اینورتر منبع امپدانسی (ZSI)

مقدمه

یکي از پرکاربردترین مبدلهای الکترونیک قدرت مبدلهای DC-AC(اینورترها) مي ­باشند. از کاربردهای اینورترها مي­ توان به استفاده در ادوات سیستم­ های انعطاف­ پذیر AC ، سیستم های تجدید­پذیر، درایو موتورهای الکتریکي و بطورکلي جایي که هدف تولید ولتاژ خروجي متناوب با اندازه و فرکانس قابل کنترل است، اشاره کرد.  اینورترها به دو نوع اینورتر منبع جریاني و اینورتر منبع ولتاژی تقسیم مي­ شوند. اگر در اینورتر، ولتاژ (جریان) ورودی ثابت باشد، به این نوع اینورتر، اینورتر منبع ولتاژی (جریاني) گفته مي ­شود. ولتاژ خروجي اینورتر منبع ولتاژی و اینورتر منبع جریاني به ترتیب کاهنده و افزاینده است، در نتیجه دارای محدودیت در ولتاژ خروجي مي باشند.

اینورترهای منبع ولتاژ و اینورترهای منبع جریان دارای مشکلات مشترکي هستند، این مشکلات عبارتند از [1]:

• عدم عملکرد به صورت افزاینده و کاهنده در یک اینورتر

• کلیدهای بکار رفته در اینورتر منبع ولتاژی را نمي ­توان در اینورتر منبع جریاني بکار برد و بالعکس.

• در برابر تداخل الکترومغناطیسي آسیب پذیر مي­ باشند.

 اینورتر منبع ولتاژی در مقایسه با اینورتر منبع جریاني دارای تلفات کمتر، راندمان بیشتر، قابلیت اطمینان بیشتر و پاسخ دینامیکي بهتر مي ­باشد. از این اینورترها بطور گسترده­ ای در درایو موتورهای الکتریکي و کاربردهای کیفیت توان و سیستم­ های تجدیدپذیر مانند سیستم ­های فتوولتائیک استفاده می­ شود.

به منظور برطرف­ کردن محدودیتهای ذکر شده اینورترهای منبع ولتاژی و منبع جریاني، در سال 2003 اولین بار اینورتر منبع امپدانسی (ZSI) توسط «پرفسور پنگ» ارائه و ساخته شده است. با افزودن یک شبکه امپدانسي X شکل – شامل دو سلف و دو خازن – در قسمت لینک DC بین منبع تغذیه مستقیم ورودی و پل سه ­فاز، اینورتر منبع امپدانسی بدست مي ­آید. این امر موجب به وجود­آمدن ویژگي­های خاصي برای این اینورتر مي ­شود که قبلاً ممکن نبود. یکي از این خواص، امکان اتصال کوتاه شدن هر دو کلید موجود در یک شاخه بطور همزمان است، این حالت را تحت نام اتصال کوتاه (shoot-through) مي­ شناسند. سلف و خازن شبکه امپدانسي فیلتری برای تداخل الکترومغناطیسي است که منجر به افزایش قابلیت اطمینان و کاهش تداخل الکترومغناطیسي مي ­شود. منبع DC می ­تواند یک باتری، یکسوساز دیودی، مبدل تریستوری، پشته سلول سوختی، یک سلف، یک خازن یا ترکیبی از آنها باشد. در خروجی شبکه منبع امپدانس نیز معمولاً یک پل تکفاز دو پایه یا پل سه فاز سه پایه قرار دارد که در هر پایه دارای دو کلید قدرت و دیود موازی شده با هر کلید می­ باشد [1].

