دانشگاه آزاد اسلامی
واحد اصفهان
دانشکده فنی و مهندسی
پایان‌نامه کارشناسی ارشد رشته مهندسی برق
گرایش قدرت
عنوان پایان‌نامه:
طراحی ژنراتورها با توجه به نوع توربین گراننده روتور
فهرست مطالب
عنوان صفحه
فصل اول: مقدمه
1-1- مقدمه 2
1-2- پیشینه و سوابق 3
1-3- مروری بر گذشته کنترل سیستم تحریک استاتیک ژنراتور سنکرون 4
1-4- اهداف این پایان نامه 9
1-5- جنبه‌های نوآوری این پایان نامه 10
فصل دوم: مقدمه‌ای بر مبدل باک
2-1- مبدل باک step-down(buck) converter 12
2-2- حالت هدایت پیوسته مبدل باک 15
2-3- ریپل ولتاژ خروجی مبدل باک 17
2-4- مزایا مبدل باک 19
2-5- معایب مبدل باک 19
2-6- مزایای منابع تغذیه سوئیچینگ 19
2-7- معایب منابع تغذیه سوئیچینگ 20
2-8- کنترل مبدل DC-DC باک 20
2-9- بهبود پاسخ حالت دائمی با طراحی کنترل کننده مد لغزشی 21
2-10- توصیف مبدل 21
2-11- مدل سازی مبدل باک 22
2-12- مدل فضای حالت مبدل باک 22
2-13- کنترل مد لغزشی مبدل باک(sliding mode control) 25
2-14- تئوری کنترل لغزشی 25
2-15- طراحی کنترلر مد لغزشی(SMC) 26
2-16- تعیین سطح لغزش 27
2-17- اعمال شرط لغزش 28
2-18- کنترل لغزشی مبدل باک 28
2-19- تعیین قانون کنترل 30
2-20- مزایای کنترل مد لغزشی 31
2-21- معایب کنترل مد لغزشی 32
2-22- نکات 32
فصل سوم: مقدمه‌ای بر ژنراتورها
3-1- ژنراتور قدرت 35
3-2- دسته‌بندی ژنراتورها با توجه به نوع توربین گردنده روتور 35
3-2-1- ژنراتورهای dc 35
3-2-2- ژنراتور القایی 35
3-2-3- ژنراتور سنکرون 36
3-3- ساختمان ژنراتور سنکرون و انواع آن 38
3-4- ساختار ژنراتور سنکرون و مدار سیم‌پیچی 39
3-4-1- معادلات پایه متناسب با dq0 41
3-4-2- معادلات اصلی ریاضی ژنراتور سنکرون 43
3-5- نظریه سیستم تحریک 44
3-5-1- سیستم تحریک چیست؟ 44
3-5-2- اجزای تشکیل دهنده سیستم تحریک 45
3-5-2-1. تولید جریان روتور 45
3-5-2-2. منبع تغذیه 45
3-5-2-3. سیستم تنظیم کننده خودکار ولتاژ (میکروکنترلر) 45
3-5-2-4. مدار دنبال کننده خودکار 46
3-5-2-5. کنترل تحریک 46
3-5-2-6. محدود کننده جریان روتور 46
3-5-2-7. محدود کننده مگاوار 47
3-5-2-8. محدود کننده شار اضافی 47
3-5-2-9. تثبیت‌کننده سیستم قدرت 47
وظایف سیستم تحریک 47
3-6- مدلسازی یکسو ساز تریستوری شش پالسه 48
3-6-1- تریستورو مشخصه استاتیکی آن 48
3-6-2- یکسو ساز شش تریستوری 52
فصل‌چهارم: نتایج حاصل از شبیه‌سازی
4-1- مقدمه 56
4-2- شبیه سازی یکسو ساز شش پالسه تریستوری 56
4-3- شبیه سازی مبدل باک و خواص آن 58
4-3-1- نحوه طراحی مبدل باک 58
4-4- بررسی THD و FFT در ولتاژ ورودی به تحریک ژنراتور 64
