مقاله روش های طراحی اینورتر چند سطحی بر اساس کنترل جریان هیسترزیسی

بخشی از مقاله

*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***

روش هاي طراحي اينورتر چند سطحي بر اساس کنترل جريان هيسترزيسي
چکيده
مدولاسيون هيسترزيسي براي مبدل هاي الکترونيک قدرت کاربرد بسيار گسترده پيدا کرده است . اين کاربرد وسيع از پاسخ ديناميکي بسيار سريع و قابليت تعقيب مرجع در گسترده فرکانسي زياد ناشي مي گردد. کاربرد و مزاياي آين روش در اينورترهاي دو سطحي مورد مطالعه زيادي قرار گرفته است ، اما در مورد مبدل هاي چند سطحي هنوز روش هاي مختلف در حال توسعه مي باشد. در اين مقاله تعدادي از روش هاي کنترل اينورترهاي چند سطحي با استفاده از مدولاسيون هيسترزيس مورد بررسي قرار گرفته است . در اين مقاله مزاياي و معايب هر روش بررسي شده است . سپس توسط شبيه سازي با نرم افزار MATLAB مداري طراحي و مورد آزمايش قرار گرفته است . تمام اين آزمايشات روي اينورتر پنج سطحي و جريان A انجام گرفته است .
واژه هاي کليدي اينورتر چند سطحي، کنترل جريان ، مدولاسيون هيسترزيسي، مدولاسيون چند سطحي
١- مقدمه
اينورترهاي معمول ، دو سطح ولتاژ متناوب صفر و يک مقدار مثبت (يا منفي)، در خروجي فراهم ميکنند. در نتيجه براي داشتن جريان و ولتاژ با کيفيت در خروجي نياز به فرکانس کليدزني بالا، با استفاده از روش - هاي مختلف مدولاسيون پهناي پالس دارد. اما در کاربردهاي توان بالا، قطعات کليدزني موجود محدوديت هايي را در فرکانس بالا اعمال مي - کنند؛ که ناشي از تلفات کليدزني و مقادير نامي آن ها مي باش [١].
ساخت اينورترهاي توان بالا بدون استفاده از ترکيب هاي سري موازي کليدها جهت افزايش ولتاژ و جريان نامي، امکان پذير نمي باشد. اما اين روش هم خود باعث کاهش فرکانس کليدزني ميگردد. به همين دليل در توان هاي بالا رسيدن به ديناميک سريع مشکل است . اين امر مستلزم استفاده از فيدبک مستقيم جريان است ، تا توسط يک مقايسه گر هيسترزيس با مقدار مرجع مقايسه گردد[٥ و ١١]. مدولاسيون هيسترزيس در مبدل هاي الکترونيک قدرت جهت رسيدن به پاسخ ديناميکي مناسب ، پايداري بي شرط و تعقيب خروجي در پهناي باند وسيع ، ترجيح داده مي شود[٤ و ٩]. در اين روش ، متغير کنترلي سيستم با باند(هاي) هيسترزيس براي ايجاد فرمان کليدزني مبدل مقايسه مي شود. اين کنترل به طور وسيعي در مبدل هاي دو سطحي استفاده مي گردد. توانايي و سادگي آن در کاربردهاي مختلف نشان داده شده است [٢ و ٦ و ١١ و ١٥ و ١٦ و ١٨]. در ادامه توضيح مختصري از کنترل هيسترزيس دو سطحي براي تنظيم جريان خروجي ارائه شده است .

شکل ١- الف ) کنترل هيسترزيس دو سطحي ب ) اينورتر دوسطحي
کنترل جريان هيسترزيسي دو سطحي عبارت است از کليدزني ترانزيستورهاي مبدل به طوري که جريان بار مبدل ، مرجع را در باند هيسترزيسي معيني دنبال نمايد. يک اينورتر تک فاز نيم پل در شکل ١-الف براي درک بهتر، نشان داده شده است . در شکل ١ دو منبع DC با دامنه به عنوان خط DC اينورتر و نقطه مشترک آن دو (n نقطه خنثي) به عنوان زمين در نظر گرفته شده است . ولتاژ خالص خروجي کنترل پذير اينورتر که u به عنوان کنترل ورودي و نشان دهنده منطق کليدزني اينورتر است . مقدار ١+ و ١- براي دو سطح اينورتر شکل ١- الف فرض مي شود. ولتاژ خروجي اينورتر van را مي توان به صورت زير نشان داد:

به طوري که ia جريان بار، vback ولتاژ ضد محرکه و L و R به ترتيب اندوکتانس و مقاومت بار مي باشند. اغلب جريان عبوري از مقاومت بار کوچک و قابل صرف نظر است . مشتق جريان مرجع را ميتوان به صورت زير تعريف کرد:

