بهینه سازی مولد پالسی با استفاده از الگوریتم های تکاملی

وزارت علوم تحقیقات و فناوری
دانشگاه علوم و فنون مازندران
پایان‌نامه
مقطع کارشناسی ارشد
رشته :مهندسی برق گرایش قدرت
بهینه سازی مولد پالسی با استفاده از الگوریتم های تکاملی
استاد راهنما:دکتر عبدالرضا شیخ الاسلامی
استاد مشاور:مهندس محمد رضا نژاد
نویسنده:محمد فراهانچی برادران
(زمستان 1392)

تقدیم به ساحت امام حجت بن الحسن العسکری
ارواح العالمین له فداه
الهم عجل فرجه و سهل مخرجه ونصره نصرا عزیزا

چکیده:
توان پالسی طرحی است برای تخلیه انرژی ذخیره شده الکتریکی بر روی بار در یک یا چند پالس کوتاه با نرخ تکرار قابل کنترل. فناوری تولید توان پالسی به دو شاخه پالسهای کم توان و پالسهای پر توان تقسیم می شود. پالسهای کم توان در حد چند مگا وات و پالسهای پرتوان دارای توانی در حد گیگا و تراوات یا بیشتر می باشد.
در این پایان نامه با هدف تولید شکل موج پالسی مورد نیاز برای تولید ورقهای فلزی از مولد مارکس تک قطبی با قطعات نیمه هادی استفاده شده؛ سپس با در مدار آوردن با تاخیر هر طبقه شکل موج مورد نیاز پالسی ساخته می شود. برای محاسبه زمان مناسب ورود هر طبقه به مدار الگوریتم ژنتیک به کار می رود.
با افزایش زمان، به دلیل افت ولتاژ خازنهای ذخیره کننده انرژی در مولد مارکس سطح پالس دچار افت و در نتیجه سبب خارج شدن شکل موج پالسی از حالت مورد نیاز می شود. برای از بین بردن این مشکل از جبران کننده فعال مدولاسیون عرض پالس استفاده می شود. به منظور کاهش هزینه و افزایش سادگی مدار در این پایان‌نامه طرح جدیدی برای جبران کننده فعال مدولاسیون عرض پالس ارائه شده‌ است؛ در این طرح منبع تغذیه کمکی حذف و تعدادی از خازنهای مولد مارکس به عنوان جبران کننده پالس اصلی استفاده می‌شود.
تمامی شبیه سازی ها در محیط سیمولینک و محاسبات ریاضی مربوط به نمونه برداری از پالس خروجی و مقایسه آن با پالس الگو و بدست آوردن تابع خطا در محیط برنامه نویسی متلب انجام می گیرد و نوار ابزار «گوست» برای محاسبه زمان تاخیر سوییچ ها‌ی هر واحد استفاده می‌شود.