4-5- شبیه‌سازی ژنراتور سنکرون 67
4-5-1- معادلات دینامیکی ژنراتور سنکرون 68
4-5-2- بلاک s-function 77
4-5-2-1- مراحل شبیه‌سازی بلاک s-function 77
4-5-2-2- Flagها در s-function 79
4-6- متغیرهای مورد استفاده در سیمولینک 80
فصل پنجم: نتیجه‌گیری و پیشنهاد برای آینده
5-1- نتیجه‌گیری 88
5-2- پیشنهادات برای آینده 89
منابع و مأخذ 90
پیوست‌ها 92
فهرست جداول
عنوان صفحه
جدول (1-1) فهرست علایم و اختصارات شکل (1-1) 6
جدول(4-1) مقادیر پارامترهای مربوط به مبدل باک 61
جدول(4-2): flagهای محیط متنی 79
فهرست شکل‌ها
عنوان صفحه
شکل(1-1) اجزای کنترل اتوماتیک 5
شکل(1-2) بلوک دیاگرام سیستم کنترل دیجیتال 7
شکل (1-3) دیاگرام شماتیک سیستم تحریک استاتیک 8
شکل (1-4) سیستم تحریک استاتیک ژنراتور سنکرون به همراه مبدل باک –بوست 8
شکل (2-1-a) نمایی از یک مبدل 12
شکل (2-1-b) ولتاژ خروجی متوسط 12
شکل (2-2-a) شمایی از تقویت کننده خطی 14
شکل (2-2-b) شکل موج ورودی Voi به فیلتر پایین گذر 14
شکل(2-2-c) مشخصات فیلتر پایین گذر یا میرایی ایجاد شده توسط مقاومت بار R 14
شکل (2-3-a) شکل موج های حالت کار هدایت پیوسته 15
شکل (2- 4) ولتاژهای خروجی برای حالت هدایت پیوسته 18
شکل (2-5) نمای شماتیک مبدل باک 21
شکل (2-6) مدلسازی مبدل در فضای حالت 22
شکل(2-7) مسیرهای سیستم و خط لغزش یک مبدل باک در فضای صفحه فاز 23
شکل 2-8) کنترل مبدل توسط مد لغزشی 24
شکل (2-9) نواحی موجود برای کنترل لغزشی در حالتی که 30
شکل (2-10) نواحی محدود برای کنترل لغزشی در حالتی که 30
شکل (2-11) رسم همزمان مسیرهای فازمعادلات حالت باک 31
شکل (2-12) مسیرفازدرمحدوده خط لغزش 31
شکل (2-13) نمایش گرافیکی کنترل مد لغزشی نشان میدهد که سطح لغزش S=0 که داریم =خطای ولتاژ متغیر
و =ولتاژ خطای دینامیکی نسبی 32
شکل(3-1) شمایی از ژنراتور dc 36
شکل(3-2) شمایی از ژنراتور القایی 37
شکل(3-3) شمایی از ژنراتور سنکرون 37
شکل(3-4) شمایی از ژنراتور سنکرون a)ساختار ژنراتور سنکرون b) دیاگرام سیم‌پیچی مدار 43
شکل(3-5) نمایی از نظریه سیستم تحریک ژنراتور سنکرون 44
شکل(3-6) شمایی از سیستم تحریک 44
شکل(3-7) جایگاه سیستم تحریک در تولید انرژی الکتریکی 49
شکل(3-8) سیستم تحریک در نیروگاه 49
شکل(3-9) ساختمان تریستور 49
شکل(3-10) علامت اختصاری تریستور 50
شکل(3-11) مشخصه تریستور در غیاب جریان گیت 51
شکل (3-12) توزیع بار a) بدون اعمال ولتاژ b) با اعمال ولتاژ 53
شکل (3-13) توزیع بار با اعمال ولتاژ مثبت 54
شکل(4-1): یکسو ساز شش پالسه تریستوری 56
شکل(4-2) ولتاژ خروجی یکسو ساز شش پالسه تریستوری 57
