مبدلها

اینورتر پنج سطحی نقطه خنثی کلمپ شده

مقدمه:

شاید شما نیز در مورد اینورترهای چند سطحی (نوعی از مبدل DC به AC) شنیده باشید. این ساختارها در کاربردهای توان متوسط دلیل استفاده از آنها بیشتر به خاطر کاهش استرس ولتاژی کلیدهای قدرت و همچنین کاهش اندازه فیلتر خروجی می باشد. مزیت های مهم این ساختارها شامل کیفیت توان بهبود یافته، اعوجاج هارمونیک کل (THD) پایین تر، ولتاژ مد مشترک کمتر و تداخل الکترومغناطیسی (EMI) پایین تر نسبت به ساختارهای دو سطحی می باشد. 

سه نوع مرسوم و کلاسیک از این اینورترها وجود دارد:

نوع خازن شناور (FC)، نوع نقطه خنثی کلمپ شده (NPC) و نوع H پل آبشاری.

ساختاری که می خواهیم در اینجا به آن بپردازیم، نوع NPC است که یک پایه از فاز آن برای نوع پنج سطحی در شکل 1 نشان داده شده است که دارای هشت کلید قدرت، شش دیود کلمپینگ و 4 خازن لینک DC می باشد. منظور از پنج سطح ولتاژ این است که علاوه بر سطح صفر، دو سطح مثبت ولتاژی و دو سطح منفی ولتاژی در مشخصه وجود دارد که به شکل پله پشت سر هم قرار می گیرند. این کار در کاهش اعوجاج هارمونیک کل و سینوسی تر شدن مشخصه مؤثر خواهد بود، به صورتی که هر چه تعداد سطوح بیشتر شود، THD کمتر و مشخصه به سینوسی نزدیک تر می شود. به هر حال با افزایش تعداد سطح ولتاژ، تعداد المان ها نیز افزایش یافته و منجر به افزایش تلفات هدایتی و کلیدزنی مبدل می شود.

شکل 1) پایه فاز a از یک اینورتر پنج سطحی NPC مرسوم

اینورترهای چند سطحی NPC سطوح ولتاژ را از ولتاژ نقطه خنثی بوسیله تطبیق آن با دیودهای کلمپینگ تولید می کنند. در این ساختارها خازن های لینک DC چندگانه نیز وجود دارند که ظرفیت مشخصه ولتاژ خروجی را تأمین می کنند. با افزایش سطوح ولتاژ خروجی تعداد دیودها، تعداد کلیدهای نیمه هادی قدرت و همچنین تعداد خازن های لینک DC افزایش می یابد. در هنگام طراحی باید به مسئله تلفات هدایتی و تولید جریانهای بازیابی معکوس دیودهای کلمپینگ دقت کرد که بر تلفات کلیدزنی المان های دیگر اثر می گذارد.

این اینورترها را می توان با دو روش مرسوم تحریک کرد:

روش مدولاسیون پهنای پالسی با شیفت عمودی و روش مدولاسیون پهنای پالسی با شیفت افقی. در هر دو روش از چند کریر مثلثی استفاده می شود که تعداد آنها بستگی به تعداد سطوح ولتاژ خروجی دارد، به صورتیکه برای N سطح ولتاژ نیاز به N-1 کریر در هر فاز می  باشد. در روش اول این کریرها با پیک تو پیک مساوی تنظیم شده و در زیر هم و به صورت عمودی قرار داده می شوند، در حالیکه در روش دوم کریرها در جهت افقی (محور زمان) شیفت داده شده و پشت سر هم قرار می گیرند.

باید توجه کرد که روش اول با شیفت عمودی نیز می تواند به سه صورت انجام شود که بستگی به فاز سیگنالهای کریر نسبت بهم دارد. به طور مثال نوع PD یا Phase disposition آن که برای ساختارهای سه فاز مرسوم است در شکل 2 زیر نشان داده شده است. در این روش تمام کریرها با یکدیگر هم فاز می باشند.

