یکسوساز سه فاز — به زبان ساده

در آموزش‌های قبلی مجله فرادس گفتیم که یکسوسازی، عملی است که در آن، یک منبع ولتاژ‌ AC سینوسی با استفاده از دیودها، تریستورها، ترانزیستورها یا مبدل‌ها به یک منبع ولتاژ‌ DC یا جریان مستقیم تبدیل می‌شود. این فرایند یکسوسازی را می‌توان با یکسوسازهای مختلف نیم موج، تمام موج، کنترل نشده و کاملاً کنترل شده برای تبدیل منابع تکفاز و سه فاز به یک سطح DC ثابت انجام داد. در آموزش‌های پیشین، با یکسوساز‌های تکفاز نیم موج و تمام‌ موج نیز آشنا شدیم. در این آموزش، درباره یکسوساز سه فاز بحث می‌کنیم.

یکسوسازی، یکی از کاربردهای محبوب دیودها است. دیودها ارزان، کوچک و مقاوم هستند و با استفاده از آن‌ها می‌توان انواع مدارهای یکسوکننده را ساخت. منابع تکفاز، مانند آن‌هایی که در خانه‌ها با ولتاژهای $$120 \, \mathrm {Vrms}$$ یا $$ 240 \, \mathrm {Vrms} $$ فاز به نول یا خط به نول (L-N) در دسترس هستند و ولتاژ و فرکانس ثابتی دارند، ولتاژ یا جریان‌های سینوسی تولید می‌کنند که به طور خلاصه آن‌ را AC می‌نامند.

فیلم آموزش الکترونیک صنعتی و مبدل ها در فرادرس

کلیک کنید

مدارهای یکسوساز سه فاز یا چند فاز، مشابه مدارهای یکسوساز تکفاز هستند؛ با این تفاوت که در حالت سه فاز، سه منبع تکفاز داریم که با یکدیگر یک منبع سه فاز را می‌سازند. از یکسوسازهای سه فاز در بسیاری از کاربردهای صنعتی، مانند کنترل موتور، شارژ باتری و... استفاده می‌شود که توان بالاتری نسبت به مدارهای یکسوساز تکفاز دارد. منابع سه فاز، از ترکیب ولتاژهای AC تکفاز با دامنه و فرکانس مشابه ساخته شده‌اند که هر یک از این ولتاژهای AC تکفاز، «فاز» نامیده می‌شود. این سه فاز مختلف، به اندازه $$120$$ درجه الکتریکی نسبت به هم اختلاف فاز دارند و یک دنباله فاز یا چرخش فاز $$ 360^ \circ / 3 = 120 ^ \circ $$ را ایجاد می‌کنند که در شکل زیر نشان داده شده است.

یکی از مزایای منبع سه فاز AC، این است که توان الکتریکی را مستقیماً برای بارهای متعادل و یکسوکننده‌ها مهیا می‌کند. از آنجایی که دامنه ولتاژ و فرکانس یک منبع سه فاز ثابت است، می‌توان از آن برای تولید یک ولتاژ DC یکسو استفاده کرد. این ولتاژ DC در مقایسه با یک ولتاژ DC یکسو شده از منبع تکفاز، ریپل کمتری دارد.

یکسوساز سه فاز نیم موج

گفتیم که یک منبع سه فاز، ترکیبی از سه منبع تکفاز است و با استفاده از این ویژگی می‌توانیم مدارهای یکسوساز سه فاز را بسازیم. مشابه یکسوسازی تکفاز، در یکسوسازی سه فاز نیز از دیود، تریستور یا مبدل برای برای ساخت مدارهای یکسوکننده نیم موج، تمام موج، کنترل نشده و کاملاً کنترل شده استفاده می‌شود. در اغلب کاربردها، یکسوساز سه فاز مستقیماً از شبکه اصلی یا یک ترانسفورماتور سه فاز (در صورت نیاز به سطح ولتاژ متفاوت) تغذیه می‌شود.

فیلم آموزش ماشین های الکتریکی ۱ در فرادرس

کلیک کنید

مشابه یکسوسازهای تکفاز، پایه‌ای‌ترین مدار یکسوساز سه فاز، یک مدار یکسوساز نیم موج کنترل نشده است که از سه دیود نیمه‌هادی (یک دیود برای هر فاز) بهره می‌گیرد. شکل زیر، این مدار را نشان می‌دهد.

اما یکسوساز شکل بالا چگونه کار می‌کند؟ همان‌طور که می‌بینیم، آند هر دیود به هر فاز منبع ولتاژ متصل است. کاتد هر سه دیود نیز به یکدیگر و نیز سر مثبت بار متصل هستند.

