2-1 مقدمه
مبدل‌هاي الکترونيک قدرت از تجهيزات لازم براي تبديل انرژي در يک محدوده وسيع از توان پايين تا متوسط مي‌باشند که براي انجام اين فرآيند ازتکنولوژي ادوات نيمه هادي قدرت استفاده مي‌کنند. بنابراين به منظور افزايش قابليت اطمينان و کاهش تلفات انرژي، استفاده از تکنولوژي الکترونيک قدرت با راندمان بالا و استراتژي کنترل مناسب براي بهبود کيفيت توان امري ضروري تلقي مي‌شود. اينورتر و چاپر به عنوان گروه بزرگي از مبدل‌هاي چند سطحي محسوب مي‌گردند. در اين بخش هدف اصلي معرفي برخي از ساختار‌هاي متداول مبدل‌هاي چند سطحي است. انواع مبدل‌هاي الکترونيک قدرت به گروه‌هاي زير طبقه‌بندي مي‌شوند:
-مبدل ac-dc
-مبدل dc-dc
-مبدل dc-ac
-مبدل ac-ac
با ترکيب مبدل‌هاي اينورتر و چاپر در سيستم‌هاي انرژي خورشيدي و ساير منابع توليد ولتاژ dc مي‌توان مبدل‌هايي را ساخت که پايداري ولتاژ بهتري در خروجي داشته باشند. در اين صورت از آنها براي تغذيه بار‌هاي خانگي و محلي و يا اتصال آنها به شبکه مي‌توان استفاده کرد. بنابراين از اينجا مي‌توان به اهميت جايگاه مبدل‌هاي الکترونيک قدرت پي برد. در اين تحقيق ارائه ساختار جديد براي اينورترهاي چند سطحي که از لحاظ اقتصادي مقرون به صرفه بوده و از لحاظ کنترل آسان‌تر باشند، انجام گرفته است. اصلي ترين محور موضوعي اين کار پژوهشي ارائه اينورتري چند سطحي است که در ساختمان آن از منابع ولتاژ dc کمتري استفاده شده است و با استفاده از آن مي‌توان تعداد سطوح ولتاژ بيشتري در خروجي ايجاد کرد.
2-2 ساختار‌هاي مبدل‌هاي چند سطحي با کاربرد ولتاژ متوسط و توان بالا
امروزه مبدل‌هاي ولتاژ متوسط1 را مي‌توان با کاربرد‌هاي وسيع در صنايع مختلف مشاهده کرد. مانند صنايع نفت‌، گاز‌، پتروشيمي‌، سيمان‌، ايستگاه‌هاي پمپاژ آب‌، صنايع سنگين‌، صنايع حمل و نقل‌، صنايع توليد انرژي بادي، صنايع نظامي‌، جبران‌ساز‌هاي توان راکتيو‌، خطوط انتقال HVDC‌، و ديگر کاربرد‌ها که مي‌توان به آن اشاره کرد]1[. از طرف ديگر کارخانجات براي افزايش توان توليدي سطح توان مصرفي مورد نيازشان بالاتر رفته و اين امر باعث توسعه تکنولوژي نيمه‌هادي‌ها‌، ساختار‌هاي مختلف مبدل‌ها و روش‌هاي کنترلي شده است. امروزه ‌‌مبدل‌هاي ولتاژ متوسط محدوده توان 0.2 مگاوات تا 40 مگا وات را در سطح ولتاژ 2.3 کيلو ولت تا 13.8 کيلو ولت پوشش مي‌دهند]2[. استفاده از محرک‌هاي تنظيم سرعت مزايايي مثل کنترل دقيق دور، کاهش مصرف انرژي و تلفات، افزايش طول عمر موتور‌هاي الکتريکي را در بر خواهد داشت. کيفيت توان مبدل‌هاي ولتاژ متوسط به طور قطع به ساختار مبدل، مشخصات بار، ابعاد و نوع فيلتر مورد استفاده، فرکانس کليد‌زني و روش کنترل بستگي خواهد داشت]1[. بالاخره اهدافي چون افزايش کيفيت توان خروجي، کاهش اندازه و قيمت تمام شده، ساده کردن روش‌هاي کنترل همواره ميدان‌هاي تحقيق در اين زمينه مي‌باشند. در شکل 2-1 طبقه بندي ساده‌اي از مبدل‌هاي استفاده شده در رنج ولتاژ متوسط و توان بالا نشان داده شده است که به دو گروه اصلي طبقه‌بندي مي‌شوند. اين طبقه بندي بر اساس نحوه اتصال بار و منبع تغذيه انجام گرفته که در دو نوع مستقيم و غير مستقيم مي‌باشد. در نوع مستقيم، بار و منبع تغذيه توسط ادوات نيمه هادي قدرت به يکديگر متصل شده و با يک تکنيک کنترل، کنترل مي‌شوند. ولي در نوع غير مستقيم که در آنها انتقال توان به طور غير مستقيم و از طريق يک منبع ذخيره انجام گرفته و دو مرحله يکسو سازي و معکوس سازي وجود دارد. از مبدل‌هاي مستقيم مي‌توان به سيکلوکانورتر‌ها که از ادوات سري نيمه هادي قدرت براي اتصال مستقيم منبع ولتاژ بالا با بار در آن استفاده مي‌شود، اشاره کرد. سيکلوکانورتر‌ها براي تبديل ولتاژ سه فاز ac با دامنه و فرکانس ثابت به ولتاژ سه فاز ac با دامنه و فرکانس متغير استفاده مي‌شوند. مبدل‌هاي ماتريسي نيز در اين گروه واقع مي‌شوند ولي در طبقه‌بندي نشان داده شده در شکل 2-1 وجود ندارند. علت آن هم اين است که تکنولوژي ساخت آنها براي رنج توان بالا فراهم نشده و تا توان‌هاي 150KVA قابل دسترسي است]3[.