شکل 2) مدولاسیون پهنای پالسی با شیفت عمودی به روش PD

بررسی یک شبیه سازی از اینورتر پنج سطحی

در این قسمت برای درک بهتر عملکرد اینورتر پنج سطحی NPC ، یک مدل از این ساختار در نرم افزار PSIM شبیه سازی شده و مشخصات خروجی آن بدست آورده شده است. این ساختار که در شکل 3 نشان داده شده است، به صورت سه فاز طراحی شده و در هر پایه از خود دارای هشت کلید قدرت برای فاز می باشد. در ورودی این اینورتر چهار خازن 2000 میکروفاراد قرار دارد که بر طربق اتصالات خاصی به دیودهای موردنظر متصل شده است. منبع توان ورودی یکسو با ولتاژ 500 ولت بوده و در خروجی مبدل یک بار مقاومتی قرار داده شده است. برای دریافت یک شکل موج نسبتا صاف با THD معقول در خروجی، یک فیلتر LC در خروجی اینورتر و قبل از بار قرار داده شده است و به صورتی تنظیم شده است تا جای ممکن هارمونیک های مرتبه پایین را حذف کند.

شکل 3) ساختار اینورتر پنج سطحی NPC در نرم افزار PSIM

برای موضوع مهمی که در رابطه با این اینورتر وجود دارد تحریک کلیدهای هر فاز به صورت مناسب و حساب شده است تا یک خروجی پنج سطحی از ولتاژ بدست آورده شود. در اینجا از روش مدولاسیون پهنای پالسی شیفت داده شده استفاده شده که در آن از چهار سیگنال کریر مثلثی با فرکانس 6000 هرتز و یک سیگنال حامل سینوسی با فرکانس 50 هرتز استفاده شده است. با تنظیم یک رابطه منطقی بین این سیگنالها، تحریک لازم برای کلیدهای هر فاز بدست آورده شده و به آنها اعمال شده است. در ادامه نتایج شبیه سازی را بررسی خواهیم کرد.

سیگنالهای کریر و حامل در شکل 4 نشان داده شده است. همانطور که ملاحظه می شود، سیگنالهای کریر هر یک با دامنه پیک تو پیک 0.5 و با فرکانس 6000 هرتز تنظیم شده اند و یک سیگنال حامل سینوسی نیز وجود دارد که برای مقایسه و تولید سیگنالهای تحریک استفاده می شود.

شکل 4) سیگنالهای چهارگانه کریر و تک سیگنال حامل سینوسی

در ادامه مشخصه مهم ولتاژ خروجی اینورتر قبل از عمل فیلترینگ در شکل 5 نشان داده شده است. همانطور که ملاحظه می شود، مشخصه مذکور دارای پنج سطح ولتاژی می باشد که به صورت پله ای پشت سر هم قرار گرفته اند. این شکل از ولتاژ نسبت به ولتاژ خروجی اینورتر دو سطحی و سه سطحی منجر به اعوجاج هارمونیکی پایین تری می شود. با توجه به مقدار THD اندازه گیری شده از خروجی نرم افزار مقدار آن برای مشخصه مذکور در فرکانس اصلی برابر با 53 درصد می باشد.

شکل 5) مشخصه ولتاژ خروجی اینورتر پنج سطحی قبل از فیلترینگ

در انتها مشخصات ولتاژ و جریان بار که از مرحله فیلترینگ عبور کرده است، در شکل 6 نشان داده شده است. مشخصه های مذکور به سینوسی نزدیک بوده و در فرکانس اصلی دارای THD برابر با 5.6 درصد می باشند. همانطور که مشخص است فیلتر LC به خوبی در مهار هارمونیک های مشخصه های خروجی موفق بوده است. مقدار مؤثر ولتاژ خروجی در این حالت 105 ولت می باشد.

شکل 6) مشخصه ولتاژ و جریان بار مقاومتی

———————————————————————————————————————————————————-

توجه:

در این مطلب به معرفی ساختار اینورتر پنج سطحی نقطه خنثی کلمپ شده پرداختیم و با شبیه سازی مدل این ساختار در نرم افزار PSIM مشخصات خروجی آن از جمله ولتاژ و جریان بار و همچنین سیگنالهای کریر و حامل را مورد بررسی قرار دادیم. شما می توانید برای در اختیارداشتن فایل شبیه سازی و بررسی مشخصات دیگر اینورتر مذکور از لینک زیر برای خرید و دریافت فایل شبیه سازی استفاده کنید.

قیمت پروژه : 150000 تومان

Related Posts

دیدگاهتان را بنویسید