بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
حذف هارمونيک هاي فرکانس پايين در اينورتر چندسطحي CHB با روش مدولاسيون SHE
چکيده
در سالهاي اخير،کاربردهاي صنعتي بسياري موجب استفاده از دستگاه هاي با توان بالاشده است . يک اينورتر چندسطحي نه تنها يک توان با درجه بندي هاي مختلف را فراهم مي کند بلکه استفاده از منابع انرژيهاي تجديد پذير را نيز فراهم مي کند. از ميان سه ساختار اصلي اين اينورتر يعني ديود کلمپ (NPC)،خازن شناور(FC) و کاسکاد پل CHB( H)مبدل CHB انتخاب شده و از طريق روش مدولاسيون حذف هارمونيکهاي انتخابي (SHE) شبيه سازي شده است . حل معادلات روش SHE توسط دو روش نيوتن - رافسون و تئوري برآيند براي بارهاي مقاومتي و R-L انجام شده و نتايج هارمونيکي با هم مقايسه شده است .
کليد واژه- اينورتر چندسطحي ، تئوري برآيند، نيوتن - رافسون، هارمونيک
١- مقدمه
ايده اصلي اينورترهاي چندسطحي از سال ١٩٧٥ معرفي شده است . يک اينورتر چندسطحي نه تنها قابليت رسيدن به توانهاي در سطح بالا را فراهم ميکند بلکه قابليت استفاده از انرژيهاي تجديد پذير را نيز فراهم ميکند. انرژيهاي تجديد پذير مانند فوتوولتائيک ، بادي و پيل سوختي هستند که به راحتي ميتواند به مبدل چندسطحي براي کاربردهاي توان بالا متصل شوند.
از لحاظ ساختاري اينورترهاي چندسطحي سيستمي هستند که با يک سري آرايه از سوئيچ هاي قدرت و منابع dc ترکيب شده اند که بصورت صحيحي متصل و کنترل شده باشند که بتوانند يک شکل موج ولتاژ پله اي چندگانه با قابليت تغيير و کنترل فرکانس ،فاز و اندازه را توليد کنند. شکل ١ نمونه اي از ولتاژ پله اي خروجي مبدل دو ، سه و نه سطحي را نشان مي دهد. اين مبدلها در کاربردهاي توان بالا و ولتاژ متوسط مانند محرکه هاي فن ،کمپرسور،پمپ کارخانه هاي نوردفولادوکاغذسازي،خودروهاي الکتريکي - هيبريدي ، انرژيهاي تجديدپذير مانند فوتوولتائيک و باد، منابع تغذيه بي وقفه (UPS) و کنترل توان راکتيومورد استفاده قرار مي گيرند.(١،٢،٩)
از مزاياي آنها مي توان به قابليت کارکرد در ولتاژبالا، ولتاژ مد مشترک پائين ، کاهش dv.dt ، ولتاژ با محتواي هارمونيک پائين ، جرياني شبيه به جريان سينوسي، نيازمند به فيلترهاي کوچکتر در ورودي و خروجي(در صورت نياز)، بازده بالاتر و در برخي کاربردها قابليت عملکرد در Fault Tolerant (تحمل در شرايط خطا) اشاره کرد. (١)
اين اينورترها داراي سه ساختار اصلي يعني يعني ديود کلمپ (NPC)،خازن شناور(FC ) و کاسکاد پل CHB( H) هستند که هرکدام داراي مزايا و معايبي است .(١،٢)
٢-١- ساختار اينورتر چندسطحي CHB
در شکل زير ساختار نه سطحي يک اينورتر چهار سلولي به همراه شکل موج ولتاژ خروجي را نشان مي دهد.
درحالت کلي با اتصال تعداد S از اينورتر پل H متصل بهم ١+S٢ سطح ولتاژ مختلف در خروجي داريم و ماکزيمم ولتاژ خروجي SVdc است که S تعداد منابع dc يا همان تعداد سلول ممکن هاي مبدل است . اينورتر CHB داراي مزاياي زير است .(٩،٣)
• پلهاي H سري شده باعث ماژوله شدن و بسته بندي مي شود که اين امر باعث تسريع و ارزاني در پروسه ساخت و عيب يابي مي شود.