فهرست
1مفاهیم اساسی
1-1مقدمه21-2ذخیره سازی61-2-1منابع پالسی خازنی61-2-2منابع پالسی سلفی71-2-3نوسان ساز جبران کننده پالسی71-2-4مولد های تک قطبی HPG81-2-5نوسان ساز دیسکی101-3سوییچ های بسته شونده101-3-1سوییچ های گازی101-3-2سوییچ های بسته شونده نیمه هادی111-3-3سوییچ های مغناطیسی121-4سوییچ های باز شونده141-4-1فیوز141-4-2قطع کننده مکانیکی151-4-3سوییچ باز شونده ابر رسانا151-4-4سویچ سیال (پلاسمایی)151-4-5سوییچ باز شونده نیمه هادی161-5خطوط انتقال172کاربرد های توان پالسی
2-1گداخت هسته ای192-2اثرات میدان الکتریکی پالسی بر روی ریز موجودات زنده192-2-1غیر فعال سازی میکروبی202-3کاربرد ها در درمان سرطان242-4ساخت مواد272-4-1 ورقهای فلزی272-4-2 پرداخت اولیه چوب با پالسهای لیزر272-4-3 لایه نشانی سخت292-4-4شکل دادن فلز در سرعت بالا292-4-4-1هیدرو پالسر302-5نفت و صنایع شیمیایی312-5-1تولید اُزن312-5-2شکستن امولسیون نفت خام با میدانهای الکتریکی ولتاژ بالای پالسی32
2-6تصفیه گاز332-7تصفیه آب و فاضلاب343پیشینه تحقیق و روش پیشنهادی
3-1نیازمندیهای مولد پالسی در مهندسی مواد373-2مولد مارکس383-3 مولد پالسی مارکس تکرار شونده حالت جامد403-3-1شارژ403-4معرفی کلید زنی پیشنهادی با استفاده از الگوریتم ژنتیک443-4-1الگورییتم ژنتیک463-4-2مزایای استفاده از الگوریتم ژنتیک503-5جبران سازی لبه پالس ولتاژ503-5-1روش جبران سازی مدولاسیون عرض پالس523-5-2طراحی پارامتر های جبران کننده مدولاسیون عرض پالس533-5-3 سیگنال فرمان MOSFET543-5-4 ولتاژ منبع تغذیه کمکی573-5-5 خازن Ccp573-6مدار پیشنهادی برای جبران‌سازی مولد مارکس58
4نتایج شبیه سازی
4-1تنظیم زمانهای تریگر واحدها60
4-2جبران سازی لبه پالس64
4-3بهبود شکل پالس به کمک جبران سازی71
5نتیجه گیری و پیشنهادات
5-1نتیجه گیری745-2پیشنهادات74مراجع76چکیده انگلیسی79
ضمیمه80

فهرست جداول:
جدول 1-1 محدوده توان پالسی2
جدول1-2 مقایسه محدوده عملکرد سوییچ های بسته شونده از دید بیشینه ولتاژ و جریان قابل تحمل13
جدول 1-3 مقایسه سوییچ های باز شونده16
جدول 2-1 مشخصات دستگاه برش پالسی30
جدول 4-1 پارامترهای مدار64
جدول 4-2 نتایج بدست آمده برای جبران سازی سطح پالس71