شکل 2-1: طبقه بندي ساختار‌هاي مبدل‌ها در کاربرد‌هاي توان بالا
با طبقه بندي نشان داده شده در شکل 2-1 مشخص است که مبدل‌هاي نوع غير مستقيم به دو گروه پايه منابع ولتاژي 2VSI و منابع جرياني‌ 3CSIطبقه بندي مي‌شوند. مبدل‌هاي منابع ولتاژي در سال‌هاي اخير از جايگاه فروش و توسعه بالايي نسبت به مبدل‌هاي منابع جرياني برخوردار بوده‌اند. مبدل‌هاي منابع ولتاژي به دو گروه قدرت بالا با دو سطح ولتاژ در خروجي و مبدل‌هاي چند سطحي تقسيم بندي مي‌شوند. ساده‌ترين ساختار مبدل‌هاي منبع ولتاژي مبدل نيم پل تکفاز است که يک موج دو سطحي مربعي را توليد مي‌کند و يا مبدل تمام پل که قادر به توليد سه سطح ولتاژ در خروجي مي‌باشد. اين مبدل‌ها به کاربرد‌هاي سطوح توان پايين و متوسط به دليل محدوديت در ولتاژ و جريان نيمه هادي‌هاي بکار رفته در آنها محدود مي‌شوند. اتصال سري کليد‌هاي نيمه هادي امکان ساخت مبدل‌هاي ولتاژي با کاربرد‌هاي توان بالا را مي‌دهد. به هر حال افزودن بعضي المان‌هاي ديگر مانند ديود‌ها يا خازنها و بکارگيري آنها پيچيدگي‌هاي کنترلي را در بر خواهد داشت ولي در عوض مي‌توان با ساختار‌هاي گوناگون کيفيت توان خروجي را بهبود بخشيد. اين کار با ساختار‌هاي چند سطحي امکان پذير خواهد بود. با اين حال مبدل‌هاي چند سطحي براي استفاده در کاربرد‌هاي ولتاژ بالا در حال توسعه‌اند.
2-2-1 اينورتر‌هاي منبع ولتاژ دو و سه سطحي
در حالت کلي مي‌توان اينورتر‌ها را به دو گروه تکفاز و سه فاز تقسيم بندي کرد. ساده‌ترين ساختار‌، مدار اينورتر نيم پل است که قادر به توليد موج مربي با دو سطح مي‌باشد‌. در اينورتر تمام پل تعداد سطوح ولتاژ خروجي به سه افزايش مي‌يابد. اين ساختار‌ها به ترتيب در شکل‌هاي 2-2 و 2-3 نشان داده شده‌اند. در ساختار اينورتر نيم پل تکفاز از دو کليد استفاده مي‌شود که نبايستي هر دو کليد به طور همزمان روشن شوند. اين کار به دليل اين است که اگر دو کليد در مدتي از زمان کاربرد با هم وصل شوند باعث اتصال کوتاه منابع تغذيه ورودي خواهند شد. در نصف سيکل يا سيکل اول کاري، روشن و خاموش خواهد بود. بنابراين ولتاژ در دو سر بار ظاهر مي شود. در سيکل دوم، خاموش و روشن خواهند شد. در اين صورت ولتاژ دو سر بار برابر با خواهد بود. در مبدل تمام پل وقتي روشن هستند بايستي خاموش باشند، در اين حالت ولتاژ بار برابر خواهد بود و زماني که خاموش و روشن باشند، به دو سر بار مي‌آيد. در اين حالت امکان توليد سطح صفر نيز با فعال کردن همزمان يا فراهم است. شکل موج‌هاي ولتاژ خروجي دو اينورتر در شکل‌هاي 2-4 و 2-5 نشان داده شده است.

