یکسوساز سه فاز

یکسوسازی سه فاز فرآیند تبدیل یک منبع تغذیه 3 فاز متعادل به منبع تغذیه DC ثابت با استفاده از دیودهای حالت جامد یا تریستور است.

در مقاله قبلی دیدیم که فرآیند تبدیل منبع ورودی AC به منبع DC ثابت یکسوسازی نامیده می­‌شود که محبوب‌­ترین مدارهای مورد استفاده برای انجام این فرآیند، مدارهایی است که بر اساس دیودهای نیمه‌هادی حالت جامد است.

در واقع، یکسوسازی ولتاژهای متناوب یا AC یکی از محبوب‌ترین کاربردهای دیودها است، زیرا دیودها ارزان، کوچک و قوی هستند که به ما امکان می‌دهند انواع مختلفی از مدارهای یکسوکننده را با استفاده از دیودهای متصل جداگانه یا تنها با یک ماژول یکسوکننده پل مجتمع ایجاد کنیم.

منابع تک فاز مانند منازل و ادارات معمولاً 120 Vrms یا 240 Vrms فاز به خنثی (phase-to-neutral) هستند که خط به خنثی (L-N) نیز نامیده می‌­شوند و اسماً دارای ولتاژ و فرکانس ثابتی هستند که ولتاژ یا جریان متناوب را به شکل موج سینوسی با مخفف “AC”،در شبکه تولید می­‌کنند.

مدارهای یکسوکننده سه فاز که به نام یکسوکننده­‌های چند فاز نیز شناخته می‌­شوند، مشابه مدارهای یکسوکننده تک فاز قبلی هستند، تفاوت این بار در این است که ما از سه منبع تغذیه تک فاز متصل به هم استفاده می‌­کنیم که توسط یک مولد سه فاز تولید شده است.

مزیت در اینجا این است که مدارهای یکسوکننده ۳ فاز را می‌­توان برای تامین انرژی بسیاری از کاربردهای صنعتی مانند کنترل موتور یا شارژ باتری استفاده کرد که نیاز به برق بیشتری نسبت به مدار یکسوکننده تک فاز دارد.

منابع 3 فاز با ترکیب سه ولتاژ AC با فرکانس و دامنه یکسان که هر ولتاژ متناوب یک “فاز” نامیده می‌­شود، ایده تولید برق AC را یک قدم جلوتر می­‌برد. این سه فاز، 120 درجه الکتریکی اختلاف فاز با یکدیگر دارند و یک توالی فاز یا چرخش فاز ایجاد می­‌کنند: 360o ÷ ۳ = ۱۲۰o همانطور که نشان داده شده است.

شکل موج سه فاز

۱. شکل موج سه فاز

مزیت در اینجا این است که یک منبع جریان متناوب سه فاز (AC) می­‌تواند برای تامین برق مستقیم به بارهای متعادل و یکسوکننده‌­ها استفاده شود. از آنجایی که منبع تغذیه 3 فاز دارای ولتاژ و فرکانس ثابتی است، می‌­توان آن را توسط یک مدار یکسوکننده برای تولید یک برق ولتاژ ثابت DC استفاده کرد که سپس می­‌تواند فیلتر شود و در نتیجه ولتاژ DC خروجی با ریپل کمتر در مقایسه با مدار یکسوکننده تک فاز ایجاد می‌­شود.

یکسوسازی سه فاز

با توجه به اینکه منبع تغذیه ۳ فاز فقط سه تک فاز است که با هم ترکیب شده‌­اند، می­‌توانیم از این ویژگی چند فاز برای ایجاد مدارهای یکسوکننده ۳ فاز استفاده کنیم.

همانند یکسوسازی تک فاز، یکسوسازی سه فاز از دیودها، تریستورها، ترانزیستورها یا مبدل‌­ها برای ایجاد مدارهای یکسو­کننده نیم موج، تمام موج، کنترل­‌نشده و کاملاً کنترل­‌شده استفاده می‌­کند که منبع تغذیه سه فاز معین را به سطح خروجی DC ثابت تبدیل می­‌کند. در بسیاری از کاربردها، یکسو­کننده سه فاز مستقیماً از شبکه برق شهری یا از یک ترانسفورماتور سه فاز تامین می­‌شود، اگر سطح خروجی DC متفاوتی توسط بار متصل مورد نیاز باشد.

