عنوان

طراحی و پیاده سازی ساختار بهبودیافته برای شارژرهای تک مرحله ای

شماره

پ۲۸۳۲۰

زبان متن نوشتاري يا گفتاري و مانند آن

per

عنوان اصلي

طراحی و پیاده سازی ساختار بهبودیافته برای شارژرهای تک مرحله ای

نام نخستين پديدآور

حامد نازی

نام ناشر، پخش کننده و غيره

مهندسی برق و کامپیوتر

تاریخ نشرو بخش و غیره

۱۴۰۱

نام خاص و کميت اثر

۱۰۲ص.

مواد همراه اثر

سی دی

جزئيات پايان نامه و نوع درجه آن

دکتری

نظم درجات

مهندسی برق گرایش قدرت

زمان اعطا مدرک

۱۴۰۱/۱۰/۲۵

متن يادداشت

با رشد روزافزون استفاده از سیستم¬های ذخیره¬ساز انرژی در کاربرد انرژی¬های نو، شبکه¬های هوشمند، تجهیزات قابل حمل، سیستم¬های ذخیره¬ساز اضطراری و سیستم¬های ذخیره¬ساز پشتیبان، تحقیقات روی ذخیره¬سازها از جمله باتری و مدارهایی واسط آن توجه بسیاری را به خود جلب کرده است. یکی از تجهیزات واسط بسیار مهم در بحث سیستم¬های ذخیره¬ساز مبتنی بر باتری، شارژرها هستند. کیفیت یک شارژر نه تنها روی مدت زمان لازم برای شارژ باتری و کنترل دمای آن در حین شارژ تاثیر دارد، بلکه در مقدار طول عمر باتری نیز بسیار تاثیرگذار است، به طوری¬که با توجه به قیمت بالای باتری، کیفیت شارژرها از اهمیت زیادی برخوردار است. همچنین، حجم، وزن و راندمان شارژر می¬تواند تاثیر به سزایی در حجم، وزن و قیمت تمام شده سیستم ذخیره ساز داشته باشد. از طرفی، با در نظر گرفتن روند رو به رشد استفاده از تجهیزات قابل شارژ، پیش¬بینی می¬شود در آینده نزدیک تعداد زیادی از شارژرها به صورت هم¬زمان به شبکه برق متصل شوند. این باعث می¬شود کیفیت جریانی که از شبکه دریافت می¬کنند به شدت روی کیفیت توان شبکه تاثیرگذار باشد. با توجه به موارد گفته شده، در سال¬های اخیر تحقیقات گسترده¬ای جهت بهبود شارژرها انجام گرفته و موارد بسیاری نیز در حال انجام است. از دیدگاه ساختار الکترونیک قدرت، در حالت کلی می¬توان شارژرها را به سه دسته شارژهای تک¬مرحله¬ای، دومرحله¬ای و مجتمع تقسیم¬بندی نمود. شارژرهای مرسوم، غالبا به صورت دومرحله¬ای هستند که عموما تعداد عناصر زیادی دارند و با توجه به دو مرحله¬ای بودن راندمان محدودی نیز دارند. در طرف مقابل، شارژرهای تک مرحله¬ای عموما دارای چگالی توان بالا، راندمان بالا و تعداد عناصر کمی هستند و به همین دلیل اخیرا مورد توجه زیادی قرار گرفته¬اند که در این رساله نیز تمرکز بر روی این نوع شارژرها است.در این رساله، دو ساختار تک¬مرحله¬ای مختلف برای کاربرد شارژر ارائه شده است که مناسب استفاده در توان¬های کمتر از هستند. ساختار پیشنهادی اول یک ساختار مبدل AC-DC ایزوله با ضریب توان بالا و قابلیت استفاده به صورت شارژر است. این ساختار فاقد پل دیود ورودی و خازن لینک DC است. ساختار پیشنهادی ترکیبی از مبدل تشدید سری و مبدل PFC بدون پل دیود است. بخش تشدید به دیودهای خروجی اجازه می¬دهد تحت جریان صفر خاموش شوند و بدین ترتیب، تلفات بازیابی معکوس آنها به حداقل برسد. این ویژگی به همراه قابلیت انتقال توان تک¬مرحله¬ای سبب شده تا راندمان ساختار پیشنهادی بالا باشد. همچنین عدم وجود خازن بزرگ الکترولیتی لینک DC، ساختار پیشنهادی را کوچک و سبک می¬کند. این مبدل به عنوان ساختار پایه مبدل پیشنهادی دوم نیز استفاده شده است، به گونه¬ای که با حذف دو دیود فرکانس پایین ورودی آن و حفظ سایر ویژگی¬های مثبت و طراحی کنترل کننده مناسب برای کاربرد شارژر ساختار پیشنهادی دوم به دست آمده است. ساختار پیشنهادی دوم یک شارژر تک¬مرحله¬ای ایزوله فاقد پل دیود و خازن لینک DC همانند ساختار پیشنهادی اول می-باشد. این ساختار در واقع بهبودیافته مبدل پیشنهادی اول و ترکیبی از یک مدار تشدید ایزوله و مدار اصلاح¬گر ضریب توان (PFC) می¬باشد. وجود مدار اصلاح گر ضریب توان به دیودهای سمت خروجی اجازه می¬دهد تحت جریان صفر (ZCS) کلیدزنی شوند. این امر باعث می¬شود تلفات بازیابی معکوس دیودها به حداقل برسد. از طرفی، با توجه به تک¬مرحله¬ای بودن مدار، پردازش توان تنها در یک مرحله انجام می¬شود. این ویژگی به همراه امکان ZCS فراهم شده در مدار ارائه شده باعث افزایش راندمان مدار شده است. علاوه براین، عدم وجود پل دیود ورودی (به همراه گرماگیر آن) و خازن الکترولیتی بزرگ، باعث می¬شود مدارهایی پیشنهادی کوچک¬تر و کم حجم¬تر شوند. بر این اساس، ساختارهای ارائه شده، ساده،کوچک، دارای حداقل تعداد المان و راندمان بالا هستند. صحت عملکرد ساختارهای پیشنهادی و هم¬چنین درستی روابط استخراج شده با شبیه‌سازی کامپیوتری در محیط نرم¬افزار PSCAD/EMTDC و همچنین نتایج عملی برای نمونه آزمایشگاهی 350 واتی تایید شده است.