شکل 2-2: ساختار اينورتر نيم پل شکل 2-3: ساختار اينورتر تمام پل ( H-Bridge )

شکل 2-4: ولتاژ خروجي اينورتر نيم پل شکل 2-5: ولتاژ خروجي اينورتر تمام پل
2-2-2 اينورتر‌هاي منبع ولتاژ چند سطحي
کاربرد‌هاي اينورتر‌هاي ساده دو و سه سطحي با ساختار‌هاي کلاسيک به خاطر محدوديت‌هاي ولتاژ و جريان نيمه هادي به کار رفته در آنها، به توان‌هاي پايين و متوسط محدود مي‌شوند. با اتصال کليد‌هاي نيمه هادي قدرت مي‌توان به اينورتر‌هاي منبع ولتاژي براي کاربرد‌هاي قدرت بالا دست يافت ولي افزودن قطعات اضافي ديگر مانند کليد‌هاي قدرت و ديود‌ها و يا خازن‌ها به کار‌گيري و روش کنترل کليد زني را پيچيده‌تر مي‌کند. اينورتر‌هاي چند سطحي به طور عمومي براي کاربرد‌ها در ولتاژ‌هاي بالا طراحي مي‌شوند و در آن‌ها ولتاژ‌هايي با سطوح مختلف توليد مي‌شود و در نتيجه ولتاژ خروجي به فرم پله‌اي و داراي اعوجاج هارمونيکي کمي مي‌باشد، همچنين نيز کاهش مي‌يابد. چون تغييرات ولتاژ يکباره در دو سر کليد‌ها نمي‌افتد. بنابراين قابليت‌هاي مذکور باعث گرديده که محققان علاقه زيادي براي طراحي اينورتر‌هاي چند سطحي با حداقل تعداد کليد‌هاي نيمه هادي و مزاياي بالا داشته باشند.
2-3 ساختار اينورتر چند سطحي‌، ويژگي‌ها‌، مزايا و کاربردها
در دهه‌هاي اخير توجه محققان براي بالا بردن مقادير نامي ولتاژ و جريان ادوات نيمه هادي قدرت منعطف شده است. به منظور دستيابي به سطوح ولتاژ بالا گروهي از محققين مطالعات خود را در زمينه ساختار‌هاي جديد اينورتر که قابليت توليد سطوح ولتاژ بيشتري داشت، آغاز کردند. در سال 1981، Nabale,I.Takahashi,H.akagi ساختار جديدي از اينورتر را ارائه کردند. اين اينورتر 4NPC نام داشت. در حقيقت اين ساختار، ساختار بهبود يافته مدار کلاسيک مبدل دو سطحي بود]4[‌. اگر چه ساختار جديد فقط سه سطحي بود ولي قابليت توسعه به ساختار n سطحي را نيز داشت. امروزه اين اينورتر به 5DCMI معروف است]5[. اينورتر‌هاي چند سطحي از مجموعه‌اي متشکل از نيمه هادي قدرت، خازن، ديود ها و منابع ولتاژ ساخته مي‌شوند و در خروجي ولتاژي مرکب از ولتاژ‌هاي با دامنه پايين‌تر توليد مي‌کند. يک ساختار اساسي براي اينورتر چند سطحي در شکل 2-6 نشان داده شده است. در اين شکل عملکرد کليد‌هاي نيمه هادي با کليد ايده‌آل نشان داده شده است. کليد‌هاي نيمه هادي بايستي اختلاف پتانسيل دو سر خازنها (منابع ولتاژ) را تحمل نمايند. تعداد زياد ادوات نيمه هادي قدرت در اينورترهاي چند سطحي فرآيند کنترل را پيچيده‌، هزينه را بالا برده و قابليت اطمينان کل سيستم را پايين مي‌آورد و يکي از معايب اينورترهاي چند سطحي به شمار مي‌رود ولي از طرف ديگر استفاده از اينورتر‌هاي چند سطحي باعث کاهش چشمگير اندازه فيلتر LC خروجي که بسيار پرهزينه و سنگين بوده و مسائل عايق و تنش را نيز دارد، مي‌شود.
شکل 2-6: ساختار اساسي اينورتر چند سطحي
در حال جاري از لحاظ ساختار اينورتر‌هاي چند سطحي سه گروه پايه و جامع وجود دارد:
2-3-1 اينورترهاي چند سطحي سري شده6 (Cascade)
اين اينورترها از چندين مبدل کامل پل H-bridge که خروجي آنها به صورت سري با هم بسته مي‌شود، حاصل خواهد شد. اين ساختار در شکل 2-7 نشان داده شده است. در همان شکل ساختار سلول‌هاي اينورتر نيز ديده مي‌شود. تعداد سطوح ولتاژ خروجي از رابطه 2n+1 به دست مي‌آيد که در آن n تعداد طبقات يا سلول‌هاي به کار رفته در ساختار اينورتر است.