فهرست شکلها و تصاویر:
شکل 1-1 نمودار کلی یک مولد پالس2
شکل 1-2 شکل ظاهری پالس3
شکل 1-3 شمای مولد پالسی با ذخیره ساز خازنی5
شکل 1-4 شمای مولد پالسی با ذخیره ساز سلفی6
شکل1-5 نوسانساز جبران کننده پالسی8
شکل 1-6 مولد تک قطبی9
شکل 1-7 نوسان ساز دیسکی10
شکل 1-8 نمایی از سوییچ تریگاترون11
شکل 1-9 نمودار مغناطیس شوندگی هسته سوییچ مغناطیسی12
شکل 1-10 شمای سوییچ سیال15
شکل 1-11 مدار با خط انتقال17
شکل 2-1 محفظه عملیات دیسکی شکل21
شکل 2-2 محفظه عملیات استوانه ای21
شکل 2-3 محفظه عملیات میله ای22
شکل 2-4 محفطه عملیات پیوسته ساده باحفره در عایق آن22
شکل 2-5 محفظه عملیات پیوسته23
شکل 2-6 محفظه عملیات پیوسته23
شکل 2-7 طرح مولد پالس استفاده شده برای درمان سرطان24
شکل 2-8 طرح سیم پیچ هلم هولتز25
شکل 2-9 محفظه عملیاتی درمان سرطان25
شکل 2-10 پالسهای مغناطیسی اعمال شده برای درمان سرطان26
شکل 2-11ورق تولید شده توسط شرکت کابایلی با روش توان پالسی28
شکل 2-12 مدار به کار رفته برای شکل دهی هیدرولیک30
شکل 3-1 جریان بار مورد نیاز در ساخت ورق فلزی37
شکل3-2 مولد مارکس کلاسیک39
شکل3-4 مدار تخلیه مارکس کلاسیک39
شکل3-5 مولد پالسی مارکس تکرار شونده حالت جامد40
شکل3-6 مدار شارژ مولد مارکس حالت جامد40
شکل3-7 مدار تخلیه خازنهای مولد مارکس حالت جامد41
شکل3-8 الف سیگنال فرمان سوییچهای فرد ب سیگنال فرمان سوییچ های زوج43
شکل 3-9 پالس الگو44
شکل3-10 فلوچارت الگوریتم ژنتیک47
شکل3-11 مدار معادل تخلیه خازن50
شکل 3-12 شکل موج ولتاژ خازن در زمان تخلیه51
شکل 3-13 مدار معادل مولد مارکس متوالی با جبران کننده PWM52
شکل 3-14 روش کار در جبران سازی PWM53
شکل 3-15 سیگنال فرمان مورد نیاز با دوره کاری متغیر54
شکل 3-16 تولید سیگنال فرمان با مقایسه موج دندان اره ای و مربعی55
شکل STYLEREF 1 s ‏018 الف افت ولتاژ سطح پالس ب ولتاژ جبران ساز57
شکل STYLEREF 1 s ‏019 مدار جبران ساز پیشنهادی58
شکل4-1 مولد حالت جامد با چهار واحد60
شکل4-2ولتاژ الگوی مثلثی61
شکل 4-3 ولتاژ بار مدار چهار واحده مثلثی61
شکل 4-4ولتاژ الگوی سینوسی62
شکل 4-5 ولتاژ بار مدار چهار واحده سینوسی62
شکل 4-6 جریان IGBT مدار تولید پالس مثلثی63
شکل 4-7 ولتاژ IGBT مدار تولید پالس مثلثی63
شکل 4-8 مدار فرمان تولید موج PWM65
شکل 4-9 مدار پیشنهادی65
شکل 4-10 ولتاژ پالسی بار بدون جبران سازی66
شکل 4-11 ولتاژ پالسی بار با جبران سازی همزمان خازنها66
شکل 4-12 بزرگنمایی ابتدای ولتاژ پالسی بار67
شکل 4-13 بزرگنمایی انتهای ولتاژ پالسی بار67
شکل 4-14 افت ولتاژ بار و ولتاژ جبران ساز68
شکل 4-15 ولتاژ پالسی بار با جبران سازی نوبتی خازنها69
شکل 4-16 بزرگنمایی لحظه ی نیمه ولتاژ پالسی بار69
شکل 4-17 پالس ولتاژ بار بعد از فیلتر کردن توسط ترانس70
شکل 4-18 ولتاژ پالس مثلثی مدار چهار واحده بهبود یافته با جبران سازی PWM72
شکل4-19 بزرگنمایی شکل 4-1872
فصل اول
مفاهیم اساسی
1-1مقدمه
توان پالسی طرحی است برای تخلیه انرژی ذخیره شده الکتریکی بر روی بار در یک پالس کوتاه یا پالسهایی کوتاه با نرخ تکرار قابل کنترل. فناوری تولید توان پالسی به دو شاخه پالسهای کم توان و پالسهای پر توان تقسیم می شود. پالسهای کم توان در حوزه مخابرات، الکترونیک سرعت بالا، اندازه گیری و پالسهای پرتوان دارای توانی در حد چند مگاوات یا بیشتر بوده ویژگی این پالسها در جدول زیر نشان داده شده است.
فناوری پالسهای پرقدرت ایده اصلی آن مبتنی بر جمع آوری انرژی از منابع عادی اولیه در سطوح پایین توان و چگالی توان اندک و در درمرحله بعد ذخیره سازی موقت آن انرژی است سپس انرژی به سرعت از منبع ذخیره موقت رها می شود و شکل پالسی می یابد. و در نهایت پس از فشرده سازی توان پالسی، انرژی الکتریکی با سطوح بالای توان و چگالی توان به بار انتقال می یابد.[1]

