دانلود مقاله یک یکسوساز فعال باک-بوست پنج سطحی جدید

چکیده
     در این مقاله، یک یکسوساز باک-بوست پنج سطحی تک فاز جدید به نام کلیدهای متصل به خازن (CTS) معرفی می شود. یکسوساز پیشنهادی دو خروجی DC مستقل دارد که می توانند به دو بار متفاوت متصل باشند. حالت های سوییچینگ مختلف و حالت متوسط توپولوژی پیشنهادی برای طراحی کنترل کننده متناظر به منظور تنظیم دو ولتاژ DC خروجی، تولید ولتاژ پنج سطحی در ورودی یکسوساز و درنهایت، کشیدن ضریب توان واحد و جریان سینوسی از شبکه AC تحلیل می شوند. از نظر شبکه AC، یکسوساز در حالت بوست کار می کند اما ولتاژ DC تولید شده می تواند به دو خروجی مجزا تقسیم شود که ممکن است کمتر از ولتاژ پیک AC باشد یا حتی بیشتر منجر به عمل در هردو حالت عملیاتی باک و بوست شود. نتایج شبیه سازی کامل نشان داده شده و برای تایید اعتبار کارکرد موثر و عملکرد دینامیکی خوب یکسوساز باک-بوست پنج سطحی پیشنهادی تحلیل می شوند.
1- مقدمه
     با توسعه نیمه رساناهای قدرت، یکسوسازهای فعال در بازار برق ظهور کرده اند، چونکه می توانند جریانی با   THD (اعوجاج هارمونیکی کل) پایین و ضریب توان بالا را از منبع AC بکشند و ولتاژ DC خروجی را با ریپل های پایین تنظیم کنند. چنین مبدل هایی که یکسوسازهای PWM یا PFC (اصلاح ضریب توان) نیز نامیده می شوند می-توانند جریان ورودی را توسط روشن و خاموش کردن کلیدهای فعال در فواصل زمانی دلخواه به شکل موج سینوسی مورد نظر تبدیل کنند [1-3].
     یکسوسازهای بوست PFC ولتاژ DC بالاتری در خروجی نسبت به مقدار پیک ولتاژ منبع AC تولید می کنند [4،5] درحالیکه یکسوسازهای باک PFC می توانند ولتاژ DC خروجی را به مقداری پایین تر از ولتاژ ماکزیمم AC کاهش دهند [6]. یکسوسازهای بوست PFC مبدل های جذابی برای صنایع توان بالا هستند درحالیکه یکسوسازهای باک کاندیدهای مناسبی برای شارژهای باطری می باشند [7]. مبدل های باک موجود نسبت ولتاژ خروجی به ولتاژ ورودی AC پایینی دارند و به فیلترهای AC برای هر دو سمت AC ورودی و DC خروجی احتیاج دارند. به همین ترتیب، ولتاژ DC خروجی یکسوسازهای بوست بوست PFC به منظور حذف هارمونیک های جریان ورودی و کشیدن یک جریان با ضریب توان واحد از شبکه باید به اندازه کافی بالاتر از ولتاژ پیک AC ورودی باشد. همچنین، یک القاگر فیلتر ورودی بالا و یک خازن خروجی برای دستیابی به نتایج قابل قبول مورد نیاز هستند ]8،9[. علاوه بر اشکالات فوق الذکر یکسوسازهای بوست و باک، هردو نوع مبدل دارای مشکل فرکانس سوییچینگ بالا هستند که می تواند مشکلات EMI (تداخل الکترومغناطیسی) را ایجاد کند [10]. از سوی دیگر، برخی از این یکسوسازها پیکربندی دومرحله ای دارند که در آن مرحله اول شامل یک یکسوساز دیودی برای فراهم کردن ولتاژ DC از منبع AC ورودی است و مرحله دوم مسئول بالا بردن یا پایین آوردن مقدار DC ورودی به عنوان مبدل DC-DC می باشد. یکسوسازهای دومرحله ای کلیدهای فعال کمتری دارند ولی در فرکانس بالاتری از یکسوسازهای PFC یک مرحله ای دیگر کار می کنند که منجر به تلفات توانی بالاتری می شود [11،12]. توپولوژی های ترکیبی چنین یکسوسازهایی به صورت یکسوساز باک-بوست ارائه شده اند که می تواند ولتاژ DC بالاتر یا پایین تری را در خروجی تولید کند. چنین توپولوژی هایی از کلیدهای فعال دوجهتی بسیار زیادی استفاده می کنند و هنوز نیاز به استفاده از فیلترهای LC ورودی دارند [13-15]. برخی یکسوسازهای چندسطحی اخیرا با نتایج قابل قبول ارائه شده اند که شامل فرکانس سوییچینگ پایین، جریان/ولتاژ هارمونیکی پایین و ضریب توان بالا هستند [16،17]. این یکسوسازهای چندسطحی بیش از یک پایانه خروجی DC دارند که باید به منظور عمل در حالت بوک به بارهای مشابه متصل شود که اشکال بزرگی است. همچنین، برای کار در حالت بوست، پایانه های خروجی DC چنین یکسوسازهای چندسطحی تنها به یک بار متصل می شوند و به صورت منبع های DC سری عمل می کند [9،18-27].
5- نتیجه گیری
     در این مقاله، یک توپولوژی جدید یکسوساز فعال باک-بوست براساس اصلاح اندک سومین سلول U طراحی PUC اصلی ارائه شده است. یکسوساز پیشنهادی به نام CTS شامل شش کلید متصل شده توسط دو خازن به صورت دو پایانه DC مستقل ورودی است و شکل موج ولتاز پنج سطحی را در ورودی تولید می کند. این توپولوژی جریانی با هارمونیک پایین همفاز با ولتاژ شبکه را می کشد و باعث می شود که یکسوساز با ضریب توان واحد در حالت باک و بوست راحت تر کار کند. این توپولوژی به فیلترهای بزرگ اضافی احتیاج ندارد درحالیکه فرکانس سوییچینگ آن پایین است که این موضوع مزیت بزرگی برای یکسوساز CTS پیشنهادی می باشد. نتایج شبیه-سازی شامل ولتاژ DC تنظیم شده، ضریب توان بالا، و جریان THD تغذیه پایین عمدتا توسط ولتاژ ورودی یکسوساز پنج سطحی به دست آمدند. به علاوه، عملکرد دینامیکی خوب، پاسخ سریع و کارکرد قابل اطمینان کنترل کننده پیاده سازی شده و توپولوژی مبدل CTS ثابت شده  اند و به طور دقیق درباره آن ها بحث شده است.