شکل 2-7: ساختار اينورتر چند سطحي کاسکاد
2-3-2 ساختار اينورتر چند سطحي با ديود‌هاي کلمپ7 (DCMI)
اين اينورتر از ديود‌هاي کلمپ شده و خازنها براي توليد ولتاژ ac استفاده مي‌کند. اين اينورتر در ساختار‌هايي با تعداد سطوح سه ، چهار و پنج سطحي توليد شده است. ساختار سه سطحي آن که NPC نام داشت به طور وسيعي در محرکه‌هاي کنترل سرعت براي الکترو‌موتور‌ها در سطح ولتاژ متوسط و توان بالاي صنعتي مورد استفاده واقع شده است. يک ساق از اينورتر مذکور را مي‌توان در شکل 2-8 مشاهده کرد.
شکل 2-8: ساختار يک ساق اينورتر NPC
2-3-3 ساختار خازن شناور8 (FCM)
در اين ساختار خازن‌ها توسط ادوات نيمه هادي سري شده کلمپ مي‌شوند. اين ساختار در شکل 2-9 نشان داده شده است.
شکل 2-9: ساختار اينورتر خازن شناور FCM
2-3-4 اينورتر‌هاي چند سطحي نامتقارن
ساختار‌هاي معرفي شده همگي از اينورتر‌هاي چند سطحي متقارن مي‌باشند. به خاطر اينکه ولتاژ خازن‌هاي لينک dcدر آن‌ها يا به بياني دقيق‌تر، ولتاژ منابع ورودي با هم برابر بودند. اينورتر‌هاي چند سطحي غير متقارن از لحاظ ساختار دقيقا مانند اينورتر‌هاي چند سطحي متنقارن هستند با اين تفاوت که ولتاژ خازن‌هاي لينک dc در آنها متفاوت است. در اين حالت اينورتر مي‌تواند با همان تعداد از ادوات نيمه هادي به کار رفته تعداد سطوح ولتاژ بيشتري در خروجي توليد نمايد. بنابراين راندمان اين اينورتر با تعداد کليد‌هاي کم براي توليد سطوح مشخص ولتاژ افزايش مي‌يابد و همچنين ابعاد فيلتر خروجي نيز بسيار کوچکتر شده و حتي امکان حذف آن نيز فراهم مي‌شود ولي در عوض الگوريتم کنترلي (کليدزني) کمي پيچيده‌تر مي‌شود]6-5[. اين بازو از مبدل در شکل 2-10 نشان داده شده است.
2-3-5 اينورتر چند سطحه هيبريد
هر بلوک از اين مبدل پل اينورتري H بوده و ولتاژهاي ورودي متفاوت مي‌باشند. هر سلول اين اينورتر با ولتاژ و فرکانس کليد‌زني متفاوت از سلول ديگر عمل مي‌کند در اين حالت مي‌توان از کليد‌هاي مختلف استفاده کرد. مثلا استفاده از IGCT، که براي کاربرد‌هاي ولتاژ بالا و فرکانس پايين مناسب‌تر بوده و در سلول‌هاي ولتاژ بالا تلفات را کاهش مي‌دهد. به اين نوع اينورتر‌ها، اينورتر نوع هيبريد گفته مي‌شود و در ترکيبات طبقات آن از کليد‌هاي مختلف الکترونيک قدرت مانند IGBT و IGCT استفاده مي‌شود. اين اينورتر‌ها داراي قابليت بالايي هستند]8-7[. اين اينورتر به اين دليل هيبريد نام گذاري شده است که از دو نوع کليد نيمه هادي قدرت متفاوت استفاده مي‌کند. توان اکتيو توسط نيمه هادي‌هايي با تلفات پايين و قابليت اطمينان بالا منتقل مي‌‌شود و طيف هارمونيکي خروجي نيز توسط نيمه هادي‌هاي ديگر بهبود مي‌يابد. شکل 2-11 اينورتر هيبريد را نشان مي‌دهد.