شکل(4-3) ولتاژ خروجی مبدل باک 57
شکل(4-4) ساختار مبدل باک 58
شکل(4-5) رگولاتور مبدل باک 59
شکل(4-6) مدار مبدل باک 59
شکل (4-7) مدار شبیه‌سازی شده مبدل باک 60
شکل(4-8) شبیه‌سازی مبدل باک بدون اعمال مد لغزشی 62
شکل(4-9) ولتاژ خروجی مبدل باک با اعمال مد لغزشی 63
شکل(4-10) حالت زوم شده ولتاژ خروجی مبدل باک با اعمال مد لغزشی 63
شکل(4-11) ولتاژ خروجی مبدل باک بدون اعمال مد لغزشی 64
شکل(4-12) ولتاژ خروجی مبدل باک بعد از اعمال مد لغزشی 65
شکل(4-13) مقدار THD ولتاژ ورودی تحریک ژنراتور در حالتی که مبدل باک وجود نداشته باشد 65
شکل(4-14) مقدار THD ولتاژ ورودی تحریک ژنراتور در حالتی که مبدل باک وجود داشته باشد 66
شکل(4-15) مقدار FFT ولتاژ تحریک ژنراتوربا اعمال مبدل باک 66
شکل(4-16) مقدار FFT ولتاژ تحریک ژنراتور بدون اعمال مبدل باک 67
شکل(4-17) شبیه سازی مربوط به ژنراتور سنکرون 69
شکل(4-18) ولتاژ اعمالی به میدان ژنراتور سنکرون 70
شکل(4-19) حالت زوم شده ولتاژ اعمالی به میدان ژنراتور سنکرون 70
شکل(4-20) جریان خروجی استاتور ژنراتور سنکرون در فاز a 71
شکل(4-21) حالت زوم شده جریان خروجی استاتور ژنراتور سنکرون در فازa 71
شکل(4-22) جریان خروجی استاتور ژنراتور سنکرون در فاز b 71
شکل(4-23) حالت زوم شده جریان خروجی استاتور ژنراتور سنکرون در فازb 72
شکل(4-24) جریان خروجی استاتور ژنراتور سنکرون در فاز c 72
شکل(4-25) حالت زوم شده جریان خروجی استاتور ژنراتور سنکرون در فاز c 73
شکل(4-26) جریان خروجی استاتور ژنراتور سنکرون در راستای d از محور dq 73
شکل(4-27) جریان خروجی استاتور ژنراتور سنکرون در راستای q از محور dq 74
شکل(4-28) گشتاور الکتریکی خروجی از ژنراتور سنکرون 74
شکل(4-29) حالت زوم شده گشتاور الکتریکی خروجی از ژنراتور سنکرون 75
شکل(4-30) ولتاژ خروجی استاتور ژنراتور سنکرون در فاز a 75
شکل(4-31) ولتاژ خروجی استاتور ژنراتور سنکرون در فاز b 76
شکل(4-32) ولتاژ خروجی استاتور ژنراتور سنکرون در فاز c 76
شکل (4-33) نمایی از بلاک s-function در سیمولینک 77
شکل (4-34) نمایی کلی از کار در بلاک سیمولینک 77
شکل (4-35) نمایی کلی از چرخه شبیه‌سازی s-function 78
شکل(4-36) پارامتر بلاک مربوط به ولتاژ خط a (ولتاژ منبع) 80
شکل(4-37) پارامتر بلاک مربوط به ولتاژ خط b (ولتاژ منبع) 80
شکل(4-38) پارامتر بلاک مربوط به ولتاژ خط c (ولتاژ منبع) 81
شکل(4-39) مشخصات پارامتر بلاک مربوط به تولیدکننده 6 پالسه 81
شکل(4-40) مشخصات پارامتر بلاک مربوط به مبدل تریستوری 82
شکل(4-41) مشخصات پارامتر بلاک مربوط به ماسفت موجود در مبدل باک 82
