحد یکسوساز عبارتست از مبدل سیگنال متناوب به سیگنال مستقیم. در اغلب دستگاههای الکترونیکی که از طریق برق شهر تغذیه می شوند در ابتدا برق شهر به ولتاژ DC تبدیل می شود.
بررسی رکتیفایرهای دیودی-تریستوری:
استفاده از پل دیودی ساده ترین روش برای یکسوسازی می باشد.
تریستور:
برای تنظیم و کنترل ولتاژ به جای دیود از تریستور و یا ترکیبی از دیود و تریستور استفاده می شود.
نام گذاری این رکتیفایر با توجه به ترکیب و تعداد تریستورهای این مدارات انجام می شود. رکتیفایر شش تریستوری متداول معمولا << شش پالس >> و رکتیفایر 12 تریستوری را 12 پالس نام گذاری می کنند.
وجود خازن در خروجی این رکتیفایرها باعث ایجاد جریان غیر خطی در تغذیه ورودی این رکتیفایر می گردد. به عبارت دیگر رکتیفایر تریستوری یک بار غیر خطی می باشد که باعث ایجاد هارمونیک جریان می شود.
استفاده از دیود و خازن و شارژ لحظه ای خازن باعث ایجاد جریان لحظه ای می گردد. پیک جریان در این مواقع چندین برابر بار اهمی معادل خواهد بود. این جریان معمولا باعث مشکلاتی در شبکه برق و تجهیزات آن می گردد. این نوع جریانها باعث افزایش فشار به شبکه های انتقال و سوییچهای مسیر می شود.
این جریان غیر خطی ضمن پایین آوردن راندمان در این نوع رکتیفایرها باعث کاهش ضریب قدرت Power Factor در ورودی دستگاه ها از جمله UPS می گردد.
این ضریب در بهترین حالت بیشتر از 0.8 در UPSها با رکتیفایر تریستوری، خواهد شد.
در صورتیکه از یکسوساز 12 تریستوری استفاده شود ضریب توان حدود 0.9 خواهد شد. برای افزایش ضریب توان از فیلترهای پسیو نیز می توان استفاده کرد. این فیلترهای سلفی خازنی معمولا سنگین و جاگیر است و باعث افزایش وزن و قیمت دستگله می گردد.
غیر خطی شدن جریان در ورودی باعث افزایش هارمونیک های فرکانس بالا در شکل موج جریان می شود. این هارمونیک ها خود باعث اعوجاج در شکل ولتاژ، تلفات در شبکه، ترانس ها، موتورها و تمامی هادی های حامل جریان می گردد.
THD جریان ورودی یکسوساز شش پالی معمولا 25% می باشد که با کاهش بار یا افزایش ولتاژ ورودی شبکه، افزایش نیز می یابد. این ضریب اعوجاج هارمونیک در رکتیفایرهای 12 پالس به 8% می رسد.
افزایش دامنه هارمونیک ها باعث افزایش جریان خازن ها، تلفات در ترانسفورمرها، موتورها، هادی ها و اختلال در عملکرد سیستم های کنترل، حفاظتی و ارتباطی می گردند. هارمونیک های ایجاد شده توسط بارهای غیرخطی می توانند بر روی بارهای مرتبط در محل اتصال تاثیر زیادی بگذارند. تاثیر اصلی هارمونیک های ولتاژ به صورت زیر طبقه بندی می گردد (گرم شدن اضافی ماشین ها و کابل های برق، خرابی بانک های خازنی، اثرات هارمونیک های جریان را می توان به صورت زیر طبقه بندی نمود):
ایجاد تداخل در سیستم های مخابراتی که میزان تداخلات بستگی به مسیر و اندازه هارمونیک ها دارد. ایجاد تلفات اضافی در ترانس ها و ماشین های الکتریکی، افزایش تلفات در خطوط انتقال از موارد دیگر تاثیر هارمونیک ها در وسائل اندازه گیری می باشد. همچنین هارمونیک ها باعث عملکرد نامناسب رله ها، کلیدها، فیوزها و سیستم های فرمان از راه دور می گردند.
در یک نتیجه گیری کلی می توان اثرات هارمونیک ها را به چهار دسته اصلی تقسیم نمود:
1. اثرات بر عایق های تجهیزات
2. اثرات گرمایی بر تجهیزات
3. عملکرد نامناسب تجهیزات شبکه قدرت
4. تاثیر روی مدارهای ارتباطی
از مزایای این رکتیفایرها دوام و سختی کار بیشتر (Heavy Duty) ذکر می گردد که در دستگاههای صنعتی کاربرد بیشتری دارد.
بررسی رکتیفایرهای سوئیچینگ مبتنی بر IGBT:
استفاده از پالس های فرکانس بالا برای یکسوسازها باعث کم شدن حجم مدارها و کم شدن تلفات حرارتی و بالا رفتن راندمان خواهد شد. این ویژگی باعث بوجود آمدن تغذیه های سوئیچینگ شده است.
