مقدمه: توضیح پیرامون مبدل چندسطحی
در سالهای اخیر مبدلهای چندسطحی در کاربردهای ولتاژ متوسط توان بالا یک نقش مهم فزاینده ای را ایفا کرده اند. در مقایسه با مبدلهای ولتاژ دوسطحی مرسوممزیتهای اولیه مبدلهای چندسطحی، پله های ولتاژ خروجی کوچکتر آنهاست که منجر به کیفیت توان بالاتر،مؤلفه های هارمونیکی پایین تر، ظرفیت ولتاژ بالاتر، سازگاری الکترومغناطیسی بهتر و تلفات کلیدزنی پایین تر می شود. این نوع مبدل ولتاژ خروجی پله کانی را ترکیب می کند که شکل موج سینوسی با حداقل هارمونیک را موجب می شود. برای برآورده سازی نیاز هارمونیکی مشابه، فرکانس موردنیاز برای مبدل چندسطحی خیلی کمتراز مبدل مرسوم است. بعلاوه این مبدل می تواند بازده بالاتری را بدست آورد و همچنین دارای نرخ تغییر ولتاژ پایین تری می باشد. اخیراً مشخص شده است که نرخ ولتاژ بالا در مبدل مدولاسیون پهنای پالس قدرت – بالا می تواند باعث تخلیه کورونا شود و منجر به خرابی بلبرینگ یا عایق سیم پیچی شود.
تاکنون پیکربندیهای متنوع مداری و راهکارهای مدولاسیون برای استفاده بهتر از اینورترهای منبع ولتاژی چندسطحی گزارش شده بوده است. پیکربندیهای چندسطحی به سه دسته تقسیم می شوند: اینورترهای دیود کلمپی، اینورترهای خازن شناور و اینورترهای آبشاری.
به طور نمونه، پیکربندیهای متفاوتی برای اینورتر پنج سطحی در شکل 1 نشان داده شده است که دارای تعداد مساوی از کلیدهای اصلی می باشند. اینورتر دیود کلمپی احتیاج به دیودهای کلمپ کننده اضافی دارد. اینورتر خازن شناور احتیاج به تعداد بیشتری از خازن دارد. اینورتر آبشاری دارای ساختار ساده بوده اما احتیاج به منابع یکسو جداگانه مختلف دارد. عیب اصلی اینورتر دیود کلمپ شده، نامتعادلی خازن لینک DC می باشد که کاربرد آنرا به تعداد سطوح پنج یا کمتر محدود می کند. مشکل ممکن است با استفاده از پیکربندی های ترکیبی تخفیف داده شود. برای مثال ترکیب یک پیکربندی دیود کلمپ شده سه سطحی با H پل ساختار ترکیبی پنج سطحی را نتیجه می دهد که نقطه خنثی کلمپ شده (NPC) نامیده می شود که مسئله نامتعادلی لینک dc اینورتر دیود کلمپ شده را تخفیف داده و همچنین احتیاج به منابع dc جداگانه را حذف می کند.
شکل 1) پیکربندیهای مختلف برای VSI پنج سطحی
راهکارهای کلیدزنی مختلفی متناسب با پیکربندیها و کاربردهای مختلف برای اینورترهای چند سطحی توسعه داده شده است. برای PWM سینوسی شکل چندسطحی، تکنیکهای حالت مخالف فازی تناوبی (APOD)، حالت مخالف فازی (POD) و مخالف فازی (PD) برای اینورترهای تک فاز و سه فاز توسعه داده شده بوده است. در این روش ها بجای یک سیگنال کریر از چند سیگنال کریر (مثلثی) برای مقایسه با سیگنال مرجع (سینوسی) استفاده می شود. اگر تعداد سطوح موردنیاز N باشد، به تعداد N-1 سیگنال کریر لازم است تا تحریک مناسب برای کلیدهای اینورتر N سطحی فراهم شود.