فرض می‌کنیم ترتیب فاز‌ها به صورت قرمز-زرد-آبی ($$ V_A - V_B - V_C$$) بوده و فاز قرمز ($$V_A$$) از $$0 ^ \circ $$ آغاز می‌شود. دیودی که قبل از همه هدایت می‌کند، دیود $$ 1 $$ ($$D_1$$) است، زیرا در آند، ولتاژ مثبت بزرگتری نسبت به دو دیود دیگر $$ D_2 $$ یا $$ D_3 $$ دارد. بنابراین، دیود $$D_1$$ در نیم‌ دوره‌های مثبت $$V_A$$ هدایت می‌کند؛ در حالی که $$D2 $$ و $$D_3 $$ بایاس معکوس هستند. سیم نول، یک مسیر برای بازگشت جریان بار به منبع ایجاد می‌کند.

بعد از $$120$$ درجه الکتریکی، دیود $$2$$ ($$ D_ 2 $$) برای نیم‌ سیکل مثبت $$V_B$$ (فاز زرد) شروع به هدایت می‌کند. در این حالت، آند دیود $$ D_2$$، نسبت به آند دیودهای $$ D_1$$ و $$D_3$$ مثبت‌تر است و به دلیل بایاس معکوس، این دو دیود خاموش هستند. به طور مشابه، $$120 ^ \circ $$ بعد، $$V_C$$ (فاز آبی) دیود $$ 3$$ ($$ D_3$$) را روشن می‌کند. در این حالت $$D_1$$ و $$ D _ 2 $$ خاموش هستند.

شکل زیر، نحوه یکسوسازی توسط سه دیود $$ D _ 1 $$، $$ D_ 2 $$ و $$ D_3 $$ را نشان می‌دهد.

همان‌طور که از شکل بالا مشخص است، هر دیود به اندازه یک سوم هر دوره، جریان را هدایت می‌کند و فرکانس جریان خروجی، سه برابر فرکانس منبع AC است. بنابراین، در هر تناوب، سه پیک ولتاژ وجود دارد. در نتیجه، با افزایش تعداد فازهای منبع از یک فاز به سه فاز، یکسوسازی منبع بهبود می‌یابد و ولتاژ‌ DC خروجی نرم‌تر خواهد بود.

برای یک یکسوساز نیم موج سه فاز، منابع ولتاژ $$ V_A$$، $$V_B$$ و $$V_C$$ با اختلاف فاز $$ 120 ^ \circ $$ متعادل هستند:

$$ \large V _ A = V _p \sin ( \omega t - 0 ^ \circ ) $$

$$ \large V _ B = V _p \sin ( \omega t - {120} ^ \circ ) $$

$$ \large V _ C = V _p \sin ( \omega t - {240} ^ \circ ) $$

بنابراین، مقدار DC میانگین شکل موج ولتاژ‌ خروجی یک یکسوساز نیم موج سه فاز برابر است با:

$$ \large V_{\mathrm {DC}} = \frac { 3 \sqrt { 3 } } { 2 \pi } V _ {\mathrm {P}} = 0 . 8 27 \times V _ {\mathrm {PEAK}} $$

از آنجایی که ولتاژ پیک منابع ولتاژ، $$ V _ \mathrm {P} $$، برابر با $$ 1.414 \times V _ {\mathrm {RMS}}$$ است، رابطه $$ V _\mathrm {RMS} = 0.707 \times V _ \mathrm {P} $$ را داریم. بنابراین، ولتاژ خروجی DC میانگین یکسوکننده را می‌توان بر حسب مقدار مؤثر (RMS) ولتاژ فاز بیان کرد:

$$ \large V _ \mathrm {DC} = \frac { 3 \sqrt {3}} { 2 \pi } \times \frac {V _ { \mathrm {PEAK}}} {1.414} $$

$$ \large V _ \mathrm {DC} = \frac {0.827} { 0.707 } \times V _ { \mathrm {RMS}} $$

مثال ۱

یک ترانسفورماتور سه فاز $$ 120 \, \mathrm {VAC}$$، به یک یکسوساز سه فاز متشکل از سه دیود مجزا متصل شده است. اگر بخواهیم توان مورد نیاز باری با امپدانس $$50 \, \Omega $$ را تأمین کنیم، موارد زیر را به دست آورید (فرض کنید دیودها ایده‌آل هستند):‌

• (الف) خروجی ولتاژ DC میانگین بار
• (ب) جریان بار
• (ج) جریان میانگین هر دیود.