مانند یکسوکننده تک فاز قبلی، اولین مدار یکسوکننده سه فاز، مدار یکسوکننده نیم موج کنترل­‌نشده است که از سه دیود نیمه هادی استفاده می­‌کند، یک دیود در هر فاز، همانطور که نشان داده شده است.

یکسوسازی سه فاز نیم موج

۲. یکسوسازی سه فاز نیم موج

این مدار یکسوکننده نیم موج سه فاز چگونه کار می‌­کند؟ آند هر دیود به یک فاز از منبع ولتاژ متصل می‌­شود و کاتدهای هر سه دیود به یک نقطه مثبت و به هم متصل می‌­شوند و به طور موثر آرایشی از نوع دیودی “OR” ایجاد می­‌کنند. این نقطه مشترک، به ترمینال مثبت (+) برای بار تبدیل می­‌شود در حالی که ترمینال منفی (-) بار، به خنثی (N) منبع متصل است.

با فرض چرخش فاز قرمز-زرد-آبی (VA – VB – VC) و شروع فاز قرمز (VA) از ۰o ، اولین دیودی که هدایت می­‌شود، دیود 1 (D۱) خواهد بود زیرا ولتاژ مثبت بیشتری در آند خود نسبت به دیودهای D۲ یا D۳ دارد. بنابراین، دیود D۱ برای نیم چرخه مثبت VA هدایت می­‌کند در حالی که D۲ و D۳ در حالت بایاس معکوس خود هستند. سیم خنثی مسیر برگشتی را برای جریان بار به منبع تغذیه فراهم می‌­کند.

120 درجه الکتریکی بعد، دیود 2 (D۲) برای نیم چرخه مثبت VB (فاز زرد) شروع به هدایت می‌­کند. اکنون آند آن مثبت­‌تر از دیودهای D۱ و D۳ می­‌شود که هر دو خاموش هستند زیرا بایاس معکوس هستند. به طور مشابه، 120 درجه بعد VC (فاز آبی) شروع به افزایش می­‌کند و دیود 3 (D۳) را “روشن” می­‌کند زیرا آند آن مثبت‌­تر می­‌شود، بنابراین دیودهای D۱ و D۲ “خاموش” می­‌شوند.

می‌­بینیم که برای یکسوسازی سه فاز، هر دیودی که در آند خود ولتاژ مثبت­‌تری نسبت به دو دیود دیگر داشته باشد، به طور خودکار شروع به هدایت می‌­کند، در نتیجه یک الگوی هدایت به شرح زیر می‌­دهد: D۱ D۲ D۳ همانطور که نشان داده شده است.

شکل موج هدایت یکسوکننده سه فاز نیم موج

۳. شکل موج هدایت یکسوکننده سه فاز نیم موج

از شکل موج‌­های بالا برای یک بار مقاومتی می­‌بینیم که برای یکسو­‌کننده‌­های نیم موج، هر دیود یک سوم هر سیکل جریان را می­‌گذراند، با شکل موج خروجی که فرکانس آن سه برابر ورودی منبع AC است. در یک سیکل معین سه پیک ولتاژ وجود دارد، بنابراین با افزایش تعداد فازها از یک منبع تغذیه تک فاز به یک منبع سه فاز، یکسوسازی منبع بهبود می­‌یابد، یعنی ولتاژ DC خروجی هموارتر می‌­شود.

برای یکسوکننده نیم موج سه فاز، ولتاژهای تغذیه VA،  VBو VC متعادل هستند اما با اختلاف فاز ۱۲۰ درجه:

VA = VP×sin(ωt – 0o)

VB = VP×sin (ωt – 120o)

VC = VP×sin (ωt – 240o)

بنابراین، مقدار متوسط DC شکل موج ولتاژ خروجی از یکسوکننده نیم موج 3 فاز به صورت زیر است:

از آنجایی که پیک ولتاژ منبع تغذیه، VP برابر با VRMS*1.414 است، بنابراین نتیجه می‌­شود که VRMS برابر با VP/1.414 یا 0.707×VP است زیرا 1/1.414 = 0.707. بنابراین، متوسط ولتاژ خروجی DC یکسوکننده را می‌­توان بر حسب ولتاژ فاز ریشه میانگین مربع (RMS) به صورت زیر بیان کرد:

مثال ۱ - یکسوسازی ۳ فاز

یکسوکننده 3 فاز نیم موج با استفاده از سه دیود مجزا و یک ترانسفورماتور 3 فاز ستاره‌ای120VAC  ساخته شده است. اگر نیاز به تغذیه یک بار متصل با امپدانس 50 اهم باشد، الف) میانگین ولتاژ DC خروجی به بار، ب) جریان بار، ج) جریان متوسط در هر دیود را محاسبه کنید. دیودها را ایده‌­آل را فرض کنید.

