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 3 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 ÷ 3 = 120o همانطور که نشان داده شده است.
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 3 فاز فقط سه تک فاز است که با هم ترکیب شده‌اند، می‌توانیم از این ویژگی چند فاز برای ایجاد مدارهای یکسوکننده 3 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
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 0o ، اولین دیودی که هدایت میشود، دیود 1 (D1) خواهد بود زیرا ولتاژ مثبت بیشتری در آند خود نسبت به دیودهای D2 یا D3 دارد. بنابراین، دیود D1 برای نیم چرخه مثبت VA هدایت می‌کند در حالی که D2 و D3 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 (D2) برای نیم چرخه مثبت VB (فاز زرد) شروع به هدایت می‌کند. اکنون آند آن مثبت‌تر از دیودهای D1 و D3 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 (D3) را “روشن” می‌کند زیرا آند آن مثبت‌تر میشود، بنابراین دیودهای D1 و D2 “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: D1 D2 D3 همانطور که نشان داده شده است.
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 120 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 1 - یکسوسازی 3 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 = 1.17 × 120 = 140.4 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 = 140.4/50 = 2.81 آمپر
ج) میانگین جریان در هر دیود:
ID = IL/3 = 2.81/3 = 0.94 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.
مانند قبل، فرض می‌کنیم چرخش فاز قرمز-زرد-آبی (VA – VB – VC) و فاز قرمز (VA) از 0o 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 D1 D3 D2 و D4 یک شبکه یکسوکننده پل را بین فازهای A و B تشکیل می‌دهند، به طور مشابه دیودهای D3 D5 D4 و D6 بین فازهای B و C و D5 D1 D6 و D2 بین فازهای C و A این کار را انجام می‌دهند.
دیودهای D1 D3 و D5 ریل مثبت را تغذیه می‌کنند. دیودی که ولتاژ مثبت بیشتری در ترمینال آند خود دارد هدایت می‌کند. به همین ترتیب، دیودهای D2 D4 و D6 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 30o شروع کنیم، یک الگوی هدایت برای جریان بار به ما می دهد: D1-4 D1-6 D3-6 D3-2 D5-2 D5-4 و دوباره به D1-4 و D1-6 برای توالی فاز بعدی برمی‌گردیم، همانطور که نشان داده شده است.
شکل موج هدایت یکسوکننده سه فاز تمام موج
در یکسوکنندههای برق 3 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 120o (یک سوم) هدایت می‌کند، اما از آنجایی که دو دیود به صورت جفت هدایت می‌شوند، هر جفت دیود فقط 60o (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 3 فازی که توسط ثانویه ترانسفورماتور “3” تغذیه میشود، هر فاز با 360o/3 از هم جدا میشود بنابراین به دیودهای 2×3 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 2 - یکسوسازی 3 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.
- 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:
- جریان بار یکسوکننده‌ها
خروجی از یکسوکننده یک بار مقاومتی 150 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 3 فاز کاملاً کنترل‌شده در زیر آورده شده است:
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 6، 12، 15 و حتی 24 فازی کنترل‌نشده را می‌توان برای بهبود ضریب ریپل برای کاربردهای مختلف طراحی کرد.