حل (الف): ولتاژ بار DC میانگین برابر است با:

$$ \large V _ \mathrm {DC} = 1.17 \times 120 = 140.4 \, \mathrm {V} $$

توجه کنید که اگر مقدار پیک ولتاژ ($$ V _ \mathrm {P}$$) را در اختیار داشتیم، می‌توانستیم $$ V _ \mathrm {DC}$$ را به صورت زیر محاسبه کنیم:

$$ \large V _ \mathrm {DC} = 0.827 \times V _ \mathrm {P} = 0.827 \times 169.68 = 140.4 \, \mathrm {V} $$

 حل (ب): جریان بار DC برابر است با:

$$ \large I _ \mathrm {L} = V _ \mathrm {DC} / R _ \mathrm {L} = 140.4/50 = 2.81 \, \mathrm {A} $$

حل (ج): جریان میانگین هر دیود نیز به صورت زیر به دست می‌آید:

$$ \large I _ \mathrm {D} = I _ \mathrm {L} / 3 = 2.81/3 = 0.94 \, \mathrm {A} $$

یکی از معایب یکسوسازی سه فاز نیم موج این است که به یک منبع تغذیه چهار سیمه شامل سه فاز و یک نول نیاز دارد. همچنین، ولتاژ‌ خروجی DC میانگین آن کم است (همان‌طور که دیدیم، مقدار آن $$ 0.827 V _ \mathrm{P}$$ است). دلیل کم بودن این مقدار این است که فرکانس خروجیِ دارای ریپل، سه برابر فرکانس ورودی است. البته با افزودن سه دیود دیگر به مدار یکسوساز پایه و تشکیل یک یکسوساز پل کنترل نشده تمام موج، می‌توانیم این معایب را بهبود دهیم.

یکسوساز سه فاز تمام موج

مدار یکسوساز پل کنترل نشده تمام موج، از شش دیود تشکیل شده است. در این مدار، مشابه یکسوساز پل تکفاز، دو دیود برای هر فاز وجود دارد. یکسوکننده سه فاز تمام موج را می‌توان با استفاده از دو یکسوساز نیم موج ساخت. مزیت این مدار یکسوساز، ریپل خروجی کمتر نسبت به یکسوکننده سه فاز نیم موج است. دلیل این ریپل کم، شش برابر بودن فرکانس خروجی نسبت شکل موج AC ورودی است.

فیلم آموزش ماشین های الکتریکی ۱ – مرور و حل تست در فرادرس

کلیک کنید

همچنین، یکسوکننده تمام موج می‌تواند از یک منبع سه فاز سه سیمه با اتصال مثلث نیز تغذیه شود که نیازی به سیم نول ندارد. شکل زیر، مدار یکسوکننده سه فاز تمام موج را نشان می‌دهد.

مانند قبل، فرض می‌کنیم توالی به صورت قرمز-زرد-آبی ($$V_A-V_b-V_C$$) باشد و فاز قرمز ($$ V_A$$) در $$ 0 ^ \circ $$ آغاز شود. همان‌طور که در شکل بالا مشخص است، هر فاز بین دو دیود وصل می‌شود. یکی از دو دیود، بخش مثبت بار و دیگری، بخش منفی آن را تغذیه می‌کند.

دیودهای $$ D_1 $$، $$ D_3$$، $$D_2$$ و $$D_ 4$$ یک شبکه یکسوکننده پل را بین فازهای $$ A $$ و $$B$$ تشکیل می‌دهند. به طور مشابه، دیودهای $$ D_3$$، $$D_5$$، $$D_4$$ و $$D_6$$ بین فازهای $$B$$ و $$C$$، و دیودهای $$ D_ 5$$، $$D_1$$، $$D_6$$ و $$D_2$$ بین فازهای $$C$$ و $$ A $$ قرار دارند.

بنابراین، دیودهای $$ D_1$$، $$ D_3$$ و $$ D_5$$، بسته به اینکه ولتاژ کدام‌ یک در سر آند بیشتر است، بخش مثبت را تغذیه می‌کنند. از سوی دیگر، کاتد دیودهای $$ D_ 2$$، $$ D_4$$ و $$D_6$$، بسته به اینکه کدام‌یک منفی‌تر است، هدایت می‌کند.

می‌توان مشاهده کرد که در یکسوسازی سه فاز، جفت دیودها با الگوی خاصی جریان را هدایت می‌کنند. این الگو به صورت $$ D_ {1-2}D_{1-6}D_{3-6}D_{3-6}D_{3-4}D_{5-4}D_{5-2} $$ و $$ D _ {1-2}$$ است که در شکل زیر نشان داده شده است.