شکل 1-1 محدوده توان پالسی

شکل 1-2 شکل ظاهری پالس
علاوه بر توان و انرژی، پالسها با نوع شکل شان نیز شناسایی می شوند. مثلاً با زمان صعود، زمان افت، عرض پالس یا صافی سطح پالس. معمولاً عرض پالسها توان بالا بین چند نانو ثانیه تا چند میکروثانیه در نظر گرفته می شود.(شکل 1-1)
زمان صعود زمانی است که ولتاژ از 10% تا 90% اندازه نهایی افزایش می یابد. زمان افت نیز مدت زمان افت ولتاژ از 90% تا 10% است. زمان افت و صعود تا حدود زیادی به امپدانس بار بستگی دارد که با زمان معمولاً متغیر است. تعریف واحدی برای عرض پالس در منابع وجود ندارد اما برای برخی کاربردها بهتر است مدت زمانی که شکل موج حداقل 90% مقدار بیشینه را دارد تعریف گردد.
جدول STYLEREF 1 s ‏0 SEQ جدول * ARABIC s 1 1 محدوده توان پالسی
انرژی 10-107 ژول
توان 106 – 1014 وات
ولتاژ 103- 107 ولت
جریان 103 – 107 آمپر
چگالی جریان 106-1011 آمپر بر متر مربع
عرض پالس 10-10-10-5 ثانیه
انرژی 10-107 ژول
توان 106 – 1014 وات
ولتاژ 103- 107 ولت
جریان 103 – 107 آمپر
چگالی جریان 106-1011 آمپر بر متر مربع
عرض پالس 10-10-10-5 ثانیه
طرح توان پالس قابلیت شکل دهی پالس را علاوه بر چند برابر کنندگی توان دارا می باشد. مثلاً می توان زمان صعود و عرض پالس دلخواه را ایجاد کرد. برای بهینه سازی انتقال انرژی به بار تبدیل امپدانس ممکن است نیاز باشد. شکل 1-2 اجزای مولد پالس را نشان می دهند.

ذخیره سازیانرژی می تواند به صورت شیمیایی، مکانیکی یا الکتریکی ذخیره شود. در بعضی دستگاهها انفجار شیمیایی برای فشرده سازی شار مغناطیسی موجود، استفاده می شود. و بدین ترتیب توان را تا جایی افزایش می دهد که انرژی مغناطیسی ذخیره شده بتواند آزاد شود.
انرژی مکانیکی می تواند در روتور یک ژنراتور ذخیره شود. انرژی الکتریکی می تواند هم به صورت خازنی در میدان الکتریکی یا به صورت القایی در میدان مغناطیسی ذخیره گردد. در مورد اول εε0E2 2/1 we= با ضریب عایقی 6 ε= و قدرت شکست ×108v/m 0.78 E=بیشینه چگالی انرژی kj/m3 161 we= بدست می آید.
به دلیل محدود بودن بسته بندی خازن این مقدار باید در 5.0 ضرب شود بنابراین بیشینه ظرفیت ذخیره سازی خازن kj/m3 80 we= خواهد بود.
در مورد سلف wb=B22μμ0 در اینجا بشینیه چگالی انرژی به دلیل ذوب فلز دو سطح رسانا یا با قدرت مکانیکی سلف ذخیره ساز محدود می شود. گرمایش سلف در اثر تلفات ژولی در سطح رسانا به دلیل جریانهای گردابی است که در اثر القای میدان مغناطسی ایجاد می شود.
در این مورد میانگین چگالی انرژی kj/m33900 است. حتی با در نظر گرفتن شرایطی فنی مانند سازه های نگهدارنده، عایق سازی و غیره مشاهده می شود که چگالی انرژی ذخیره شده در میدان مغناطیسی می تواند تا 100 برابر انرژی ذخیره شده در میدان الکتریکی باشد.
اجزای اصلی مولد با ذخیره ساز خازنی در شکل 1-3 نمایش داده شده است. این مولد به تعداد بیشتری سویچ بسته شونده نیاز دارد که در زمان شارژ باز بماند و ولتاژ شارژ را نگه دارد. زمانی که سویچ بسته می شود مولد به چند برابر کنندگی ولتاژ یا جریان می رسد.