برای ساخت تغذیه های سوئیچینگ از توپولوژی های (همبندی) مختلف برای تولید DC به یا AC استفاده می شود.
یکی از این مدارها استفاده از مدار سلف و دیود برای افزایش ولتاژ می باشد.
استفاده از مدارهای سوئیچینگ برای رکتیفایر در دستگاههای جدید استفاده زیادی پیدا کرده است. از مدارهای BOOST UP به شکل زیر برای ایجاد ولتاژ DC استفاده می گردد.
در مدار فوق سوئیچ Q به گونه ای تحریک خواهد شد که ضمن ایجاد ولتاژ ثابت DC، در خروجی شکل موج جریان کشیده شده از منبع ورودی شبیه شکل ولتاژ این منبع می گردد. استفاده از این مدار در ورودی رکتیفایرها مشکلاتی ناشی از غیرخطی بودن جریان را برطرف می کند. در فرکانس های بالا برای کلیدزنی می توان از یک ترانزیستور بای پلار جهت کنترل سطح ولتاژ DC استفاده کرد. با بالا رفتن فرکانس ترانزیستور دیگر خطی عمل نمی کند و نویز مخابراتی شدیدی را با توان بالا تولید می کند. به همین سبب در فرکانس کلیدزنی بالا از المان کم مصرف Power MOSFET استفاده می شود. اما با بالا رفتن ولتاژ DC به دلیل محدودیت های این سوئیچ از المان جدیدی بنام IGBT استفاده می شود.
شکل جریان سینوسی در رکتیفایرهایی که از مدار PFC استفاده می کنند باعث عملکرد خطی دستگاه می گردد. این مزیت ضمن برطرف کردن مشکلات رکتیفایرهای تریستوری ولتاژ DC بالاتر از ماکزیمم ولتاژ AC ورودی تولید می کند و ضمن بالاتر بودن راندمان رکتیفایر عملکرد اینورتر متصل به این رکتیفایر را بهتر خواهد کرد.
بررسی رکتیفایر های ترکیب SCR و IGBT:
مدار زیر جهت یکسوسازی برای مدار تکفاز استفاده می شود. برای نیم موج مثبت از تریستور T1 و برای نیم موج منفی از تریستور T2 استفاده می شود. استفاده از تریستور به جای دیود برای یکسوسازی ضمن اینکه امکان قطع و وصل ورودی را جهت حفاظت مدار ایجاد می کند، امکان راه اندازی نرم (Soft Start) را برای دستگاه فراهم می کند. خروجی DC این رکتیفایر دو ولتاژ ثابت مثبت و منفی بر روی باس مثبت و باس منفی ایجاد می کند. این ولتاژ بیشتر از ولتاژ پیک منبع AC خواهد بود. پالس های PWM اعمال شده به IGBTها به گونه ای خواهد بود که جریان منبع AC با شکل موج ولتاژ آن یکسان خواهد بود. عرض پالس PWM تابعی از ولتاژ DC باس، لتاژ منبع AC و فیدبک جریان منبع AC می باشد. در این مدار مجموع جریان دو عدد CT برابر جریان منبع تغذیه، در هر نیم سیکل خواهد بود.
برای برق سه فاز از ترکیب سه مدار قبل برای یکسوسازی و مدار PFC استفاده می شود. بجای دو عدد سلف استفاده شده برای نیم سیکل مثبت و منفی در مدار قبلی از یک سلف به صورت مشترک در مسیر ورودی هر فاز، قرار می گیرد. نیم سیکل مثبت هر فاز توسط سه مدار Booster ولتاژ DC مثبت خروجی را می سازد و سه نیم سیکل منفی سه فاز ورودی توسط سه مدار Booster پایینی ولتاژ DC منفی را تولید می کند.
عملکرد این مدار شبیه موازی کردن سه منبع می باشد. این ترکیب همان پل وین می باشد که در اغلب UPSهای پیشرفته کاربرد دارد. سیگنالهای کنترلی این سوئیچ ها توسط میکروکنترل تولید و توسط مدارهای درایو به این سوئیچ ها اعمال می شود.
مزایا و معایب رکتیفایرهای تریستوری و سوئیچینگ:
عموم دستگاههای سوئیچینگ که از طریق منبع سینوسی تغذیه می شوند به دلییل جریان کشی غیر سینوسی بعنوان یک بار غیر خطی محسوب می شوند. این مشخصه باعث فشار زیادتر به منبع تامین کننده انرژی برای این دستگاه ها می گردد. برای مثال چنانچه از ژنراتور برای تغذیه این دستگاهها استفاده شود، نیاز به ژنراتوری با ظرفیت بیشتر خواهد بود. استفاده از رکتیفایرهای سوئیچینگ یا مدار PFC این اشکال را برطرف کرده و دستگاه مانند یک بار اهمی با ضریب قدرت نزدیک 1 خواهد شد.