در یکسوسازهای قدرت سه فاز، هدایت همیشه در مثبت‌ترین دیود و منفی‌ترین دیود متناظر با آن انجام می‌شود. وقتی سه فاز در ترمینا‌ل‌های یکسوساز می‌چرخند، هدایت از یک دیود به دیود دیگر منتقل می‌شود. پس از آن، هر دیود $$ 120 ^ \circ$$ (یک‌سوم) از هر دوره تناوب منبع را با یک جفت دیود هدایت می‌کند. هر یک جفت دیود به اندازه $$ 60 ^ \circ $$ (یک‌ششم) یک تناوب را هدایت می‌کنند.

بنابراین، می‌توانیم بگوییم برای یک یکسوساز سه فاز که از طریق ثانویه ترانسفورماتور تغذیه می‌شود، هر فاز به اندازه $$ 360 ^ \circ /3 $$ جدا خواهد شد و بنابراین به $$ 2 \times 3 $$ دیود نیاز داریم. لازم به ذکر است که برخلاف یکسوساز نیم موج، اتصال مشترکی بین ورودی یکسوکننده و ترمینال‌های خروجی وجود ندارد. بنابراین، می‌توان آن را با یک ترانسفورماتور با اتصال ستاره یا مثلث تغذیه کرد.

در نتیجه، مقدار DC میانگین شکل موج ولتاژ خروجی یک یکسوساز تمام موج سه فاز، برابر است با:

$$ \large V _ {\mathrm {DC}} = \frac { 3 \sqrt {3 } } { \pi} V _ \mathrm {S} = 1.65 V _ {\mathrm {S}} $$

که در آن، $$ V _ \mathrm {S}$$ برابر با $$ V_ \mathrm {L(PEAK)}/ \sqrt {3} $$ و $$ V _ {\mathrm {L(PEAK)}} $$ ولتاژ خط به خط ماکزیمم ($$ 1.414 V_ \mathrm {L}$$) است.

مثال ۲

یک یکسوساز پل تمام موج سه‌ فاز برای تغذیه یک بار مقاومتی $$ 150 $$ اهمی نیاز داریم. منبع سه فاز با ولتاژ $$ 127 $$ ولت، فرکانس $$ 60 $$ هرتز و اتصال مثلث است. با چشم‌پوشی از افت ولتاژ دیودها، (الف) ولتاژ DC خروجی یکسوساز و (ب) جریان بار را محاسبه کنید.

حل (الف): ولتاژ خط RMS برابر با $$ 127 $$ ولت است. بنابراین، ولتاژ خط به خط پیک ($$ V _{\mathrm {L-L(PEAK)}}$$) به صورت زیر است:

$$ \large V _ { \mathrm { L ( P E A K ) } } = V _ { \mathrm { L ( R M S) } } \times \sqrt {2 } = 127 \times 1.414 = 179. 6 \, \mathrm {V} $$

از آنجایی که منبع سه فاز است، ولتاژ فاز به نول ($$ V _ \mathrm {P-N}$$) هر فاز به صورت زیر محاسبه می‌شود:

$$ \large V _ { \mathrm {S} } = V _ { \mathrm { L ( P E A K ) } } / \sqrt { 3 } = 179.6 / 1.732 = 103.7 \, \mathrm {V} $$

در حقیقت می‌توان گفت:

$$ \large V _ \mathrm {S} = \frac {V _ { \mathrm {L (RMS)} } \times \sqrt { 2 }} {\sqrt {3}} = 103.7 \, \mathrm {V} $$

بنابراین، ولتاژ خروجی DC یکسوکننده سه فاز، برابر است با:

$$ \large V _ \mathrm {DC} = \frac {3 \sqrt { 3 }} {\pi} V _ \mathrm {S}= 1.654 V _ \mathrm {S} = 1.654 \times 103.7 = 171.5 \, \mathrm {V} $$

می‌توانیم با استفاده از ولتاژ‌ RMS خط به خط، محاسبات بالا را کاهش دهیم و ولتاژ خروجی DC میانگین را به صورت زیر محاسبه کنیم:

$$ \large V _ \mathrm {DC} = \frac {3 \sqrt { 2 }} {\pi} V _ \mathrm {L(RMS)}= 1.35 \times 127 = 171.5 \, \mathrm {V} $$