متن يادداشت

Abstract:With increasing use of energy storage systems in the transportation electrification, renewable energy, smart grid, and portable devices applications, research on storage devices including batteries and their interface circuits is increased. One of the most important parts in the battery-based storage systems is chargers. The quality of a charger not only affects the charging time and temperature of the battery during charging but also has a great impact on the battery's lifetime. Considering the high price of the battery, the quality of chargers is very important. Also, the volume, weight and efficiency of the charger can have a significant impact on the volume, weight and cost of the storage system. Besides, with growing trend of using rechargeable devices, it is expected that in the near future, a large number of chargers will be connected to the power grid at the same time. Therefor, the quality of the current drawn by chargers can strongly affect the power quality of the grid. Accordingly, in order to improve the quality of the chargers a lot of research has been done. From power electronic point of view, chargers can be divided into three main categories: single-stage, two-stage and integrated chargers. Conventional chargers are often two-stage, which generally have a large number of elements and due to the two-stage nature, they have limited efficiency. On the other hand, single-stage chargers generally have high power density, high efficiency, and a small number of elements, for this reason, they have received a lot of attention recently, and this thesis also focuses on this type of chargers.In this thesis, two single-stage chargers are presented. The first proposed structure is an isolated AC-DC converter structure with high power factor and can be used as a charger. This structure has no input diode bridge and DC link capacitor. The proposed structure is a combination of series resonant and PFC converters. The resonant section allows the output diodes to turn off under zero current, thus minimizing their reverse recovery losses. This feature, in addition to the single-stage power conversion capability, has increased the efficiency of the proposed circuit. Besides, the lack of low-frequency input bridge and large electrolytic capacitor of the DC link, makes it simple and small. This converter is used as the base structure of the second proposed converter. To do that, two low frequency input diodes are removed while other positive features are maintained. Similar to the first proposed structure, the second proposed converter is a single-phase bridgeless electrolytic capacitor-less single-stage battery charger. Actually, this converter is an improvement of the first proposed converter and a combination of an isolated resonant circuit and a PFC. The combination of such two circuits creates an isolated AC-DC converter that not only controls the charging current and voltage, but also performs PFC and draws high-quality sinusoidal current from the grid. The series resonance circuit provides ZCS for output diodes, thereby reducing losses related to their reverse recovery. The resonant capacitors are designed so that the charger can operate in the range of 120V to 230V input voltage, while ZCS is still guaranteed for output diodes. Besides, elimination of low-frequency input diodes decreases the circuit losses. In addition, the lack of the electrolytic capacitor increases the power density, and reduces the volume and weight of proposed charger. The power factor correction and output power control are simultaneously achieved in one stage by using the proposed control method. To confirm the correctness of the performance of the proposed conveters and extracted mathematical equations, a simulation is made in PSCAD/EMTDC software and also a 350W experimental prototype is implemented. The results confirm the performance of the proposed structres.

عنوان گونه گون

Design and Implementation of Improved Structure for Single-Stage Battery Chargers

عنصر شناسه اي

‏‏نازی،

ساير عناصر نام

حامد ‏

کد نقش

تهیه کننده

عنصر شناسه اي

‏بابائی‏،

عنصر شناسه اي

‏توحیدی،

عنصر شناسه اي

،University of Kiel

ساير عناصر نام

ابراهیم ‏

ساير عناصر نام

سجاد ‏

ساير عناصر نام

Germany‏

تاريخ

استاد راهنما

تاريخ

استاد راهنما

تاريخ

استاد مشاور

عنصر شناسه اي

‏ تبریز