Abstract

     In this paper a new single-phase five-level buckboost active rectifier is introduced called capacitor tied switches (CTS). The proposed rectifier has two independent DC outputs that can be connected to two different loads. Different switching states and the average mode of the proposed topology are analyzed to design the associated controller aims at regulating the two output DC voltages, generating five-level voltage at the input of the rectifier and finally draw unity power factor and sinusoidal current from AC grid. From AC grid view, the rectifier works in boost mode however the generated DC voltage can be split into two separate outputs which may be less than the AC peak voltage or even more leads to work in both buck and boost operation mode. Full simulation results are shown and analyzed to validate the effective operation and good dynamic performance of the proposed five-level buck-boost rectifier.

I. INTRODUCTION

     By developing power semiconductors, active rectifiers emerged into power market as improved power quality rectifiers that could draw low THD (Total Harmonic Distortion) and high power factor current from the AC source since regulating the output DC voltage with low ripples. Such converters that are also called PWM rectifiers or PFC (power factor correction) rectifiers can shape the input current into desirable sinusoidal waveform by turning ON and OFF the active switches at arbitrary intervals [1-3].

     PFC boost rectifiers produce higher DC voltage at the output than the peak value of the AC source voltage [4, 5] while the PFC buck rectifiers can reduce the output DC voltage to the lower value than the AC maximum voltage [6]. PFC boost rectifiers are attractive converters for high power industries while the buck ones are appropriate candidates for battery chargers [7]. The existing buck converters have low ratio of output voltage to the AC input one and they need LC filters for both input AC and output DC sides. Likewise, the output DC voltage of PFC boost rectifiers should be higher than the input AC peak voltage sufficiently to eliminate the input current harmonics and draw a unity power factor current from the grid. As well, a high input filter inductor and output capacitor are necessary to get acceptable results [8, 9]. In addition to above-mentioned drawbacks of buck and boost rectifiers, both types of converters suffer from high switching frequency that can produce EMI (electromagnetic interference) problems [10]. On the other hand, some of these rectifiers have two-stage configuration in which the first stage includes a diode rectifier to provide DC voltage from the input AC source and the second stage is in charge of stepping up or down the input DC value as a DC-DC converter. The twostage rectifiers have less active switches but working in higher frequency than the other single-stage PFC rectifiers results in higher power losses [11, 12]. Hybrid topologies of such rectifiers have been proposed as buck-boost rectifier which can generate higher or lower DC voltage at the output. Such topologies use too many bidirectional active switches and they still need to use the input LC filters [13-15]. Some multilevel rectifiers have been recently introduced with acceptable results including low switching frequency, low harmonic voltage/current and high power factor [16, 17]. These multilevel rectifiers have more than one DC output terminals that should be connected to identical loads in order to operate in buck mode which is the main drawback. As well, to work in boost mode, the DC output terminals of such multilevel rectifiers are connected to only one load and works as series DC sources [9, 18-27].

V. CONCLUSION

     In this paper a new topology of buck-boost active rectifier has been introduced based on slight modification of the third U-cell of the PUC original design. The proposed rectifier called CTS includes six switches tied by two capacitors as two output independent DC terminals and generates five-level voltage waveform at the input. The latter draw low harmonic current in-phase with the grid voltage making the operation at unity power factor rectifier easy in both buck and boost mode. This topology does not need additional bulky filters while switching at low frequency which constitute a big advantage of the presented CTS rectifier. Simulation results including regulated DC voltages, high power factor, and low supply THD current mainly obtained by the five-level rectifier input voltage. Moreover, good dynamic performance, fast response and reliable operation of the implemented controller and CTS converter topology were proven and discussed in details.

(جهت بزرگ نمایی روی عکس کلیک نمایید)

چکیده
1- مقدمه
2- پیکربندی یکسوساز CTS پیشنهادی
3- مدل سازی و طراحی کنترل کننده
4- نتایج شبیه سازی و بحث
5- نتیجه گیری
منابع

Abstract
.1 INTRODUCTION
2. PROPOSED CTS RECTIFIER CONFIGURATION
3. MODELLING AND CONTROLLER DESIGN
4. SIMULATION RESULTS AND DISCUSSION
5. CONCLUSION
REFERENCES