اینورترهای PWM

اینورترpwm
مقدمه
با توسعه روزافزون شبكه¬هاي قدرت در دنيا مباحثي از قبيل تبديل انرژي ، انرژيهاي نوين ، كاربردهاي مختلف سيستمهاي ساخت دست بشر در صنعت و ارتباط اين موارد باهم باعث شده تا موضوع مهندسي قدرت به عنوان يكي از شاخه¬هاي بزرگ و برجسته در ميان درياي علوم خود را تجلي كند. امروزه در اكثر جاهايي از دنيا كه تمدني وجود داشته باشد مي¬توان نفوذ شبكه¬هاي قدرت را ديد.

در اين ميان مبحث الكترونيك قدرت يكي از مهمترين شاخه¬هاي اين علم مي¬باشد. ادوات الكترونيك قدرت امروزه در انواع مختلف و براي كاربردهاي گوناگوني ساخته شده¬اند. از آن جمله مي¬توان به ركتيفاير¬ها ،
تنظيم¬كننده¬هاي AC-AC ، برشگرهاي ولتاژ وجريان ، اينورترها ، منابع تغذيه و …. اشاره كرد. از اين بين اينورترها به عنوان يكي ازمهمترين و پركاربردترين اين ادوات مورد نظر مي¬باشند. كاربردهاي گوناگون اينورترها از جمله سيستمهاي تبديل DC به AC در مواردي همچون انرژيهاي نوين، درايو ماشينهاي الكتريكي،ادوات FACTS و …. مورد بحث روز مي¬باشد.

 

مروري بر اينورترها
بسته به نوع كاربرد ، نوع كليد ، نوع شبكه كه اينورتر به آن وصل مي شود و… اينورترهاي مختلفي مورد استفاده قرار مي گيرند. در اين قسمت به بررسي كوتاهي راجع به اين انواع مي¬پردازيم.
در حالت كلي از لحاظ نوع تغذيه اينورتر و باري كه اينورتر انرا تغذيه مي كند ، مي توان اينورترها را به دو گروه زير تفسيم كرد :

• اينورترهاي منبع ولتاژ VSI .
• اينورترهاي منبع جريان CSI.
اينورترهاي منبع جريان بيشتر در كاربردهاي درايوهاي ماشينهاي بزرگ صنعتي كاربرد دارند يا در جاهائي كه بحث توان بالا وجود دارد در اين اينورترها ورودي DC اينورتر جريان مي باشد و خروجي AC سينوسي آن ولتاژ . اما اينورترهاي منبع ولتاژي برعكس مي باشد يعني ورودي DC ولتاژ و خروجي AC سينوسي جريان مي باشد . در هر دو اين اينورترها توان قابليت انتقال در هر دو سمت را دارا مي باشد يعني در صورتي كه ولتاژ و جريان هم علامت باشند سيستم بصورت اينورتر و در صورتي كه مختلف العلامت باشند سيستم بصورت ركتيفاير عمل مي كند.

 

از لحاظ نوع شبكه متصل به اينورتر مي توان آنها را به دو دسته زير تقسيم كرد :
• اينورترهاي حقيقي
• اينورترهاي مجازي
اگر شبكه اي كه اينورتر به آن وصل مي باشد يك شبكه اكتيو باشد مثل كاربردهاي توليد انرژي هاي نوين و HVDC در اين صورت اينورتر يك اينورتر مجازي مي باشد يعني اينورتر در حقيقت يك مبدل پل تريستوري با زاويه آتش بزرگتر از ۹۰ درجه خواهد بود . اما در صورتي كه اين شبكه پسيو باشد اينورتر يك اينورتر حقيقي بوده و عمل تبديل مستقيم DC به AC را انجام مي دهد.

از لحاظ نوع كموتاسيون مي¬توان به دو دسته¬بندي زير رسيد :
• اينورترهاي با كموتاسيون طبيعي ، كموتاسيون خط.
• اينورترهاي با كموتاسيون اجباري
كموتاسيون طبيعي بيشتر در سيستمهاي متصل به شبكه استفاده مي¬گردد ليكن در كموتاسيون اجباري از طريق مدار جانبي كموتاسيون صورت مي¬گيرد.

