امروزه استفاده از مبدل های سوییچینگ در کاربرد تولید انرژی الکتریسیته ی با توان بالا بسیار شایع شده است. اما …

راه اندازی مبدل سوییچینگ

امروزه استفاده از مبدل های سوییچینگ در کاربرد تولید انرژی الکتریسیته ی با توان بالا بسیار شایع شده است. اما این مبدل های سویچینگ به عنوان منبع برای ایجاد انتشارات الکترومغناطیسی متداخل شناخته شده هستند. این تشعشعات باید با روش فیلترینگ و کنترل جریان های مد مشترک کنترل شوند. در این بخش استفاده از این تکنیک ها در مورد یک موتور با سرعت متغیر[1] توضیح داده شده است.

مسیر تشعشع

ماژول ماشین به خودی خود یک منبع مهم برای تشعشع مستقیم به شمار نمی آید

زیرا که ابعاد آن کمتر از نصف طول موج در بازه ی فرکانسی مرتبط است. این در حالی است

که توزیع سیم پیچی توان می تواند گسترده باشد و در فرکانس های تولید شده مانند یک آنتن عمل کند.

اتصالات خروجی توان بالاترین سطح ولتاژ فرکانس بالا را دارا است. اما کابلی که اتصال یونیت

به بار را فراهم می کند، می تواند شیلد شود و به دور از مدارهای حساس قرار گیرد.

به شرطی که این شیلد از هر دو طرف زمین شود، تشعشع از این مسیر به حداقل می رسد.

اتصالات ورودی توان نیز ولتاژ فرکانس بالا را حمل می کند. این پتانسیل ناشی از شارش

جریان از ترمینال های خروجی به زمین از طریق خازن کابل خروجی و سپس برگشت

آن از طریق شبکه تغذیه است. گرچه سطح ولتاژ آن در مقایسه با خروجی زیاد نیست

اما هنوز نیاز به کنترل آن وجود دارد که این کار با فیلتر انجام می شود.

توجه شود که جریان های ذکر شده از نوع مد مشترک هستند, مثلا جریان ها از طریق هادی های

توان جریان می یابند و از طریق ساختار نصب برمی گردند. در نتیجه جزئیات ساختار زمین بسیار مهم است.

شکل 1 مسیر مد مشترک پارازیتی از یک موتور سرعت متغیر ( سوییچینگ )

دلیل اصلی تشعشعات مد مشترک جریانی استکه از ترمینال خروجی از طریق خازن

کابل بار به زمین شارش می یابد. شکل 1 مسیرهای عمده تشعشعات فرکانس بالا را نشان می دهد.

خازن سیم پیچ موتور به چهارچوب در رنج 1nF-100nF است و خازن بین هسته ی کابل توان و شیلد آن بین 100PF-500PF در هر متر است.

فیلترینگ خروجی

هر دو و یا یکی از فیلترینگ مد مشترک و مد تفاضلی می تواند به خروجی VSD اعمال شود،

شکل (1-15) . فیلترینگ خروجی در مد تفاضلی مشابه رویکرد مداری فیلترینگ ورودی است.

به این صورت که خازن ها بین خطوط قرار می گیرند و همینطور در صورت نیاز، چوک های جداگانه

به صورت سری با هر خط قرار بگیردکه اتصالی به زمین ندارند. اما تفاوت عمده که وجود دارد این است

که اجزای فیلتر خروجی در معرض کل مقدار dV/dt  شکل موج خروجی سوییچ هستند.

همینطور مبدل و یا مدار خروجی ماشین تحت معرض امپدانس راکتیو خازن ها و چوک ها است.

همین باعث می شود که محدودیتی برای مقدار این اجزا ایجاد شود و انتخاب مقدار آنها وابسته

به ظرفیت و محدودیت مبدل خواهد بود. وابسته به نیاز برای کنترل مدارهای تفاضلی، فیلترینگ خروجی یکی از شکل های زیر را دارد:

• راکتور dv/dt : چوک ها به صورت سری با هر خط، مقدار dv/dt در بار را کاهش می دهد
• اما اینکار به دلیل وجود رزونانس بین چوک، بار و خازن کابل محدود شده است.
• فیلتر dv/dt : چوک ها و خازن ها با فرکانس قطع بالاتر از فرکانس کاری مبدل؛ که مقدار خروجی PWM را حفظ می کند اما لبه های rising و falling  شکل موج را کاهش می دهد. مناسب کاربرد ایمنی بار که وابسته به لبه های سیگنال سوئیچینگ است.
• فیلتر سینوسی: فرکانس قطع زیر فرکانس کاری، طوریکه شکل موج به بار دیگر سوییچینگ نیست اما به حالت سینوسی تبدیل شده، به اجزای با مقادیر بزرگتر نسبت به فیلتر dV/dt نیاز است.