الف) متوسط ولتاژ بار DC:

VDC = 1.17 × Vrms = ۱.۱۷ × ۱۲۰ = ۱۴۰.۴ ولت

توجه داشته باشید که اگر مقدار پیک ولتاژ (Vp) به ما داده شود، آنگاه:

VDC برابر با 0.827×Vp یا 0.827*169.68 = 140.4V خواهد بود.

ب) جریان بار DC:

IL = VDC/RL = ۱۴۰.۴/۵۰ = ۲.۸۱ آمپر

ج) میانگین جریان در هر دیود:

ID = IL/۳ = ۲.۸۱/۳ = ۰.۹۴ آمپر

یکی از معایب یکسوسازی 3 فاز نیم موج این است که به منبع تغذیه با 4 سیم نیاز دارد، یعنی سه فاز به اضافه یک اتصال خنثی (N). همچنین متوسط ولتاژ خروجی DC در مقداری که با 0.827×VP نشان داده شده است، کم است. این به این دلیل است که محتوای ریپل خروجی سه برابر فرکانس ورودی است. اما می‌توانیم با افزودن سه دیود دیگر به مدار یکسوکننده اصلی، این معایب را بهبود بخشیم که یکسوساز پل کنترل‌نشده سه فاز تمام موج را ایجاد می‌کند.

یکسوسازی سه فاز تمام موج

مدار یکسوکننده پل کنترل­‌نشده سه فاز تمام موج، از شش دیود، دو دیود در هر فاز به روشی مشابه با یکسوکننده پل تک فاز استفاده می­‌کند. یکسوکننده تمام موج 3 فاز با استفاده از دو مدار یکسوکننده نیم موج بدست می‌­آید. مزیت در اینجا این است که مدار خروجی ریپل کمتری نسبت به یکسو­کننده 3 فاز نیم موج قبلی تولید می­‌کند زیرا فرکانس آن شش برابر شکل موج AC ورودی است.

همچنین، یکسوکننده تمام موج را می‌­توان از یک منبع 3 فاز 3 سیمه دلتای متوازن تغذیه کرد زیرا به سیم خنثی چهارم (N) نیاز نیست. مدار یکسوکننده 3 فاز تمام موج زیر را در نظر بگیرید.

۳. یکسوسازی سه فاز تمام موج

مانند قبل، فرض می­‌کنیم چرخش فاز قرمز-زرد-آبی (VA – VB – VC) و فاز قرمز (VA) از ۰o شروع می­‌شود. همانطور که نشان داده شده است، هر فاز بین یک جفت دیود متصل می­‌شود. یکی از دیودهای جفت هدایت، سمت مثبت (+) بار را تامین می­‌کند، در حالی که دیود دیگر، سمت منفی (-) بار را تامین می‌کند.

دیودهای D۱ D۳ D۲ و D۴ یک شبکه یکسوکننده پل را بین فازهای A و B تشکیل می‌­دهند، به طور مشابه دیودهای D۳ D۵ D۴ و D۶ بین فازهای B و C و D۵ D۱ D۶ و D۲ بین فازهای C و A این کار را انجام می­‌دهند.

دیودهای D۱ D۳ و D۵ ریل مثبت را تغذیه می­‌کنند. دیودی که ولتاژ مثبت بیشتری در ترمینال آند خود دارد هدایت می­‌کند. به همین ترتیب، دیودهای D۲ D۴ و D۶ ریل منفی را تغذیه می­‌کنند و هر دیودی که ولتاژ منفی بیشتری در ترمینال کاتد خود داشته باشد، هدایت می­‌کند.