از لحاظ نوع شبكه نيز مي¬توان تقسيم بندي زير را انجام داد :
• اينورترهاي تك فاز.
• اينورترهاي سه فاز.

كه در واقع به نوع بار و نوع كاربرد بستگي دارند خود اينورترهاي تك فاز نيز داراي انواع مختلفي مي¬باشند مانند اينورترهاي نيم موج ، تمام موج و پوش پول كه هر كدام در كاربردهاي مخصوصي مورد استفاده دارند .
همچنين از بابت نوع مدار تحريك عناصر كليدي مي توان اينورترها را به انواع زير تقسيم بندي كرد:
• اينورترهاي موج مربعي كه در اين انواع عمل كنترل ولتاژ از طريق ركتيفاير كنترل مي¬گردد تا اينكه دامنه موج AC خروجي را كنترل كند و اينورتر فقط عمل كنترل فركانس را انجام مي دهد . شكل موج خروجي در اين حالت مربعي مي باشد.

o
 اينورترهاي با مدولاسيون پالسي: در اين سيستمها ركتيفاير معمولا بصورت ديودي بوده و عمل كنترل ولتاژ و فركانس فقط توسط اينورتر صورت مي¬گيرد . اين كار از طريق اعمال الگوهاي مختلف پالس به كليدهاي اينورتر صورت مي¬گيرد . الگوهاي مختلفي براي نزديك تر كردن سيگنال خروجي به فرم سينوسي وجود دارند از جمله: PWM,SPWM,PAM,SVM,… كه هركدام دركاربردهاي بخصوصي استفاده مي¬گردند.

از سوي ديگر مي توان تقسيم¬بندي را از لحاظ تعداد سطوح سيگنال خروجي انجام داد:
• اينورترهاي دو سطحي: در اين سيستمها شكل موج خروجي داراي دو سطح خروجي مثبت و منفي مي¬باشد.
• اينورترهاي سه سطحي: كه در اين سيسستمها علاوه بر دو سطح قبلي شكل موج سطح صفر نيز مابين آنها اضافه مي¬گردد. اين كار با انجام عمل حذف ولتاژي در اينورترها صورت مي¬گيرد.
• اينورترهاي چند سطحي: در اين انواع از اينورترهائي با تعداد چند عنصر كليدي در هر بازوي پل استفاده مي¬گردد كه با تركيب مناسب اين عناصر باهم مي توان به چندين سطح در سيگنال خروجي رسيد. اين عمل را با اتصال موازي اينورترها نيز مي توان انجام داد . فايده اين عمل در كاهش ابعاد سيستم فيلترينگ مي¬باشد.

اما انواع ديگري از اينورترهاي پركاربرد در صنعت وجود دارند كه بيشتر براي كاربردهاي فركانس بالا استفاده مي¬گردند و با نام اينورترهاي تشديدي خوانده مي شوند.
در اين اينورترها كليد زني عناصر در لحظه صفر شدن ولتاژ يا جريان صورت مي-گيرد. لذا كاهش قابل ملاحظه اي در مقدار تلفات سويچينگ بوجود مي¬آورد. اين اينورترها به دو دسته زير تقسيم مي گردند.:

۱-اينورترهاي با تشديد بار : در اين نوع مبدلها از يك بار LC براي ايجاد رزونانس استفاده مي شود . ليكن بسته به مقادير مختلف در مقدار ضريب ميرايي و فركانس اينورتر ؛ اين سيستمها مي¬توانند حالتهاي مختلف عملكردي داشته باشند كه هريك براي كاربرد خاصي استفاده مي¬گردند. خود اين اينورترها دو نوع مي باشند

• – اينورترهاي تشديدي با مدار تشديد سري: كه در اين انواع از يك سيستم رزونانسي سري در خروجي اينورتر به همراه بار استفاده مي¬گردد و وجود سلف سري باعث پيوستگي در جريان خروجي خواهد شد. لذا اين اينورتر بايستي از طريق يك منبع ولتاژ تغذيه گردد يعني يك اينورتر منبع ولتاژ مي باشد
• – اينورترهاي تشديدي با مدار تشديد موازي: كه در اين انواع از يك سيستم رزونانسي موازي در خروجي اينورتر به همراه بار استفاده مي¬گردد و وجود خازن موازي باعث پيوستگي در ولتاژ خروجي خواهد شد. لذا اين اينورتر بايستي از طريق يك منبع جريان تغذيه گردد يعني يك اينورتر منبع جريان مي باشد
۲-اينورترهاي با لينك DC تشديدي: د