اصل فیلترینگ

مد مشترک این است که جریان های مد مشترک از طریق خازن ها به ترمینال زمین محلی ماژول برمیگردند

قبل از اینکه از طریق کابل به بار برسند؛ چوک ها نیز یک امپدانس بالا به این جریان ها اعمال می کنند

که باعث تضعیف آنها می شود. یک روش ساده برای استفاده از چوک مد مشترک استفاده

از فریت در خروجی تمامی رسانا ها می باشد. این فریت ها دور کابلهای توان استفاده می شوند.

نقطه ی برگشت به زمین برای خازن های مد مشترک موضوعی بحرانی است،

شکل 2:

این نقطه باید تا حد امکان به ترمینال زمین ماژول نزدیک باشد به دلیل اینکه باید در کوتاه ترین مسیر

ممکن جریان نویز کنترل شود. فیلتر باید تا حد امکان نزدیک ماژول مبدل نصب شود و

در صورتیکه فاصله ی این دو از 30 سانتی متر فراتر برود باید از یک کابل فلت برای اتصال بین فیلتر و ماژول ماشین استفاده شود.

توجه شود که ممکن است جریان بالایی از این خازن ها در حین کار عبور کند،

بنابراین نیاز است ایمنی در مورد آنها رعایت شود. استفاده از سیم ایمنی زمین زرد و

سبز در این مورد ضروری است اما این مورد با زمین EMC متفاوت است.

در نتیجه زمین EMC باید به طور موازی با سیم ایمنی قرار گیرد که علاوه بر ایجاد EMC برای ایجاد امنیت هم مفید هست.

شکل 2 زمین کردن فیلتر مد مشترک

کابل کشی خروجی:

به دلیل اینکه برگشت جریان مد مشترک بین مبدل/موتور و بار بسیار مهم است، کابل کشی

بین این دو بخش مهمی از طراحی محصول است. برای هر راه اندازی مهم یک کابل شیلد

شده مورد نیاز است. هدف از استفاده از این شیلد این است که مسیر برگشت برای این

جریان ها ایجاد شود. معمولا فرض بر این است که جریان برگشت مسیر با کمترین مقاومت

را برای برگشت انتخاب می کند. این موضوع در فرکانس های پایین و ولتاژ DC صحیح است

اما وقتی که فرکانس افزایش می یابد اندوکتانس مولفه ی مهمتری می شود که در این حالت

شیلد کواکسیکال دور هادی داخلی مسیر بهتری را به دلیل تزویج متقابل الکترومغناطیسی

ایجاد می کند. برای بدست آوردن امپدانس پایین در کل مدار 2 باید اتصال امپدانس پایین در

هر انتهای شیلد وجود داشته باشد. نکته ی دیگر این است که استفاده از شیلد پیوسته در

مقایسه با شیلدهای تابیده شده برای انتقال توان به بار مناسب تر است. دلیل این موضوع

این است که این شیلدها مقدار مقاومت DC بالاتری دارند که در واقع شیلدینگ موثرتری را فراهم می کند،

به طوریکه تلف فرکانس بالای بیشتری را ایجاد می کند و رزونانس ها را در طول کابل تضعیف می کند.

شکل 3 کابل کشی از مبدل تا بار

مشخص کردن درجه ی احتیاط

در موارد عملی نیاز است که درجه ی تهدیدی که یک مبدل توان ممکن است برای سایر تجهیزات موجود در محیط ایجاد کند مشخص شود.

اگر ترانسدیوسرهای حساس مانند سنسورها و یا تجهیزات آنالوگ سطح پایین؛ لینک ویدئو یا گیرنده های رادیوئی در تجهیز وجود ندارد،

در این شرایط مقداری تشعشع در محیط قابل تحمل است. اما در محیط های پیچیده ای که این آیتم ها وجوددارند

باید احتیاط کامل در نظر گرفته شود، زیرا که تمامی آنها می توانند با هارمونیک نویز تولید شده توسط خروجی مبدل توان تحریک شوند. ( سوییچینگ )

[1]variable speed drive (VSD)