می­‌توانیم ببینیم که برای یکسوسازی کنترل­‌نشده سه فاز، دیودها به صورت جفت منطبق با هر مسیر هدایت که از دو دیود به صورت سری عبور می‌­کند، هدایت می­‌کنند. بنابراین، در مجموع به شش دیود یکسوکننده نیاز است تا تغییر (commutation) مدار هر 60 درجه یا شش بار در هر سیکل انجام شود.

اگر الگوی هدایت را در ۳۰o شروع کنیم، یک الگوی هدایت برای جریان بار به ما می دهد: D۱-۴ D۱-۶ D۳-۶ D۳-۲ D۵-۲ D۵-۴ و دوباره به D۱-۴ و D۱-۶  برای توالی فاز بعدی برمی‌­گردیم، همانطور که نشان داده شده است.

شکل موج هدایت یکسوکننده سه فاز تمام موج

۴. شکل موج هدایت یکسوکننده سه فاز تمام موج

در یکسوکننده­‌های برق ۳ فاز، هدایت همیشه در مثبت­‌ترین دیود و منفی­‌ترین دیود متناظر رخ می‌­دهد. بنابراین همانطور که سه فاز در پایانه‌­های یکسو­کننده می­‌چرخند، هدایت از دیود به دیود منتقل می­‌شود.

بنابراین، هر دیود در هر چرخه تامین ۱۲۰o (یک سوم) هدایت می‌کند، اما از آنجایی که دو دیود به صورت جفت هدایت می‌شوند، هر جفت دیود فقط ۶۰o (یک ششم) چرخه را در هر زمان هدایت می‌کند، همانطور که در بالا نشان داده شده است.

بنابراین، می­‌توان به درستی گفت که برای یکسو­کننده ۳ فازی که توسط ثانویه ترانسفورماتور “۳” تغذیه می­‌‌شود، هر فاز با ۳۶۰o/۳ از هم جدا می­‌شود بنابراین به دیودهای ۲×۳ نیاز دارد.

همچنین توجه داشته باشید که بر خلاف یکسوکننده نیم موج قبلی، هیچ ارتباط مشترکی بین پایانه‌­های ورودی و خروجی یکسو­کننده‌­ها وجود ندارد. بنابراین می­‌توان آن را با یک منبع تغذیه ترانسفورماتور اتصال ستاره یا مثلث تغذیه کرد.

بنابراین مقدار متوسط DC شکل موج ولتاژ خروجی از یکسوساز 3 فاز تمام موج به صورت زیر داده می­‌شود:

مثال ۲ - یکسوسازی ۳ فاز

برای تغذیه بار مقاومتی 150 اهم از یک منبع سه فاز 127 ولتی و 60 هرتز، به یکسوساز پل تمام موج 3 فاز مورد نیاز است. با نادیده گرفتن افت ولتاژ در دیودها، محاسبه کنید: 1. ولتاژ خروجی DC یکسوکننده و 2. جریان بار.

1. ولتاژ خروجی DC

ولتاژ RMS خط 127 ولت است. بنابراین، پیک ولتاژ خط به خط (VL-L(PEAK)) خواهد بود:

از آنجایی که منبع تغذیه 3 فاز است، ولتاژ فاز به نول (VP-N) هر فاز به صورت زیر خواهد بود:

توجه داشته باشید که این اساساً مانند این است که بگوییم:

بنابراین متوسط ولتاژ خروجی DC از یکسوکننده 3 فاز تمام موج به صورت زیر داده می­‌شود:

باز هم می‌توانیم ریاضیات را کمی کاهش دهیم با گفتن صحیح این که برای یک مقدار ولتاژ خط به خط RMS معین، در مثال ما 127 ولت، میانگین ولتاژ خروجی DC برابر است با:

2. جریان بار یکسوکننده‌­ها

خروجی از یکسوکننده یک بار مقاومتی ۱۵۰ اهم را تغذیه می­‌کند. بنابراین، با استفاده از قانون اهم، جریان بار به صورت زیر خواهد بود:

یکسوسازی 3 فاز کنترل­‌نشده از دیودها برای ارائه ولتاژ متوسط خروجی با مقدار ثابت نسبت به مقدار ولتاژهای AC ورودی استفاده می­‌کند. اما برای تغییر ولتاژ خروجی یکسوکننده، باید دیودهای کنترل­‌نشده، اعم از تعدادی یا همه آن­ها، را با تریستور جایگزین کنیم تا چیزی به نام یکسوکننده پل نیمه کنترل­‌شده یا کاملاً کنترل‌­شده ایجاد شود.