بررسی پروژه شبیه سازی شده
در پروژه پیشرو یک اینورتر چند سطحی سه فاز از نوع پنج سطحی دیود کلمپ شده در نظر گرفته شده است که از تکنیک PD برای کنترل و تحریک کلیدهای پایه های مبدل استفاده می کند. چون تعداد سطوح 5 می باشد، بنابراین تعداد سیگنال کریر موردنیاز 4 می باشد که در شکل 2 این سیگنالها نشان داده شده است. در روش PD سیگنالهای کریر با یکدیگر هم فاز می باشند، ضمن اینکه دامنه پیک تو پیک تمام آنها برابر می باشد که می توان به سادگی آن را برابر با 2 در نظر گرفت (در دو تکنیک مورد اشاره دیگر در بالا نیز این گونه است).
شکل 2) سیگنالهای کریر در روش PD
سیستم شبیه سازی موردنظر در سیمولینک متلب در شکل 3 ارائه شده که دارای یک منبع ورودی یکسو در ورودی و یک بار یک کیلووات سه فاز در خروجی خود می باشد. اینورتر سه فاز موردنظر در ورودی خود بعد از منبع یکسو، دارای چهار خازن و در هر پایه دارای هشت کلید IGBT می باشد که این کلیدها توسط بلوک سبزرنگ موجود در شبیه سازی تحریک می شوند. مقدار دامنه سیگنال مرجع برابر با 0.9 و فرکانس سیگنال های کریر برابر با 3500 هرتز در نظر گرفته شده است.
شکل 3) اینورتر سه فاز پنج سطحی دیود کلمپ شده
در ادامه مشخصه ولتاژهای سه فاز خروجی بار در شکل 4 نشان داده شده است. بر طبق نتایج بدست آمده مقدار اعوجاج هارمونیکی کل در زمان 0.15 ثانیه از شبیه سازی حدودا برابر با 19 درصد می باشد.
شکل4) مشخصه ولتاژهای خروجی سه فاز در اینورتر پنج سطحی
در ادامه نتایج شبیه سازی فوق با یک اینورتر سه سطحی سه فاز برای بررسی اعوجاج هارمونیکی کل مقایسه شده است. نمای کلی از اینورتر سه فاز سه سطحی در شکل 5 نشان داده شده که به همان منبع و همان بار متصل شده است. توجه می کنیم که در این اینورتر در هر پایه چهار کلید قدرت وجود دارد. توجه می کنیم مقدار دامنه سیگنال مرجع برابر با 0.9 و فرکانس سیگنال کریر برابر با 10000 هرتز در نظر گرفته شده است.
شکل 5) اینورتر سه فاز سه سطحی
در ادامه مشخصه ولتاژهای سه فاز خروجی بار در شکل 6 نشان داده شده است. بر طبق نتایج بدست آمده مقدار اعوجاج هارمونیکی کل در زمان 0.15 ثانیه از شبیه سازی حدودا برابر با 53 درصد می باشد.
شکل 6) مشخصه ولتاژهای خروجی سه فاز در اینورتر سه سطحی
نتیجه گیری: همانطور که مشاهده کردیم اعوجاج هارمونیکی کل در مشخصه ولتاژ خروجی اینورتر پنج سطحی به مراتب کمتر از اینورتر سه سطحی می باشد، به هر حال در اینورتر پنج سطحی تعداد المان های بکار رفته در مدار بیشتر بوده و تحریک کلیدها نیز پیچیده تر از اینورتر سه سطحی می باشد.
—————————————————————————————————————-
در انتها امیدواریم که شما دوستان از مطالب ارائه شده به خوبی استفاده کنید، اما برای آن دسته از عزیزانی که می خواهند فایل پروژه را در اختیار داشته باشند، می توانند از لینک خرید که در ادامه ارائه شده، برای دریافت فایلهای شبیه سازی اینورتر سه سطحی و پنج سطحی استفاده کنند.