حل (ب): خروجی یکسوساز، یک بار $$ 150 $$ اهمی مقاومتی را تغذیه می‌کند. با استفاده از قانون اهم، جریان بار به صورت زیر به دست می‌آید:

$$ \large I _ \mathrm {LOAD} = V _ \mathrm {S} / R_ \mathrm {L} = 171.5/150 = 1.14 \, \mathrm {A} $$

یکسوساز سه فاز کنترل شده

در یکسوسازی سه فاز کنترل نشده، از دیود برای تولید ولتاژ خروجی میانگین ثابت با توجه به مقدار ولتاژهای AC ورودی استفاده می‌شود. اما برای تغییر ولتاژ خروجی یکسوساز، باید همه یا تعدادی از دیودهای کنترل نشده را با تریستور تعویض کنیم. در این صورت، یکسوکننده نیمه کنترل شده یا کاملاً کنترل شده خواهیم داشت.

فیلم آموزش ماشین های الکتریکی ۱ – مرور و حل مساله در فرادرس

کلیک کنید

تریستورها، قطعات نیمه‌هادی سه‌ سر هستند و وقتی یک پالس تریگر مناسب به گیت آن‌ها اعمال شود و ولتاژ آند-کاتد آن‌ها مثبت باشد، جریان بار را از خود عبور می‌دهند. بنابراین، با تأخیر زمان پالس تریگر (زاویه آتش)، می‌توانیم تأخیر ایجاد کنیم.

در نتیجه، با یکسوسازی سه فاز کنترل شده که در آن به جای دیود از تریستور استفاده می‌شود، می‌توانیم مقدار ولتاژ‌ خروجی DC را با کنترل زاویه آتش جفت تریستورها کنترل کنیم و در نتیجه ولتاژ خروجی را به عنوان تابعی از زاویه آتش $$ \alpha $$ یکسو کنیم.

بنابراین، تنها تغییری که در فرمول مربوط به ولتاژ‌ خروجی میانگین یکسوساز پل سه فاز ایجاد می‌شود، ضرب کسینوس زاویه آتش یا $$ \cos \alpha $$ در فرمول است. اگر زاویه آتش صفر باشد ($$ \cos (0) = 1 $$)، یکسوکننده کنترل شده، مانند یکسوکننده کنترل نشده دیودی قبل و با ولتاژ‌ خروجی میانگین مشابه آن عمل خواهد کرد.

شکل زیر، یک یکسوکننده سه فاز کاملاً کنترل شده را نشان می‌دهد.

جمع‌بندی

دیدیم که یکسوسازی سه فاز، فرایند تبدیل یک منبع AC سه فاز به یک ولتاژ DC پالس‌زن است. این یکسوسازی توان، یک منبع متناوب را به یک منبع یک‌جهته تبدیل می‌کند.

همچنین دیدیم که یکسوسازهای کنترل نشده نیم موج سه فاز، از یک دیود برای هر فاز استفاده می‌کنند و باید به یک منبع با اتصال ستاره وصل شوند که دارای سیم چهارم (نول) برای بستن مدار از بار به منبع است. اما یکسوساز پل تمام موج را که از دو دیود برای هر فاز بهره می‌گیرد، می‌توان به یک منبع با اتثال مثلث متصل کرد که سه سیم دارد.

یک مزیت دیگر یکسوساز تمام موج، این است که جریان بار پل به خوبی متعادل شده و بازده (نسبت توان DC خروجی به توان تغذیه ورودی) را افزایش می‌دهد و فرکانس و دامنه ریپل خروجی آن را در مقایسه با پیکربندی نیم موج کاهش می‌یابد.

با افزایش تعداد فازها و دیودها در پیکربندی پل، می‌توان به یک ولتاژ خروجی DC میانگین بالاتر با دامنه ریپل کمتر دست یافت؛ مثلاً‌ با یکسوسازی شش فاز، که در آن، هر دیود فقط به اندازه یک‌ششم دوره تناوب هدایت می‌کند. علاوه بر این، فرکانس ریپل ولتاژ خروجی یکسوسازهای چند فاز، بیشتر است و به همین دلیل، خروجی نرم‌تری دارند. بنابراین، می‌توان از یکسوسازهای ۶، 12، 15 و حتی ۲۴ فاز برای بهبود ضریب ریپل در کاربردهای مختلف استفاده کرد.

اگر این مطلب برایتان مفید بوده است، آموزش‌های زیر نیز به شما پیشنهاد می‌شوند:

• انواع اینورترهای خورشیدی — به زبان ساده
• مبدل های DC به DC — مفاهیم اصلی
• IGBT چیست؟ — به زبان ساده

^^