تریستورها، دستگاه­‌های نیمه هادی سه ترمیناله هستند و هنگامی که یک پالس تحریک مناسب به ترمینال گیت تریستور در زمانی که ولتاژ ترمینال آند به کاتد مثبت است اعمال شود، دستگاه جریان بار را هدایت و عبور می­‌دهد. بنابراین با تأخیر در زمان‌بندی پالس تحریک (زاویه تحریک)، می‌توانیم لحظه‌ای را به تأخیر بیندازیم که در آن تریستور در صورتی که یک دیود معمولی بود، به‌طور طبیعی «روشن» می‌شد و لحظه‌ای که با اعمال پالس تحریک شروع به هدایت می‌کند.

بنابراین، با یکسوسازی 3 فاز کنترل­‌شده که به جای دیود از تریستور استفاده می­‌کند، می‌­توانیم مقدار متوسط ولتاژ خروجی DC را با کنترل زاویه تحریک جفت­ تریستوری کنترل کنیم و بنابراین ولتاژ خروجی یکسو­‌شده تابعی از زاویه تحریک α می­‌شود.

بنابراین، تنها تفاوت با فرمول استفاده شده در بالا برای ولتاژ متوسط خروجی یکسوکننده پل 3 فاز در زاویه کسینوس cos(α) پالس تحریک یا راه‌­اندازی است. بنابراین، اگر زاویه تحریک صفر باشد (cos(0) = 1)، یکسوکننده کنترل‌­شده مشابه یکسوکننده دیودی کنترل‌­نشده 3 فاز قبلی با ولتاژهای خروجی متوسط یکسان عمل می‌­کند.

نمونه‌­ای از یکسو­کننده پل ۳ فاز کاملاً کنترل­‌شده در زیر آورده شده است:

یکسوکننده پل سه فاز کاملاً کنترل‌شده

۵. یکسوکننده پل سه فاز کاملاً کنترل‌شده

خلاصه یکسوسازی سه فاز

در این مقاله دیدیم که یکسوسازی سه فاز، فرآیند تبدیل منبع AC 3 فاز به ولتاژ DC پالسی است زیرا یکسوسازی منبع تغذیه ورودی، یک ولتاژ و فرکانس سینوسی را به یک برق ولتاژ ثابت DC تبدیل می­‌کند. بنابراین یکسوسازی توان، یک منبع متناوب را به یک منبع تغذیه یک جهته تغییر می‌­دهد.

همچنین دیدیم که یکسوکننده‌های نیمه‌موج کنترل‌نشده 3 فاز، که از یک دیود در هر فاز استفاده می‌کنند، برای اتصال مدار از بار به منبع، به اتصال ستاره به عنوان سیم خنثی چهارم (N) نیاز دارند. یکسوکننده پل تمام موج 3 فاز که از دو دیود در هر فاز استفاده می‌­کند، تنها به سه خط اصلی نیاز دارد، بدون خنثی، مانند خطی که توسط یک منبع اتصال دلتا ارائه می­‌شود.

یکی دیگر از مزایای یکسوکننده پل تمام موج این است که جریان بار در پل به خوبی متوازن می‌­شود و راندمان (نسبت توان DC خروجی به توان ورودی عرضه شده) را بهبود می­‌بخشد و محتوای ریپل، هم در دامنه و هم در فرکانس، در مقایسه با پیکربندی نیم موج را کاهش می‌­دهد.

با افزایش تعداد فازها و دیودها در پیکربندی پل، می‌­توان ولتاژ خروجی متوسط DC بالاتری را با دامنه ریپل کمتر به دست آورد، به عنوان مثال، در یکسوسازی 6 فاز، هر دیود تنها یک ششم سیکل را هدایت می­‌کند.

همچنین، یکسوکننده‌های چند فاز فرکانس ریپل بالاتری تولید می‌کنند که به معنای فیلتر خازنی کمتر و ولتاژ خروجی بسیار هموارتر است. بنابراین، یکسوکننده‌­های کنترل­‌نشده ۶، ۱۲، ۱۵ و حتی ۲۴ فازی کنترل­‌نشده را می‌­توان برای بهبود ضریب ریپل برای کاربردهای مختلف طراحی کرد.