شکل(4-42) مشخصات پارامتر بلاک مربوط به دیود موجود در مبدل باک 83
شکل(4-43) مشخصات پارامتر بلاک مربوط RL در مبدل باک 83
شکل(4-44) مشخصات پارامتر بلاک مربوط RC در مبدل باک 84
شکل(4-45) مشخصات پارامتر بلاک مربوط به مقاومت R در مبدل باک 84
شکل(4-46) مشخصات پارامتر بلاک مربوط به زیرسیستم مد لغزشی در مبدل باک 85
شکل(4-47) مشخصات پارامتر بلاک مربوط به زیرسیستم کنترل‌کننده مد لغزشی در مبدل باک 85
شکل(4-48) مشخصات پارامتر بلاک مربوط به سوئیچینگ در زیرسیستم مد لغزشی در مبدل باک 86
شکل(4-49) مشخصات پارامتر بلاک مربوط به بلاک s-function 86
چکیده
روش کنترل مد لغزشی یکی از مهمترین روش های کنترل غیرخطی می‌باشد که از مشخصه های بارز آن عدم حساسیت به تغییر پارامترها و دفع کامل اغتشاش و مقابله با عدم قطعیت است. این کنترل‌کننده ابتدا سیستم را از حالت اولیه با بهره گرفتن از قانون رسیدن به سطح تعریف شده لغزش که از پایداری مجانبی لیاپانوف برخوردار است، رسانده و سپس با بهره گرفتن از قانون لغزشی آن را به حالت تعادل می‌رساند. تاکنون در تحقیقات انجام شده به روش تغذیه استاتیک سیستم تحریک استفاده از مبدل‌های DC/DC کاهنده توجه ویژه‌ای نشده است.
در این پایان‌نامه، بعد از ترانسفورماتور قدرت و پل یکسوساز با بهره گرفتن از یک مبدل باک (Buck converter) کنترل‌شده با مد لغزشی برای کاهش هارمونیک‌های ورودی به سیم‌پیچ تحریک کاربرد دارد، استفاده کنیم.
ما در این پایان‌نامه با روش کنترل لغزشی سعی در کاهش اثرات اغتشاشات (شامل تغییر ولتاژ وردی و تغییر بار) و تنظیم ولتاژ خروجی با دینامیک بسیار سریع و حداکثر کاهش هارمونیک‌ها خواهیم بود. همچنین با بهره گرفتن از SIMULINK/MATLAB کارآمد بودن این سیستم را نشان خواهیم داد.
فصل اول:
مقدمه
1-1- مقدمه:
ژنراتورها همواره یکی از مهمترین عناصر شبکۀ قدرت بوده و نقش کلیدی در تولید انرژی و کاربردهای خاص دیگر ایفا میکنند. و برای ژنراتورسنکرون برای تولید بخش اعظم توان الکتریکی در سراسر جهان به کار می‌رود .
در یک ژنراتور سنکرون یک جریان dc به سیم‌پیچ رتور اعمال می‌گردد تا یک میدان مغناطیسی رتور تولید شود سپس روتور مربوط به ژنراتور به وسیله یک محرک اصلی چرخانده می‌شود، تا یک میدان مغناطیسی دوار در ماشین به وجود آید. این میدان مغناطیسی یک ولتاژ سه فاز را در سیم پیچ‌های استاتور ژنراتور القاء می کند. در رتور باید جریان ثابتی اعمال شود. چون رتور می‌چرخد نیاز به آرایش خاصی برای رساندن توان DC به سیم پیچ‌های میدانش دارد. برای انجام این کار 2 روش موجود است:
1- از یک منبع بیرونی به رتور با رینگ‌های لغزان و جاروبک .