از رابطه اين گونه برداشت مي گردد که ، خطاي جريان (ce=ia-iref) با توجه به علامت آن ، با افزايش و کاهش van کاهش مييابد. شکل ٢-ب پياده سازي کنترل هيسترزيس دو سطحي را نشان مي دهد، هنگامي که جريان اندازه گيري شده (ia) از مرجع خود (iref) به حد هيسترزيس (h) بيشتر مي شود، جهت کاهش جريان ، خروجي اينورتر به سطح پايين تر کليدزني مي شود برعکس اگر ia به اندازه باند هيسترزيس از مرجع کمتر شود، خروجي به سطح بالاتر کليدزني مي گردد تا جريان افزايش يابد. در اينورتر شکل ١-الف ، وضعيت 1+=u با حالت کليدزني 0=S2,1=S1 و وضعيت 1-=u با 1=S2,0=S1 تعريف مي گردد. سيستم سه فاز به راحتي مي تواند با سه اينورتر کنترل هيسترزيسي تک فاز مستقل مدل گردد.

شکل ٢- انواع اينورتر پنج سطحي الف ) خازن شناور ب ) برش ديودي ج ) سري
بر اساس کنترل هيسترزيسي دو سطحي مذکور، ورودي کنترلي u، به صورت زير تعريف ميگردد.

لازم به ذکر است که پهناي باند هيسترزيس مناسب توسط حداکثر فرکانس مجاز کليدزني ادوات کليدزني و حداکثر سطح مجاز انحراف جريان تعيين مي گردد. مقدار کوچک باند هيسترزيس باعث افزايش فعاليت کليدها، و تلفات بيشتر کليدزني مي شود؛ و مقدار بزرگ آن باعث افزايش اعوجاج در جريان تحت کنترل مي گردد. بنابراين هميشه يک سازش در تعيين اندازه باند هيسترزيس لازم است .
هنگامي که فقط دو سطح DC در دسترس است ، کنترل هيسترزيسي دو سطحي با هر محدوده هيسترزيسي که براي مبدل تک فاز شکل ١، نسبتا آسان است . اما در اينورترهاي چند سطحي، که تعداد سطوح ولتاژ خروجي بيشتري در دسترس است ، عملکرد مدار کنترلي انتخاب سطح مناسب ولتاژ خروجي است تا متغير کنترلي را در لحظه اي که از محدوده معيني تجاوز کند، مجبور به صفر شدن کند. بنابراين کنترل - کننده هيسترزيسي چند سطحي نياز به منطق اضافي جهت انتخاب سطح ولتاژ مناسب در هر لحظه از زمان دارد تا سيگنال کنترل را در باند هيسترزيس خاص محدود کند.
نقطه شروع به سمت طراحي يک مدولاتور هيسترزيسي چند سطحي مناسب را مي توان در ادامه ديد: با توجه به مقدار لحظه اي متغير سيستم کنترل ، کنترل کننده بايد سطح ولتاژ مناسب را انتخاب کند. در هر لحظه ، وقتي متغير از حد هيسترزيسي تجاوز نمايد، سطح ولتاژ بالاتر (پايين تر) بعدي بايد به نحوي انتخاب گردد تا متغير کنترلي را در يک محدوده خاص ، نگه دارد. به هر حال اين سطح ولتاژ جديد مبدل نبايد متغير را به حدود خاصي برگرداند. وقتي اين اتفاق رخ دهد، مبدل بايد مجدد به سطح ولتاژ بالاتر (يا پايين تر) کليدزني شود، و فرايند تا وقتي که سطح ولتاژ مناسب انتخاب نشده ، ادامه يابد. در اين ميان براي نيل به هدف اشاره شده روش هايي مطرح گرديده است که ، مدولاسيون هيسترزيس چند سطحي چند بانده ، مدولايسون هيسترزيس چند سطحي به روش چند آفسته و مدولاسيون هيسترزيس چند سطحه مبتني بر زمان از جمله آن است .
٢- مدولاسيون هيسترزيس چند سطحي چند بانده
روش مدولاسيون هيسترزيسي چند بانده براي مبدل هاي چند سطحي جهت کنترل کليدزني از باندهاي هيسترزيس متقارن استفاده مي کند، به طوري که باند داخلي سبب کليدزني بين باندهاي مجاور مي شود و باند خارجي درصورت لزوم باعث تغيير سطح کليدزني اضافي مي شود. اين روش ، ابتدا در [١٩] مطرح شده است و سپس در [٧ و ٨ ١١ و ١١] استفاده شده است ، که در شکل ٣ به صورت تنظيم جريان نشان داده شده است . هنگامي که جريان خطا از باند داخلي B عبور مي کند، خروجي اينورتر افزايش يا کاهش مي يابد (بسته به اينکه از کدام مرز هيسترزيس عبور کرده باشد). معمولا اين تغيير ولتاژ باعث مي شود تا جهت جريان خطا بدون رسيدن به باند بيروني معکوس شود. اما اگر خطا معکوس نشود، از مرز B به مرز خارجي بعدي ادامه مي يابد (مکاني در ΔB خارج از B). در اين لحظه ، سطح ولتاژ بالاتر يا پايين تر انتخاب مي شود. اين عمل به طوري که شرح داده شد تا جايي که جريان خطا معکوس شود ادامه مي يابد. به اين نکته بايد توجه شود که اگر سطح ولتاژ اعمالي شده در هنگام عبور از مرز جريان خطا براي وادار کردن خطا به برگشت کافي نباشد، وقتي که در زمان بعدي خطا مجدد به همان سطح ولتاژ قبلي ميرسد، هيچ تغيير سطح ولتاژ اعمال نمي - گردد. به طوري که در شکل ٣ مشهود است ، در اين حالت خطا اجازه دارد تا زماني که به مرز خطاي بالايي يا پاييني مقابل نرسيده ، برود.