ر اين سيستمها به ولتاژ DC ورودي به اينورتر اجازه داده مي¬شود تا حول يك مقدار ثابت نوساناتي را داشته باشد ، معمولا بين صفر و يك مقدار مثبت، در اين حالت ولتاژ ورودي طي زمان محدودي صفر مي ماند و اجازه سويچينگ در اين لحظات به كليدهاي اينورتر داده مي¬شود.
چگونگی کارکرد یوپی اس دلتا کانورژن و نحوه عملکرد اجزای داخلی آن :
پیش از آنکه به بیان نقاط تمایز و مزایای طراحی دلتا کانورژن بپردازیم ، چگونگی کارکرد این طراحی و وظایف کانورترها را در حالتهای متفاوت عملکرد مورد بررسی قرار می دهیم .

جهت درک آسانتر وخصوصاً با توجه به وجود ترانسفورمری خاص (دلتا ترانسفور مر) در این طراحی ، ابتدا قوانین رگولاسیون ولتاژ و جریان ترانسفورمر را یادآوری می کنیم:
۱-ولتاژ سیم پیچ ثانویه یک ترانسفورمر تابع ضریب تناسب و ولتاژ سیم پیچ اولیه می باشد.
۲- جریان سیم پیچ ثانویه یک ترانسفورمر تابع عکس ضریب تناسب و جریان سیم پیچ اولیه می باشد.
۳- شکل موج جریان بوسیله مشخصه های جریان بار کنترل می شوند یعنی اگر بار خطی
( برای مثال بارمقاومتی ) در ثانویه داشته باشیم جریان سیم پیچ اولیه سینوسی و در صورت غیر خطی بودن بار ، جریان اولیه نیز غیر خطی خواهد بود.
دلتا ترانسفورمر یک ترانس ایزوله تکفاز است که نسبت تناسب آن در یوپی اس دلتاکانورژن اپیکو ۲:۱ میباشد . دردلتاکانورژن اتصال AC-AC کانورترها از طریق دلتا ترانسفورمر ، بر قرار شده که اصطلاحا به این مسیر Pure power path گفته می شود.

وجود ترانسفورمر ایزوله دیگری نیز در خروجی کانورتر اصلی ، از مزایای منحصر بفردیوپی اس های دلتا کانورژن اپیکو میباشد که در افزایش ضریب اطمینان و حذف مولفه های DC در خروجی سیستم بسیار موثر است . نسبت تناسب این ترانس ۱۰:۱ میباشد.
برای مثال یک سیستم با خروجی ۲٫۲KW /220VAC ویک بار۱۰ آمپری را در نظر می گیریم و در حالتهای متفاوت ، چگونگی کارکرد دلتا کانورژن را مورد بررسی قرار می دهیم .

درشکل زیر(شکل -۱) منبع AC ورودی روشن و هر دو کانورتر خاموش است ، بدیهی است که با خاموش بودن استاتیک سوییچ اصلی و کانورترها انتقال توان به خروجی انجام نمیشود .
شکل -۱

حال در شرایطی که دلتا کانورتر خاموش و منبع توان ورودی و استاتیک سوییچ اصلی و اینورتر اصلی روشن باشند به تحلیل مدار زیر (شکل -۲) می پردازیم :

شکل -۲
همان طور که می بینیم توان خروجی توسط اینورتر اصلی و انرژی ذخیره شده باتری تامین می گردد ، اینورتر اصلی ولتاژ ۲۲۰V تنظیم شده ای ، همفاز با منبع ورودی تولید می کند.
به دلیل خاموش بودن دلتا اینورتر ، جریان ثانویه دلتا ترانسفورمر صفر بوده ، در نتیجه جریان سیم پیچ اولیه نیزصفر خواهد بود وتمامی توان مورد نیاز جهت تغذیه بار از انرژی ذخیره شده باتری و اینورتر اصلی حاصل می گردد ، بنابراین در می یابیم که تنها راه تامین توان جهت تغذیه بار مصرفی از منبع AC ورودی ، روشن بودن دلتا کانورترمی باشد به شکل زیر(شکل -۳) توجه فرمایید.
شکل -۳
بالانس توان در دلتا کانورژن :
قانون اول کیرشهف بیان میکند : مجموع جبری جریانهای هر گره درمدار معادل صفر است، در نقطه توازن توان Power balance point) ( نیز این مطلب صادق است .