یک نوع اینورتر منیع امپدانسی سه فاز از نوع ولتاژی برای نمونه در شکل 1 نشان داده شده است. در این اینورتر علاوه بر هشت حالت کلیدزنی اینورترهای مرسوم ( شش بردار اکتیو و دو بردار صفر)، یک حالت بردار صفر دیگر نیز وجود دارد که ناشی از اتصال کوتاه شدن یک یا چند ساق در اینورتر می باشد که ویژگی یکتای افزاینده – کاهنده بودن را برای اینورتر فراهم می­ کند. پس در کل 9 حالت کلیدزنی برای این نوع اینورتر وجود دارد. همچنین ولتاژ خروجی اینورتر ZS به سادگی با کنترل زمان ST قابل کنترل می­ باشد. مدار مبدل در حالت بردار صفر جدید (بردار صفر ST) و در حالت هشت­گانه مرسوم به ترتیب در شکل 2 و 3 نشان داده شده است. مدهای هشت گانه همانند اینورترهای منبع ولتاژی و منبع جریانی، به صورت شش بردار فعال و دو بردار صفر است که اولی در حالتی است که ولتاژ ورودی مستقیم به دو سر بار اعمال می ­شود، در حالیکه دومین حالت برای زمانی است که ترمینال­های بار از طریق کلید بالایی یا پایین اتصال کوتاه می ­شوند. در حالت بردار صفر جدید که برای اینورتر منبع امپدانسی وجود دارد، ترمینالهای بار از طریق هردو کلید بالایی و پایینی در یک، دو یا سه ساق اتصال کوتاه می­ شوند [1].

شکل 1) اینورتر منبع امپدانسی سه فاز از نوع ولتاژی

شکل 2) مد مربوط به حالت های هشت گانه

شکل 3) مد مربوط به حالت اتصال کوتاه جدید

روابط ریاضی حاکم بر اینورتر منبع امپدانسی سه فاز [1]

با در نظر گرفتن اینکه سلفهای L₁ و L₂ دارای مقدار مشابه L و خازن­های C₁ و C₂ دارای مقدار مشابه C باشند، شبکه امپدانسی متقارن است. از حالت تقارن و مدارهای معادل می ­توان نوشت:

با در نظرگرفتن اینکه مدت زمان یک سیکل کلیدزنی T باشد و مبدل برای مدت T₀ در حالت اتصال کوتاه ساق باشد و به مدت T₁ از سیکل کلیدزنی T در هشت حالت دیگر باشد، (T=T₀+T₁) ، فرض می­ کنیم پل اینورتر در وضعیت حالت صفر جدید باشد، بنابراین به کمک مدار معادل شکل 2 خواهیم داشت:

حال فرض می­ کنیم، پل اینورتر در یکی از هشت وضعیت مرسوم باشد، در این حالت با کمک مدار معادل شکل 3 می ­توان نوشت:

مقدار متوسط ولتاژ سلف­ها در طول یک دوره کلیدزنی T باید در حالت ماندگار صفر باشد، بنابراین از روابط دوم و سوم می توان نوشت:

به طور مشابه، مقدار متوسط ولتاژ لینک DC  دو پل اینورتر می ­تواند به صورت زیر در نظر گرفته شود:

مقدار پیک ولتاژ لینک DC دو سر پل اینورتر به صورت بیان می ­شود:

که در این رابطه ضریب B به صورت زیر می ­تواند نوشته شود:

به مقدار B، ضریب افزایندگی می­ گویند که ناشی از حالت اتصال کوتاه ساق می ­باشد. این ضریب را با کنترل سیکل کاری D (T0/T) می ­توان کنترل نمود.از طرف دیگر مقدار پیک ولتاژ فاز خروجی اینورتر می­ تواند به صورت زیر بیان شود:

که در این رابطه M  شاخص مدولاسیون اینورتر است. حاصل ضرب دو ضریب M و B را با B_B نشان داده و به آن ضریب افزایندگی – کاهندگی مبدل (گین ولتاژی) می ­گویند. پس با کنترل این ضریب می­توان ولتاژ را افزایش یا کاهش داد.

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

مراجع

F. Z. Peng, “Z-Source Inverter”, IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRY APPLICATIONS, VOL. 39, NO. 2, MARCH/APRIL 2003.