کاهش دامنه جریان، از بین رفتن هارمونی های اضافه جریان (کم شدن THD) و بالا رفتن راندمان دستگاه از مزایای دیگر این رکتیفایرها می باشد. با توجه به اینکه این ندارها یک نوع مدار Boost Up می باشد. DC خروجی این رکتیفایرها دارای رگولاسیون و دارای ریپل کم نسبت به رکتیفایرهای تریستوری می باشد. تثبیت ولتاژ DC در بازه تغییرات زیاد ورودی از مزایای دیگر این رکتیفایرها می باشند.
واحد اینورتر INVERTER:
عبارتست از مبدل سیگنال مستقیم به سیگنال متناوب. از مهم ترین بخش های UPS نیز به حساب می آید. در این بخش ولتاژ DC تولید شده در واحد یکسوساز و یا باتری با استفاده از روش سوئیچینگ تبدیل به ولتاژ AC می گردد.
شکل سیگنال های AC خروجی اینورتر می تواند متفاوت باشد.
با توجه به شکل سینوسی شبکه برق شهر معمولا شکل سیگنال خروجی اینورتر سینوسی هم فاز و هم فرکانس برق شهر می باشد.
در UPSهای با خروجی سینوسی برای ایجاد شکل سینوسی در خروجی از مدولاسیون های PWM و یا دلتا مدولاسیون استفاده می گردد.
در این روش ها با استفاده از یک سیگنال سینوسی مرجع سیگنال های سوئیچینگ ساخته شده و توسط مدارات درایور به سوئیچ های قدرت اعمال می گردد. برای به حداقل رساندن زمان انتقال بین برق شهر و خروجی اینورتر، سیگنال سینوسی مرجع با سینوسی برق شهر هم زمان و یا سنکرون می گردد. مهمترین بخش یک اینورتر سوئیچ های قدرت می باشد. در دستگاه های جدید برای سوئیچ ولتاژ DC اکثرا از IGBT و گاهی نیز از Power MOSFET استفاده می گردد. برای خنک کردن این قطعات از هیت سینک های آلومینیومی و فن استفاده می گردد. مدارهای کنترل اینورتر شامل قسمت های مختلفی می باشد. درتکنولوژی جدید با استفاده از میکروکنترلرها و یا DSPها کنترل اینورتر بع صورت هوشمند و دقیق انجام می گیرد.
تکنولوژی های رایج اینورتر:
با توجه به نیاز، ترکیب ها و روش های مختلفی برای اینورتر استفاده می شود.
یکی از روش ها برای تبدیل سیگنال AC به DC استفاده یک مدار Push Pull می باشد.
یکی دیگر از روش ها برای تولید سیگنال AC استفاده از مدار نیم پل (Half Bridge) می باشد.
در این مدار با استفاده از دو سوئیچ ولتاژ DC تبدیل به ولتاژ AC می شود.
در شکل زیر توسط مدار پل کامل (Full Bridge) و با چهار وئیچ ولتاژ DC تبدیل به ولتاژ AC می شود. برای اینورتر تک فاز و توان بالا معمولا از این ترکیب استفاده می شود.
برای مدار سه فاز از مدار پل سه فاز برای این ترکیب استفاده می شود.
تکنولوژِی های مبتنی بر استفاده از ترانس و یا بدون ترانس:
در گذشته برای افزایش ولتاژ AC در خروجی اینورتر از ترانس استفاده می شده ست. در تکنولوژی های جدید با استفاده از سوئیچ های قدرتمند IGBT و استفاده از مدارات PFC امکان حذف ترانسورماتور از خروجی اینورتر میسر شده است.
در ترکیبات مدارات اینورتر اغلب با فیلتر کردن پالس های PWM و حذف فرکانس بالای موج سیگنال فرکانس اصلی کاربر را جدا می کنند. بار توسط این سیگنال قدرت که هارمونی اصلی پالس ها PWM می باشد، تغذیه می شود.
دامنه پالس ها PWM برابر ولتاژ DC می باشد. در صورتیکه ولتاژ DC در ورودی اینورتر از دامنه ولتاژ AC خروجی اینورتر کمتر باشد. برای تامین دامنه AC نیاز به افزایش ولتاژ DC و یا تقویت ولتاژ AC خواهیم داشت. برای افزایش ولتاژ DC از مدارات Boost Up که یک کانورتر DC/DC می باشد استفاده می شود. در مواردی نیز افزایش ولتاژ توسط مدار سوئیچینگ PFC در ورودی انجام می شود. در اینورترهای Half Bridge و Full Bridge با افزایش ولتاژ DC می توان در خروجی اینورتر از ترانس استفاده نکرد و صرفا ولتاژ خروجی PWM را توسط مدارات LC فیلتر نمود. با حذف ترانس حجم دستگاه به اندازه قابل ملاحظه ای کاهش می یابد.
در حال حاضر هر دو دستگاه توسط سازندگان تولید و عرضه می شود و با توجه به نیاز مشتری مورد استفاده قرار می گیرد.