 

در شکل ۴ یک سیستم با خروجی ۲٫۲KW / 220VAC نمایش داده شده است به عنوان مثال جهت تغذیه یک بار ۱۰A و بافرض تلفات ۱۰ درصدی سیستم ،در حالت عملکرد عادی که منبع توان ورودی دارای ولتاژ۲۲۰v می باشد ، از آنجاییکه اینورتر اصلی نیزجهت تثبیت ولتاژ ۲۲۰v ±۱% تنظیم شده است ، ولتاژ دو سر سیم پیچ اولیه دلتا ترانسفورمرکه تفاضل ولتاژ ورودی و خروجی است ، صفر بوده و وضعیتی بی نظیرو کمترین تلفات را خواهیم داشت . دلتا کانورتر باید جریان ۲۲A (در

ثانویه دلتا ترانسفورمر) راتامین نماید در نتیجه با توجه به ضریب تناسب دلتا ترانسفورمر در سیم پیچ اولیه ۱۱A القا میگرددکه ۲۲۰۰W)10A) جهت بار مصرفی و (۲۲۰*۱A=220W)1A باقیمانده به سمت اینورتر اصلی جهت تلفات داخلی سیستم و شارژ باتریها بر می گردد، بدین ترتیب امکان عملکرد دوسویه در مسیرمیان اینورترها نیز فراهم می گردد . لازم به ذکر است که در این شرایط، هنگام عملکرد دوسویه ، از انرژی ذخیره شده باتری استفاده نمی شود .

شکل- ۴
بالانس توان رادر حالت افت ولتاژ ورودی مورد بررسی قرار می دهیم :
در شرایطی که ولتاژ ورودی ۳۵% کاهش یابد، دلتا کانورتر باید جریان ورودی را به ۱۶٫۹۲۳۰۷۷A (2420/143=16.923077) افزایش دهد ، در نهایت ۲۲۰۰W (10A) جهت تغذیه بار مصرفی و جریان باقیمانده (۶٫۹۲۳A)به منظور تلفات داخلی(۱A) و کنترل توان جاری شده میان اینورترها(۵٫۹۲۳۰A) بکارگرفته می شود .
برای درک آسانتر به مدار شکل ۵ توجه فرمایید :
شکل – ۵
در این حالت جهت بالانس توان در خروجی ، تبدیل توان در دلتا ترانسفورمر از ثانویه به اولیه صورت می گیرد و توان کنترل شده در حلقه ای متشکل از دلتا ترانسفورمر ،Pure power path ، ترانسفورمر ایزوله خروجی ، مسیر DC و اینورترها جاری می شود .
شکل -۶
بالانس توان را در شرایط افزایش ولتاژ ورودی مورد بررسی قرار می دهیم :
در صورتی که ولتاژ ورودی ۱۵% افزایش یابد، دلتا اینورتر باید به منظور نگهداری بالانس توان ، جریان ورودی را کاهش داده وهمانطور که درمدارات زیر(اشکال ۷و۸ ) نمایش داده شده است توان خروجی از دومسیر موازی به صورت زیر تامین می گردد .

شکل-۷
شکل -۸
بنابراین زمانیکه ولتاژ ورودی در مقدار نامی خود باشد ، توان دلتا ترانسفورمر صفر خواهد بود و در صورت پایین بودن ولتاژ ورودی جهت بالانس توان در خروجی ، توان از ثانویه به اولیه دلتا ترانسفورمر جاری می شود و در حالت عکس (افزایش ولتاژ ورودی ) توان از اولیه به ثانویه دلتا ترانسفورمر جریان می یابد و در نهایت بار مصرفی ۱۰۰% توان مورد نیاز خود را در نقطه بالانس توان (power balance point) دریافت میکند . در حقیقت دلتا کانورتر وظیفه نگهداری بالانس توان در خروجی را به عهده دارد .