• نسبت به دو ساختار ديگر نيازمند به حداقل قطعات است
• داراي قابليت افزونگي(redundancy) در سوئيچينگ در شکل ٣ شکل موج خروجي اينورتر يازده سطحي با پنج منبع
dc مجزا و پنج اينورتر پل H نشان داده شده است :
اگر از شکل ٢ تبديل فوريه بگيريم ضريب فوريه بصورت رابطه زير است :
در اين رابطه n اعداد فرد و s تعداد منابع dc است . که در آن ٢.θs> π>....>θ٢>θ١ و با s زاويه سوئيچينگ در يک ربع سيکل مي توان ١-s هارمونيک را حذف نمود.با حذف هارمونيک هاي فرکانس هاي پايين تا مرتبه سيزدهم اکثر مشکلات موتور رفع مي شود بنابراين در اين مقاله سعي بر حذف هارمونيک هاي فرکانس پايين تا مرتبه سيزدهم شده است .
روش مدولاسيون حذف هارمونيک هاي انتخابي( selective harmonic elimination) يا SHE يک روش PWM فرکانس پايين است که از طريق آن مي توان فرکانس هاي پايين را تا مضارب دلخواه حذف کرد. براي حذف هارمونيک تا مرتبه سيزدهم ، اينورتر مورد استفاده پنج سلولي يا يازده سطحي باشد که در نهايت منجر به حل معادله زير مي شود.(٥،٦)
ma انديس مدولاسيون است و برابر مقدار زير است :
V1 دامنه پيک ولتاژ خروجي است و ma مقداري بين ٠ و ١ است . .انتخاب مناسب زواياي هدايت (θ1 و θ2 ...θs )ميتواند اعوجاج هارمونيکي در شکل موج خروجي را مينممم کند.اين دسته معادلات، معادلات غير خطي و غيرجبري هستند که با روشهايي مانند نيوتن -رافسون ، الگوريتم ژنتيک ، تئوري برآيند ، بهينه سازي اجتماع ذرات و.... حل مي شوند.(٨)
در اين اينورتر هارمونيک هاي پنجم ، هفتم ، يازدهم و سيزدهم حذف مي شوند. هارمونيک هاي مضرب سوم بطور طبيعي با اتصال بار سه فاز حذف مي شوند.هارمونيک هاي زوج نيز بدليل متقارن و فرد بودن شکل موج ولتاژ خروجي حذف مي شوند.
روش مدولاسيونSHE داراي مزاياي زير نسبت به روش هاي ديگر مدولاسيون است .
• سوئيچهاي مبدل در کمتر از يک سيکل سوئيچ ميکنند که باعث کاهش تلفات سوئيچينگ مي شود.
• حذف هارمونيکهاي مرتبه پائين باعث کمک به کاهش حجم و وزن و قيمت فيلترهاي خروجي مي شود.
• حذف هارمونيکهاي مرتبه پائين باعث کاهش dv.dt و EMI
مي شود.
قابل توجه است که انديس مدولاسيونهاي پايين در حل معادلات در نظر گرفته نشده اند زيرا براي اين انديسها استفاده از ظرفيت مبدل بسيار پايين است و در عمل مقرون به صرفه نيستند.(١،٢،٣،٤) 2
- شبيه سازي
از ميان روش هاي حل معادلات SHE دو روش نيوتن - رافسون و تئوري برآيند انتخاب و مقاسيه خواهد شد. روش نيوتن –
رافسون روشي است که داراي همگرايي بالايي است و در روش هاي تکراري بالاترين سرعت را دارد و در صورت وجود حدس اوليه مناسب دقت بالايي خواهد داشت وقادر به حذف هارمونيکهاست . عيب اين روش اين است که تنها براي ناحيه هايي که معادلات جواب داشته باشند مي تواند زوايا را بدست
آورد ولي براي ma هايي که جواب ندارد روشي پيشنهاد نکرده است . روش تئوري برآيند روشي پيچيده ولي دقيق است و قابل اعمال به معادلات مرتبه بالا نيست در ضمن براي ma هايي که جواب ندارد از روش جستجوي کلي متغيرها استفاده مي کند که قابل اعمال به معادلات مرتبه بالا نيست . روش حل توسط تئوري برآيند بصورت بسط معادلات SHE به صورت
و...... است و با جايگذاري
که در نهايت منجر به معادله چندجمله اي زير مي شود.(nاعداد فرد هستند) (٥)