شکل 2-10: ساختار اينورتر چند سطحي نامتقارن
شکل 2-11: ساختار اينورتر چند سطحي هيبريد
2-4 بررسي تفصيلي اينورتر‌هاي پر کاربرد متداول
2-4-1 اينورتر‌هاي چند سطحي متقارن پل H
در حدود سه دهه از آغاز استفاده از اينورتر‌هاي چند سطحي در جهان الکترونيک قدرت مي‌گذرد]9[. اينورتر‌ها با سطوح ولتاژ و ساختار‌هاي گوناگون بررسي مي‌شود. معمولا تعداد سطوح ولتاژ خروجي فرد است. دليل به خاطر اين است که سطحي به اندازه صفر ولت وجود دارد. مثلا براي يک اينورتر پنج سطحي، دو سطح بالا و دو سطح پايين وجود دارد و با احتساب سطح صفر در واقع اينورتر پنج سطحي محسوب مي‌شود. اين خاصيت باعث مي‌گردد که محتواي هارمونيکي در خروجي نيز کاهش يابد و شکل موج ولتاژ سينوسي‌تر شود. همانگونه که قبلا نيز بحث شد، ساختار‌هاي رايج اينورتر‌هاي چند سطحي در زير ليست شده‌اند:
– اينورتر‌هاي چند سطحي پل H
– اينورتر چند سطحي ديود – کلمپ
– اينورتر چند سطحي خازن شناور
موارد فوق به عنوان اينورتر‌هاي متقارن شناخته مي شوند زيرا ولتاژ خازن‌هاي لينک dc آنها با هم برابر است و همه ادوات نيمه هادي بايستي اين ولتاژ را در وضعيت قطع تحمل کنند. شکل 2-12 نماي مداري يک اينورتر پنج سطحي پل H را نشان مي‌دهد]11-10[. براي ساده سازي فقط يک فاز در شکل نشان داده شده است. در اين ساختار سلول‌ها طوري با هم سري قرار گرفته‌اند که تعداد سطوح ولتاژ خروجي با تعداد سلول‌ها رابطه خواهند داشت. در اين ساختار اگر n تعداد سلول باشد ،2n+1 سطح قابل ايجاد است که عدد 1 مربوط به سطح صفر است. در اين ساختار هر سلول داراي خازن لينک dc جداگانه‌اي است و ممکن است ولتاژ خازن‌ها با هم برابر نباشند که در اين صورت اينورتر نامتقارن خواهد بود. نقطه زمين نشان داده شده در شکل 2-12 مرجع مشترک بين همه فازها است. هر سلول پل H مي‌تواند ولتاژ مثبت، منفي و يا صفر را توليد کند. خروجي نهايي حاصل جمع ولتاژ همه سلول‌هاست که نسبت به نقطه خنثي سنجيده مي‌شود بنابراين تعداد سطوح ولتاژ فرد است. در اينورتر‌هاي کاسکاد چند سطحي پل H معمولا از کليد‌هاي IGBT استفاده مي‌شود. اين کليد‌ها داراي ولتاژ‌هاي سد‌کنندگي کم، ولي در عوض فرکانس کليد زني بالا هستند. اين اينورترها جريان خوبي در ورودي و ولتاژهاي خوبي در خروجي توليد مي‌کنند. پله‌هاي ولتاژ خروجي هموار بوده و بنابراين فيلتر خروجي بسيار کوچک و حتي قابل حذف مي‌باشد]12[. مهمترين مسئله و مشکل، راه اندازي کليد‌ها و توليد الگوريتم پيچيده براي فرمان دادن به کليد‌هاست به خصوص زماني که اينورتر به صورت غير متقارن استفاده شود اين کار سخت‌تر خواهد شد.
شکل 2-12: ساختار اينورتر پنج سطحي متشکل از پل‌هاي H
2-4-2 اينورتر چند سطحي با ديود‌هاي کلمپ و حالات کليد زني آن
شکل 2-13 مدار يک اينورتر پنج سطحي از نوع ديود – کلمپ را نشان مي‌دهد]13[. براي سادگي فقط براي يک فاز نشان داده شده است. در اين ساختار ادوات نيمه هادي به طور سري متصل شده و ولتاژ لينک dc بين خازن هاي کوچک تقسيم مي‌شود و توسط ديود ها به کليد‌ها کلمپ مي‌شوند. اتصال کلمپ ديود‌ها براي سد کردن جريان لازم است و تعداد ديود‌ها در هر ساق بگونه‌اي انتخاب مي‌گردد که براي سد ولتاژ در اينورتر مناسب باشد. خازن‌هاي لينک dc براي همه فازها مشابه‌اند بنابراين فقط يک منبع ولتاژ dc براي لينک dc لازم خواهد بود. تعداد خازن‌هاي به کار رفته در هر فاز رابطه مستقيم با تعداد سطوح ولتاژ فاز دارد. نقطه زمين نشان داده شده در شکل، نقطه مرجع مشترک بوده و به وسط لينک dc متصل است. براي توليد n سطح ولتاژ با اين مبدل، n-1خازن در باس dc مورد نياز است]14[. براي مثال در اينورتر پنج سطحي نشان داده شده در شکل 2-13 ، ولتاژ لينک dc محتوي چهار خازن مي‌باشد که اگر با يک ولتاژ لينک dc به اندازه تغذيه شوند، ولتاژ هر خازن خواهد بود. جدول 2-1 الگوي کليدزني يک اينورتر پنج سطحي از نوع ديود – کلمپ را نشان مي‌دهد. از اين جدول مشخص است که در هر سيکل فقط بايستي چهار کليد در حالت روشن باشند.
شکل 2-13: ساختار اينورتر پنج سطحي ديود – کلمپ
در ساختار اينورتر چند سطحي ديود – کلمپ، کليد‌ها بايستي ولتاژ لينک dc را تحمل کنند، بنابراين براي آن کليد‌هاي نوع ولتاژ بالا HV-IGBT استفاده مي‌شود. اينورتر‌هاي نوع ديود- کلمپ با داشتن ساختار نسبتا ساده، پله‌هاي ولتاژي در خروجي توليد مي‌کند که در کاربرد‌هاي محرکه موتوري با توجه به سيم پيچ‌هاي استفاده شده در ماشين و جريان کشيده شده نياز به فيلتر براي کاهش ريپل ولتاژ خروجي دارد. اين فيلتر‌ها در مقايسه با فيلتر‌هاي استفاده شده در ساختار پل H سنگين‌تر و گران‌تر مي‌باشند]14[.
جدول 2-1: الگوي کليد زني اينورتر پنج سطحي از نوع ديود – کلمپ
حالت کليدها

خروجي0000111100011110001111000111100011110000
2-4-3 ساختار خازن شناور و حالات کليد زني آن
شکل 2-14 مدار تکفاز يک اينورتر پنج سطحي از نوع خازن شناور را نشان مي‌دهد]15[. در اين ساختار ادوات نيمه هادي به طور سري با هم قرار گرفته و نقاط اتصال آنها با خازن‌هايي به هم ارتباط داده شده است. در اين ساختار اتصال سري خازن‌هاي کلمپ شده براي سد کردن جريان مورد نياز است و تعداد آنها در هر ساختار به نحوي انتخاب مي‌شوند که همه خازنها انرژي يکساني را ذخيره نمايند. در اين روش نياز به خازن هاي بزرگ و سنگين منتفي مي‌شود. نقطه زمين نشان داده شده در شکل، همان نقطه زمين مشترک است و مشابه اينورتر ديود- کلمپ که در بخش قبل توضيح داده شد به نقطه وسط لينک dc اتصال مي‌يابد. ولتاژ خروجي نسبت به نقطه خنثي (مرجع) متقارن است. زماني که از اين اينورتر استفاده مي‌شود، اگر سيستم سطوح ولتاژ زوجي در خروجي توليد نمايند، تعداد خازن‌هاي لينک dc فرد خواهد بود. به بيان ديگر براي توليد n سطح ولتاژ در خروجي، n-1 خازن در لينک dc مورد نياز است]15-14[. همانگونه در شکل 2-14 ملاحظه مي‌شود هيچ اتصالي مابين سه حلقه داخلي بين خازن‌هاي به منابع لينک dc مثل ساختار ديود-کلمپ، وجود ندارد. در جدول 2-2 الگوي کليدزني يک اينورتر خازن شناور پنج سطحي نشان داده است. تعداد زياد خازن‌هاي کلمپ اين اينورتر را گران و حجيم مي‌کند. اگر چه براي متعادل سازي9 ولتاژ‌هاي خازن‌ها، بايستي روش‌هاي کنترلي خاص و دقيقي نيز در نظر گرفته شود.
شکل 2-14: ساختار اينورتر پنج سطحي خازن شناور
جدول 2-2: الگوي کليد زني اينورتر پنج سطحي از نوع خازن شناور
حالت کليدها

خروجي0000111100010111001100110111000111110000
2-5 تعداد سطوح قابل توليد در اينورتر‌هاي چند سطحي نا‌متقارن
همانطوري که مطرح شد، در اينورتر‌هاي متقارن ولتاژ لينک dc در هر اينورتر با هم برابر است. حال اگر به جاي ولتاژ‌هاي برابر در هر اينورتر از ولتاژ هاي نا‌برابر در لينک dc آنها استفاده شود، در اين حالت اينورتر حاصل را اينورتر چند سطحي نا‌متقارن مي‌گويند که از لحاظ مداري مانند حالت متقارن بوده و تنها تفاوت آن در ولتاژ‌هاي نا‌برابر لينک dc سلول‌هاي اينورتر است. در اين ساختار تعداد سطوح ولتاژ خروجي افزايش قابل توجي دارد بنابراين با تعداد کم سلول‌هاي پل H، تعداد سطوح ولتاژ خروجي بيشتري حاصل خواهد شد. اينورتر چند سطحي نا‌متقارن را نيز مي‌توان در گروه اينورتر‌هاي ديود-کلمپ و خازن شناور و يا ترکيبي از آن‌ها پيدا کرد. در اشکال 2-15 و 2-16 دو نوع اينورتر نه سطحي متقارن و نا‌متقارن نشان داده شده است. مطابق اين اشکال در مبدل متقارن، چهار سلول براي توليد نه سطح ولتاژ در خروجي مورد نياز است در حالي که در اينورتر نامتقارن دو سلول براي توليد همان تعداد سطح ولتاژ خروجي کافي خواهد بود. در اينورتر نا‌متقارن نوع پل H، تعداد سطوح ولتاژ از رابطه 2-1 به دست مي‌آيد.
(2-1)
که در آن تعداد سلول‌ها، ولتاژهاي نرماليزه شده هر خازن لينک dc است. اين معادله به سادگي مي‌تواند براي حالت متقارن نيز به کار رود. براي مثال، براي اينورتر نامتقارن نشان داده شده در شکل 2-16، تعداد سطوح ولتاژ خروجي برابر است با : . اين نکته حائز اهميت است که ولتاژ موجود در حالت قطع کليد‌ها در شرايط متقارن با هم برابرند ولي در حالت نامتقارن به خاطر داشتن سطوح ولتاژ مختلف مقادير نامي کليد‌ها ممکن است از هم متفاوت باشند.
شکل 2-15: ساختار اينورتر نه سطحي متقارن کاسکاد
شکل 2-16: ساختار اينورتر نه سطحي نامتقارن کاسکاد
2-5-1 گراف حالات اينورتر
در يک اينورتر چند سطحي پل H نامتقارن، هر سلول داراي چهار مد کليدزني است. ولتاژ‌هاي خروجي و هستند که سطح دوبار تکرار مي‌شود. بنابراين سه حالت متفاوت با سطوح ولتاژ مختلف وجود خواهد داشت. اگر ولتاژ سلول nام را بناميم، اين ولتاژ مطابق رابطه زير تعريف مي‌شود]16[.
(2-2)
که در آن حالت کليد زني و ولتاژ خازن سلول‌هاي اينورتر مي‌باشد. در اينورتري که n سلول متوالي در آن استفاده شده است، ولتاژ خروجي نسبت به نقطه خنثي از رابطه زير بدست مي‌آيد:
(2-3)
از رابطه 2-3 مشخص مي‌شود که ولتاژ خروجي نهايي حاصل جمع ولتاژ سلول‌ها مي‌باشد. مطابق بحث بالا يک گراف که کليه حالات ولتاژ قابل ايجاد را نشان مي‌دهد، در شکل 2-17 آمده است. از شکل مشخص است که نقطه شروع گراف، نقطه خنثي با پتانسيل صفر مي‌باشد. گره‌ها در اين گراف ولتاژ‌هاي ممکن هر سلول را نشان مي‌دهند. بنابراين با ادغام ولتاژ‌هاي هر يک از سلول‌ها با مقادير ولتاژ لينک dc متفاوت، مي‌توان سطوح ولتاژ بيشتري را در خروجي مبدل بدست آورد. هر شاخه‌اي از اين گراف حالت کليد زني هر يک از سلول‌ها را نشان مي‌دهد بنابراين هر مسير از اين گراف حالت کليدزني اينورتر را نشان مي‌دهد. قابل ذکر است که بعضي از مسير‌ها ولتاژ خروجي يکساني را نتيجه مي‌دهند.
الف ب
شکل 2-17: گراف حالات کليد زني اينورتر و ولتاژ‌هاي خروجي در هر فاز، (الف) اينورتر نه سطحي متقارن ، (ب) اينورتر نه سطحي نامتقارن
2-6 تکنيک‌هاي مدولاسيون و طبقه بندي آن‌ها
هم گام با پيشرفت ساختار‌هاي اينورتر، تلاش‌هاي زيادي براي توسعه روش‌هاي کليد زني اينورتر‌ها انجام گرفته است. زيرا، استراتژي کليد زني مناسب در کاهش تلفات کليد زني و افزايش راندمان نقش مهمي داشته و در بهبود طيف هارمونيکي سيگنال خروجي نيز، نقش به سزايي خواهد داشت. در بسياري از کاربرد‌هاي صنعتي، ولتاژ خروجي اينورتر‌ها بايستي براي غلبه بر تغييرات ورودي، کنترل شوند و نياز به کنترل ولتاژ و فرکانس دارند. آشکار است که هارمونيک‌هاي ولتاژ خروجي به نوع تکنيک مدولاسيون انتخابي بستگي دارد. تعداد زياد کليد‌هاي نيمه هادي براي بدست آوردن ولتاژ چند سطحي در خروجي اينورتر‌هاي چند سطحي در مقايسه با مبدل‌هاي دو سطحي کار را دشوارتر نموده است. در هر صورت، اين پيچيدگي باعث توسعه روش‌هاي مدولاسيون نيز شده است. براي مثال، کاهش فرکانس کليد زني، ولتاژ حالت مد مشترک و يا متعادل سازي ولتاژ لينک dc مواردي هستند که جاي بررسي دارند. امروزه، تکنيک‌هاي مدولاسيون زيادي براي اينورتر‌هاي چند سطحي وجود دارد و بر اساس فرکانس کليدزني مي‌توان آن را در دو گروه اصلي طبقه بندي کرد]20-17[.
1- فرکانس کليد زني پايه10: که در آن هر اينورتر در سيکل کاري يک بار روشن و خاموش مي‌شود.
2- فرکانس کليد زني بالا11: که در آن هر اينورتر در سيکل کاري چندين بار روشن و خاموش مي‌شوند. اين تکنيک‌ها در شکل 2-18 نشان داده شده است.