2- فراهم نمودن توان DCاز یک منبع توان DC، که مستقیماً روی شفت ژنراتورسنکرون نصب می‌شود.
یک سیستم تحریک استاتیک به لحظ عملکرد شبیه تنظیم‌کننده اتوماتیک ولتاژ میدان رفتار میکند بطوریکه اگر ولتاژ ژنراتور کاهش داشته باشد جریان میدان را افزایش میدهد و بر عکس اگر ولتاژ ژنراتور افزایش داشته باشد جریان میدان را کاهش میدهد. در واقع سیستم تحریک استاتیک توان میدان اصلی ژنراتور تأمین میکند در حالیکه تنظیم کننده ولتاژ، توان میدان تحریک کننده را برآورده می‌سازد. در سیستم تحریک استاتیک 3 مؤلفه اصلی وجود دارند: قسمت کنترل، پل یکسوساز و ترانسفورماتور قدرت که در ترکیب باهم میدان ژنراتور را برای دستیابی به ولتاژ خروجی مناسب، کنترل میکنند.
جریان DC تزریق شده به سیم‌پیچ تحریک باید کیفیت بسیار بالایی داشته باشد در غیر این صورت اثرات هارمونیک‌های ورودی به سیم‌پیچ تحریک در شفت ژنراتور سنکرون نیز قابل مشاهده است. این عمل علاوه بر کاهش کیفیت توان تزریقی به شبکه باعث افزایش تلفات در سیستم و در نتیجه افزایش هزینه‌های بهره‌برداری می‌شود.
در این پایان نامه می‌خواهیم بعد از ترانسفورماتور قدرت و پل یکسوساز با بهره گرفتن از یک مبدل باک(Buck converter) کنترل شده با مد لغزشی برای کاهش هارمونیک‌های ورودی به سیم‌پیچ تحریک کاربرد دارد، استفاده کنیم.
روش کنترل مد لغزشی یکی از مهمترین روش های کنترل غیرخطی می‌باشد که از مشخصه های بارز آن عدم حساسیت به تغییر پارامترها و دفع کامل اغتشاش و مقابله با عدم قطعیت است. این کنترل‌کننده ابتدا سیستم را از حالت اولیه با بهره گرفتن از قانون رسیدن به سطح تعریف شده لغزش که از پایداری مجانبی لیاپانوف برخوردار است، رسانده و سپس با بهره گرفتن از قانون لغزشی آن را به حالت تعادل می‌رساند.
مطالعات نشان میدهد ریپل ولتاژ DC ورودی به سیم‌پیچ تحریک می‌تواند اثرات نامطلوبی بر خروجی و شفت ژنراتور سنکرون برجای گذارد. از طرفی روش‌های کنترل غیرخطی مثل روش کنترل لغزشی توانایی بالایی در تثبت و تنظیم ولتاژهای خروجی مبدل‌های DC/DC دارند ولی با این وجود باز هم ولتاژ خروجی دارای اعوجاجاتی است. فرضیه تحقیق این است با بهره گرفتن از مد لغزشی در مبدل باک، هارمونیک‌های ولتاژ خروجی مبدل را به حداقل برسانیم. در انتها با بهره گرفتن از نرم‌افزار قدرتمند MATLAB/ SIMULINK کار شبیه‌سازی کل و قسمت مربوط به فیلترینگ صورت خواهد گرفت.