شکل 1-3 شمای مولد پالسی با ذخیره ساز خازنی
مولد با ذخیره سازی القایی در شکل 1-4 نشان داده است. این طرح نیازمند سویچ بازشونده است که در زمان شارژ بسته باشد و جریان بالایی را انتقال دهد. بعد از شارژ سویچ باید در یک لحظه باز شود و ولتاژ بالایی را تحمل کند. به دلیل اینکه بسیار مشکل است تا سوییچ باز شونده مناسب ساخته شود. بیشتر مولدهای توان بالا از ذخیره ساز خازنی استفاده می کنند با وجود اینکه قابلیت ذخیره چگالی انرژی پایین تری دارد.

شکل 1-4 شمای مولد پالسی با ذخیره ساز سلفی
اصلی ترین مشخصه توان پالسی که آن را از دیگر زمینه های الکترونیک قدرت متفاوت می کند و در روشهای دیگر الکترونیک قدرت قابل دسترس نیست میزان نسبت توان بیشینه به توان متوسط است. این مشخصه می تواند سبب شکستن آستانه تحمل و اثرات غیر خطی شود. مثلا میدان الکتریکی پالسی قوی می تواند سبب نابودی غشای سلولهای زنده یا سبب آزاد شدن بهمنی الکترونها از سطح فلز شود. مقدار بالای توان بیشینه بر میانگین می تواند همچنین سبب فرونشاندن روندهای گرمایشی پیش رونده شود.
سودمندیهای دیگر به عرض کم پالس بر می گردد که دسترسی به فرکانسهای بالا در رادار و رادیوگرافی پرتو X را ممکن می سازد.[7]
منابع پالسی خازنیذخیره سازی سازه با مبدل های دی-سی/دی-سی همراه با باتری ها و مبدل های AC همراه با یکسو سازه ها قابل انجام است.
سهولت تخلیه انرژی با کلیدهای بسته شونده
امکان بازیابی بخش عمده ای از انرژی ذخیره شده
فشار مغناطیسی نشتی اندک
بسته بندی آسان
سهولت تعمیر و نگهداری
انعطاف پذیری در تغذیه انواع بارها و تامین پالسها با انرژی ها و مشخصات متفاوت
منابع پالسی سلفیچگالی انرژی قابل ذخیره در سلفها بسیار بالاست 100 برابر خازن که باعث کوچک شدن حجم مولد می شود.
امکان بازیابی نیمی از انرژی ذخیره شده بین دو طبقه فشرده ساز انرژی
بدون توجه به ولتاز مورد نیاز در بار قادرند جریان مورد نظر را برقرارسازند.
مشکلات فناوری در شارژ سلفها
شارژ مغناطیسی نشتی بالا
سلف پارازیتی که ذخیره ساز خازنی مسئله ساز است قسمتی از سیستم ذخیره ساز سفلی است.
منبع اولیه توان در روش سلفی دارای ولتاژ کمتری است که باعث ساده شدن طرح میشود.[3]
نوسان ساز جبران کننده پالسی
نوع خاصی از مولد AC دارای امپدانس خروجی کوچک بوده و قادرند بدون بهره بردن از ذخیره ساز میانی انرژی و یا عناصر شکل دهنده پالس خارجی مستقیماً پالسهای مورد نیاز انواع شتابنده های الکترومغناطیسی یا

این نوشته در پایان نامه ها ارسال شده است. افزودن پیوند یکتا به علاقه‌مندی‌ها.

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *