3-3 ساختار پايه پيشنهادي براي اينورترهاي چند سطحي
شکل 3-5 ساختار اينورتر 16 سطحي پايه پيشنهادي را نشان مي‌دهد. اين اينورتر داراي 4 منبع ولتاژ dc و 10 کليد الکترونيک قدرت يک طرفه ولتاژ مي‌باشد. اين اينورتر براي بارهاي اهمي طراحي شده است. زماني که کليدهاي ، و به طور هم زمان روشن شوند ولتاژ خروجي برابر صفر و زماني که کليدهاي ، و به طور هم زمان روشن شوند ولتاژ خروجي برابر مي‌شود. به همين ترتيب ساير سطوح ولتاژ‌ همان طور که در جدول 3-2 ارائه شده‌اند قابل دسترسي هستند. در اين جدول 1 به معني روشن و 0 به معني خاموش بودن کليد است. شکل 3-6 يک نمونه از ولتاژ خروجي اينورتر پايه پيشنهادي را نشان مي‌دهد. در رسم اين شکل‌ فرض شده است. هم چنان که اين شکل نشان مي‌دهد ساختار پايه پيشنهادي فقط قادر به توليد سطوح ولتاژ مثبت و صفر است.
شکل 3-5: اينورتر 16 سطحي پايه پيشنهادي
جدول 3-2: مقادير ولتاژ خروجي در حالت‌هاي مختلف از روشن و خاموش بودن کليدها در اينورتر 16 سطحي پايه پيشنهادي
ولتاژ خروجي
حالت کليدها
حالت0000000011110000001101200000100113001100010041010000100500000110016000110110071000101100800110100009101001000010011000010011000111100012100011100013010010110014011001000015010011100016
شکل 3-6: يک نمونه از ولتاژ خروجي اينورتر نشان داده شده در شکل 1-1
3-3-1 ساختار پيشنهادي اول
با ترکيب ساختار پايه پيشنهادي مطابق شکل‌ 3-7 مي‌توان به تعداد سطوح ولتاژ بيش‌تري دست يافت. در ساختار پيشنهادي اول مي‌توان از يک پل H براي توليد سطوح ولتاژ منفي در خروجي ساختار گسترش يافته مطابق شکل 3-7 استفاده کرد.
شکل 3-7: اينورتر گسترش يافته پيشنهادي اول
در ساختار گسترش يافته پيشنهادي اول تعداد کليدها ، تعداد IGBT‌ها ، تعداد مدارهاي راه‌انداز و تعداد منابع ولتاژ dc به ترتيب از روابط زير قابل محاسبه هستند:
(3-41)
(3-42)
(3-43)
(3-44)
در ساختارهاي پيشنهادي تعداد سطوح ولتاژ خروجي ، تنوع اندازه منابع ولتاژ dc () و حداکثر ولتاژ قابل توليد در خروجي () پارامترهايي هستند که منحصراً به الگوريتم تعيين اندازه منابع ولتاژ dc وابسته هستند. در ادامه دو الگوريتم براي تعيين اندازه منابع ولتاژ dc در اينورتر نشان داده شده در شکل‌ 3-7 ارائه مي‌شود.
3-3-1-1 الگوريتم‌هاي ارائه شده براي تعيين اندازه منابع ولتاژ dc
3-3-1-1-1 الگوريتم پيشنهادي اول
در الگوريتم پيشنهادي اول اندازه تمام منابع ولتاژ dc برابر فرض مي‌شود. به عبارت ديگر:
(3-45)
در ساختار پيشنهادي شکل 3-7 با استفاده از الگوريتم اول حداکثر ولتاژ خروجي به صورت زير قابل محاسبه است:
‌(3-46)
با در نظر گرفتن رابطه فوق تعداد سطوح ولتاژ خروجي به صورت زير محاسبه مي‌شود:
(3-47)
تنوع اندازه منابع ولتاژ dc از رابطه زير قابل محاسبه است:
(3-48)
3-3-1-1-2 الگوريتم پيشنهادي دوم
با تغيير اندازه منابع ولتاژ dc مي‌توان تعداد سطوح ولتاژ خروجي را افزايش داد. در الگوريتم دوم پيشنهاد مي‌شود که اندازه منابع ولتاژ dc مطابق روابط زير انتخاب شوند:
ساختار پايه اول:
(3-49)
‌(3-50)
‌(3-51)
(3-52)
ساختار پايه دوم:
(3-53)
‌(3-54)
‌(3-55)
(3-56)
ساختار پايهام:
(3-57)
(3-58)
(3-59)
(3-60)
در ساختار پيشنهادي با استفاده از الگوريتم دوم حداکثر ولتاژ خروجي به صورت زير قابل محاسبه است:
‌(3-61)
با در نظر گرفتن رابطه فوق تعداد سطوح ولتاژ خروجي به صورت زير محاسبه مي‌شود:
(3-62)
تنوع اندازه منابع ولتاژ dc از رابطه زير قابل محاسبه است:
(3-63)
3-3-1-2 مثال طراحي
در اين قسمت هدف طراحي يک اينورتر تک فاز با حداکثر ولتاژ خروجي ‌V‌160 و با حداقل 65 سطح ولتاژ مي‌باشد. لازم به ذکر است که از افت ولتاژ حالت هدايت کليدها صرف نظر شده است. اگر اندازه منابع ولتاژ dc طبق الگوريتم پيشنهادي اول تعيين شود در آن صورت خواهيم داشت:
با در نظر گرفتن رابطه (3-46) اندازه هر پله ولتاژ () در اين ساختار به صورت زير قابل محاسبه است:
با توجه به روابط (3-42) و (3-44) تعداد IGBTها و منابع ولتاژ dc به ترتيب از روابط زير قابل محاسبه هستند:
اگر اندازه منابع ولتاژ dc طبق الگوريتم پيشنهادي دوم تعيين شود در آن صورت طبق رابطه (3-62) خواهيم داشت:
در اين حالت فرض مي‌گردد. با در نظر گرفتن روابط (3-62) و (3-61) تعداد سطوح ولتاژ و اندازه هر پله ولتاژ در اين ساختار به ترتيب از روابط زير قابل محاسبه هستند:
با توجه به روابط (3-42) و (3-44) تعداد IGBTها و منابع ولتاژ dc به ترتيب از روابط زير قابل محاسبه هستند:
اينورتر پيشنهادي با الگوريتم پيشنهادي اول و با استفاده از 84 عدد IGBT و 32 عدد منبع ولتاژ dc، 65 سطح ولتاژ را توليد مي‌کند در حالي که با الگوريتم پيشنهادي دوم مي‌توان با استفاده از 24 عدد IGBT و 8 عدد منبع ولتاژ dc، 351 سطح ولتاژ را توليد ‌کرد.
3-3-2 ساختار پيشنهادي دوم
ساختار پيشنهادي دوم در شکل 3-8 نشان داده شده است. در اين ساختار، براي توليد سطوح ولتاژ منفي از يک پل H در خروجي هر ساختار پايه استفاده شده است.
شکل 3-8: اينورتر گسترش يافته پيشنهادي دوم
در ساختار ارائه شده در شکل 3-8 تعداد کليدها ، تعداد IGBT‌‌ها ، تعداد مدارهاي راه‌انداز و تعداد منابع ولتاژ dc به ترتيب از روابط زير قابل محاسبه هستند:
‌(3-64)
(3-65)
(3-66)
(3-67)
در ادامه دو الگوريتم براي تعيين اندازه منابع ولتاژ dc در اينورتر نشان داده شده در شکل‌ 3-8 ارائه مي‌شود.
3-3-2-1 الگوريتم‌هاي ارائه شده براي تعيين اندازه منابع ولتاژ dc
3-3-2-1-1 الگوريتم پيشنهادي اول
در الگوريتم پيشنهادي اول اندازه تمام منابع ولتاژ dc برابر فرض مي‌شود. به عبارت ديگر:
(3-68)
در ساختار پيشنهادي نشان داده شده در شکل 3-8 با استفاده از الگوريتم اول حداکثر ولتاژ خروجي به صورت زير قابل محاسبه است:
‌(3-69)
با در نظر گرفتن رابطه فوق تعداد سطوح ولتاژ خروجي به صورت زير محاسبه مي‌شود:
(3-70)
تنوع اندازه منابع ولتاژ dc از رابطه زير قابل محاسبه است:
(3-71)
3-3-2-1-2 الگوريتم پيشنهادي دوم
با تغيير اندازه منابع ولتاژ dc مي‌توان تعداد سطوح ولتاژ خروجي را افزايش داد. در الگوريتم دوم پيشنهاد مي‌شود که اندازه منابع ولتاژ dc مطابق روابط زير انتخاب شوند:
ساختار پايه اول:
(3-72)
‌(3-73)
‌(3-74)
(3-75)
ساختار پايه دوم:
(3-76)
‌(3-77)
‌(3-78)
(3-79)
ساختار پايهام:
(3-80)
(3-81)
(3-82)
(3-83)
در ساختار پيشنهادي با استفاده از الگوريتم دوم حداکثر ولتاژ خروجي به صورت زير قابل محاسبه است:
‌(3-84)
با در نظر گرفتن رابطه فوق تعداد سطوح ولتاژ خروجي به صورت زير محاسبه مي‌شود:
(3-85)
تنوع اندازه منابع ولتاژ dc از رابطه زير قابل محاسبه است:
(3-86)
3-3-2-2 مثال طراحي
در اين قسمت هدف طراحي يک اينورتر تک فاز با حداکثر ولتاژ خروجي ‌V‌160 و با حداقل 65 سطح ولتاژ مي‌باشد. لازم به ذکر است که از افت ولتاژ حالت هدايت کليدها صرف نظر شده است. اگر اندازه منابع ولتاژ dc طبق الگوريتم پيشنهادي اول تعيين شود:
با در نظر گرفتن رابطه (3-69)، اندازه هر پله ولتاژ در اين ساختار به صورت زير قابل محاسبه است:
با توجه به روابط (3-65) و (3-67) تعداد IGBTها و تعداد منابع ولتاژ dc به ترتيب از روابط زير قابل محاسبه هستند:
اگر اندازه منابع ولتاژ dc طبق الگوريتم پيشنهادي دوم تعيين شود در آن صورت از رابطه (3-85) خواهيم داشت:
در اين حالت فرض مي‌گردد. با در نظر گرفتن روابط (3-85) و (3-84) تعداد سطوح ولتاژ و اندازه هر پله ولتاژ در اين ساختار به ترتيب از روابط زير قابل محاسبه هستند:
با توجه به روابط (3-65) و (3-67) تعداد IGBTها و تعداد منابع ولتاژ dc به ترتيب از روابط زير قابل محاسبه هستند:
اينورتر پيشنهادي با الگوريتم پيشنهادي اول و با استفاده از 112 عدد IGBT و 32 عدد منبع ولتاژ dc، 65 سطح ولتاژ را توليد مي‌کند در حالي که با الگوريتم پيشنهادي دوم و با استفاده از 28 عدد IGBT و 8 عدد منبع ولتاژ dc، 511 سطح ولتاژ را توليد مي‌کند.
3-4 نتيجه گيري
اين فصل محور اصلي تحقيق را شامل مي‌شود. در اين فصل ابتدا ساختار پايه اينورترهاي پيشنهادي مطرح گرديد. سپس اين اينورترها با استفاده از يک پل H براي کل طبقات و سپس با استفاده از يک پل H بصورت جداگانه براي هر طبقه تعميم داده شد و روابط رياضي حاکم بر مدارات نيز استخراج گرديد. قيمت اين مبدل ارزان‌تر و سيستم کنترل‌ آن ساده‌تر است. در ادامه بر مزاياي حاصل از مبدل‌هاي چند سطحي نامتقارن که همانا تعداد سطوح ولتاژ بيشتر است تکيه گرديد که اين امر باعث بهبود معيار THD و بهبود کيفيت توان خروجي مي‌شود. مزيت اين اينورتر نياز به منابع ولتاژ dc کمتر با دامنه‌هاي برابر است که در کاربردهايي مانند سيستم‌هاي تبديل توان مبتني بر انرژي خورشيدي مناسب خواهد بود. اينورترهاي پيشنهادي علاوه بر مزاياي فوق مزايايي مانند کاهش تعداد کليدها در مقايسه با ساختارهاي رايج براي توليد سطوح مشخصي از ولتاژ را در بر دارند.
67



قیمت: تومان


پاسخ دهید