1-2- پیشینه و سوابق:
وظیفه اصلی سیستم تحریک تأمین جریان تحریک ماشین سنکرون است به علاوه با کنترل ولتاژ تحریک وظیفه کنترل و حفاظت یک سیستم قدرت را بر عهده دارد.]1[ برای تحریک ماشین‌های سنکرون روش‌های مختلفی وجود دارد، این روش‌ها با پیشرفت تکنولوژی و گذشت زمان یکی پس از دیگری ابداع شده و برخی از این روش‌ها دارای معایبی بوده که باعث شده است به فکر تغییر سیستم و اصلاح وارتقاء آن ها بیفتیم]2[ سیستم تحریک با تغییر جریان dc سیم‌پیچ تحریک واقع بر روی رتور نیروی محرکه تولید شده ژنراتور را کنترل میکند تغییر بار نیروی محرکه ژنراتور نه تنها ولتاژ خرجی تنظیم می‌شود بلکه ضریب قدرت و دامنه جریان نیز کنترل می‌شود. مرجع]3[ درمورد انواع روش‌های تحریک من جمله روش تحریک استاتیک که در این مقاله مورد بررسی قرار خواهد گرفت صحبت شده است. در طراحی صورت گرفته در این پایان نامه می‌خواهیم از یک مبدل DC/DC باک برای تغذیه سیم‌پیچ تحریک استفاده کنیم. مبدلDC/D مبدلی است که جریان DC hc یک منبع را به سطح ولتاژی دیگر تبدیل میکند و ولتاژ خروجی می‌تواند از ولتاژ ورودی بیشتر یا کمتر باشد. مبدل باک (Buck converter) نوعی مبدل DC-DC کاهنده است. روش کنترلی مورد استفاده در این پایان‌نامه برای مبدل باک روش کنترل لغزشی می‌باشد.
در مرجع ]4[ از روش کنترل PID استفاده شده که سیستم در این حالت دارای سرعت پاسخ بالا هستند و می‌توانند اضافه جهش را نیز کاهش دهند. اما بعد از معرفی کنترل لغزشی در سال 1977 توسط یوتکین، استفاده از این نوع کنترلرها به خاطر خصوصیات زیادی که داشتن در الکترونیک قدرت روز به روز بیشتر می‌شد به طوری که در سال 1991 برای اولین‌بار از این نوع کنترلرها در مبدل‌های باک (Buck converter) توسط اسلوتین استفاده شد. ]5[
اما یکی از کارهای مهمی که می‌خواهیم در این پایان‌نامه انجام دهیم، استفاده از فیلترهای حذف هارمونیک در مبدل باک کنترل شده با مد لغزشی است تا بتوانیم حداکثر کاهش هارمونیک را داشته باشیم. در مرجع ]6[ از یک فیلتر RL بدون مبدل DC/DC برای کاهش هارمونیک‌های ورودی به سیم‌پیچ تحریک استفاده شده است.
در مراجع]7[ و ]8[ یک طراحی ساده برای استفاده از الکترونیک قدرت برای سیستم‌های تحریک مورد بررسی قرار گرفت که این طرح به خاطر هارمونی بودن ولتاژ ورودی به سیم‌پیچ تحریک منطقی به نظر نمی‌رسد. در مرجع ]9[ برای مبدل از یک کنترلر PI استفاده شده است ولی باز هم هارمونیک‌هایی در سیستم وجود دارند. در مراجع ]10[ و ]11[ از مبدل‌های Buck-Boost در سیستم تحریک استفاده شده است که همه این طرح‌ها بدون استفاده از فیلتر بوده و به طبع ولتاژ خروجی THD بالای دارد. ما در این پایان‌نامه علاوه بر استفاده از مبدل باک کنترل شده با مد لغزشی، با بهره گرفتن از فیلتری‌های حذف هارمونیک ولتاژ با هارمونیک بسیار کم را به سیم پیچ تحریک تزریق می‌کنیم.
تعداد صفحات : 80
قیمت : 40 هزار تومان
بلافاصله پس از پرداخت، لینک دانلود فایل در اختیار شما قرار میگیرد و همچنین فایل خریداری شده به ایمیل شما نیز ارسال می شود
پشتیبانی سایت : parsavahedi.t@gmail.com
40,000 تومانافزودن به سبد خرید