شکل 2-18: تکنيک‌هاي مدولاسيون در اينورتر‌هاي چند سطحي
2-6-1 حذف هارمونيک‌هاي انتخابي 12SHE
در اين روش هر کليد در پريود کليدزني فقط يکبار روشن و خاموش مي‌شود و زواياي کليد زني معمولا بر پايه حذف هارمونيک خاص و يا کاهش معيار اعوجاج کل THD در ولتاژ خروجي انتخاب مي‌گردد. در اين تکنيک، زواياي کليدزني به روش OFF-Line محاسبه شده و اين محاسبه به گونه‌اي است که هارمونيک‌هاي مزاحم که معمولا مرتبه پايين‌تري دارند تا هارمونيک مرتبه m-1 حذف مي‌شوند. در اين رابطه m تعداد زواياي کليد زني است. اين مدولاسيون در فرکانس بسيار پايين کليد زني براي کاهش تلفات کليدها، انجام مي‌گيرد. براي کاهش اعوجاج هارمونيک13 و براي رسيدن به دامنه‌ي قابل تنظيم مولفه اصلي، هارمونيک‌هاي بزرگ فرکانس پايين براي حذف انتخاب مي‌شوند که اين کار با انتخاب زواياي مناسب کليد زني در مبدل‌ها انجام مي‌گيرد.
2-6-2 تکنيک 14SVM
تکنيک مدولاسيون بردار حالت بر پايه‌ بازسازي سيگنال ولتاژ مرجع نمونه‌گيري شده، با کمک بردار‌هاي حالت در اينورتر منبع ولتاژ در يک پريود نمونه‌برداري انجام مي‌شود. هر مبدل چند سطحي مد‌هاي کليد‌زني مختلفي دارد که بردار‌هاي ولتاژ مختلفي را توليد مي‌کند و مي‌تواند براي مدوله کردن موج مرجع استفاده شود. در روش SVM ، موج مرجع از نزديک‌ترين سيگنال به آن ساخته مي‌شود. بعضي از بردار‌ها داراي حالات کليد‌زني تکراري مي‌باشند. از اين ويژگي مي‌توان براي بالانس ولتاژ خازن‌ها استفاده کرد. اينورتر SVM چند سطحي بايستي اين رفتار را براي بهينه کردن و اعمال بردار‌هاي مدولاسيون در انتخاب توالي کليد‌زني مناسب، مديريت نمايد.
2-6-3 تکنيک 15CBPWM
در اين روش، سيگنال‌هاي راه اندازي کليد‌ها از مقايسه موج مرجع با سيگنال‌هاي حامل، حاصل مي‌گردد. اين روش از روش‌هايي است که بيشتر مورد استفاده قرار مي‌گيرد. در اين روش يک موج مرجع سينوسي با سيگنال‌هاي حامل که معمولا مثلثي در نظر گرفته مي‌شوند مقايسه مي‌شود. در اين روش موج مثلثي حامل به شيوه شيفت فاز16 و يا جابجايي سطح17 استفاده مي‌شود که اين کار براي کاهش هارمونيک‌هاي ولتاژ خروجي است. به دليل پر کاربرد بودن اين روش، آناليزه شده و براي مدولاسيون يک ساختار چند سطحي به کار گرفته خواهد شد.
2-6-4 اعمال روش CBPWM به اينورتر دو سطحي
در اين بخش، ابتدا روش CBPWM براي اينورترهاي دو سطحي اعمال شده و ويژگي‌ها و مشخصات آن بررسي مي‌گردد. سپس اين تکنيک مدولاسيون براي اينورترهاي چند سطحي ديگر بررسي مي‌گردد. براي همه ‌ اينورتر‌ها (دو سطحي يا چند سطحي)، مقدار مينيمم و ماکزيمم ولتاژ‌هاي خروجي به و نسبت به ورودي dc نرماليزه مي‌گردد. براي اينورتر دو سطحي که داراي دو مد کاري است اين موضوع به سادگي نمايان است. ولي براي اينورتر‌هاي چند سطحي بسته به تعداد سطوح ولتاژ خروجي، ديگر حالت‌ها که معادل حالت‌هاي کمينه و بيشبنه هستند، افزوده مي‌شود.
1 Medium Voltage
2 Voltage Source Inverter
3 Current Source Inverter
4 Neutral-Point-Clamped
5 Diode-Clamped-Multilevel-Inverter
6 Cascade-Multilevel-Inverter (CMI)
7 Diode-Clamped-Multilevel-Inverter
8 Flying-Capacitor-Multilevel
9 Voltage Balancing
10 Fundamental Switching Frequency
11 High Switching Frequency
12 Selective Harmonic Elimination
13 Harmonic Distortion
14 Space-Vector PWM
15 Carrier-Based PWM
16 Phase-Shifted
17 Level-Shifted
—————
————————————————————
—————
————————————————————
7



قیمت: تومان


پاسخ دهید