شکل ٣- کنترل جرياني مدولا يون هيسترزيسي چند بانده [١٤]
براي توضيح بيشتر روش چند بانده ، خروجي يک اينورتر پنج سطحي به همراه خطاي جريان در شکل ٤ مشاهده مي گردد. به طوري که در شکل ٤ مشاهده مي گردد، خطا درون باندهاي معين مطابق با سطوح ولتاژ ظاهر شده در خروجي اينورتر قرار دارد. مسير خطا مشابه شکل ٣ مي تواند مرجع را دنبال کند.

شکل ٤- مدولاسيون چند بانده پنج سطحي الف ) جريان خطا و باندهاي هيسترزيس ب ) ولتاژ خروجي اينورتر[١٤]
يکي ار مزاياي کنترل هيسترزيسي چند بانده استفاده از 1-n باند براي اينورتر n سطحي حول محور خطاي صفر ميباشد.
در اين مورد، حتي هنگامي که ريپل هاي دوره اي جريان هم در نظر گرفته مي شود، مقدار متوسط جريان خطا به صفر مي رسد [١٢].
بنابراين خطاي تعقيب DC در جريان خروجي به وجود نمي آيد بنابراين نياز به مدارات جبران سازي آفست آنالوگ نمي باشد.
٣- مدولاسيون هيسترزيس باندهاي چند آفسته
بر خلاف ايده چند بانده ، که براي تنظيم خطاي جريان از باندهاي متقارن هيسترزيس استفاده ميشود، در روش چند آفسته از باندهايي داراي آفست DC در اطراف خط خطاي جريان صفر استفاده ميشود.
مزيت استفاده از آفست اين است که باندهاي مختلف ، مي تواند به راحتي پياده سازي شود. همچنين مي توان اين روش را براحتي به گونه اي برنامه ريزي يا پياده سازي کرد که اگر ولتاژ ظاهر شده در مرزهاي باند اندازه لازم جهت برگرداندن خطا را نداشته باشد، آنگاه حرکت به ساير باندها مجاز گردد. بر خلاف روش قبلي، سطوح ولتاژ ثابت در طرح چند آفسته ظاهر مي شوند، به طوري که خطاي جريان از مرز باندها با يک شيب معين عبور مي کند. در اين بخش ، ابتدا روش مرسوم چند آفسته ارائه مي شود، سپس مدل اصلاح شده آن ارائه مي گردد، که بهبود در اجرا را سبب مي شود.
روش چند آفسته ارائه شده در [١١] و [٣] بر پايه اينورتر سه سطحي مي باشد. در اين روش براي اينورتر n سطحي جريان مي تواند با استفاده از ١-n باند کنترل شود. وقتي که خطاي جريان از مرز يک باند آفست از خط جريان صفر در يک جهت عبور مي کند، سطوح ولتاژ آفست در تمام مرزهاي آفست کليدزني مي شود. يک ترکيب ممکن از باند دو آفسته (B١ و B٢) براي کنترل اينورتر سه سطحي در شکل ٥ نشان داده شده است . به طوري که در شکل ديده مي شود، هنگامي که خطا مرزهاي متناظر B١ و B٢ را لمس مي کند، سطوح ولتاژ خروج ثابت کليد زني مي شوند. هنگامي کليدزني انجام مي گيرد که علامت خطا و شيب آن در مرز باند يکسان باشد و کليدزني قبلي در مرز مشابه باند يکسان رخ نداده باشد. براي مثال ، خطاي مثبت و شيب مثبت در p١ و خطاي منفي و شيب منفي در p٢ باعث کليدزني مي شوند( شکل ٥ را ببينيد).

شکل ٥- مدولاسيون چند آفسته سه سطحي [١٤]
ميتوان در نظر گرفت که سطح ولتاژ صفر در درون B١ و B٢ کليدزني مي شود، در حد بالايي در حد پاييني B٢. مي توان در شکل ٥ مشاهده نمود که انتخاب سطوح ولتاژ براي محدود کردن جريان خطا از سطح پايين به بالا به صورت پله به پله و بدون جا گذاشتن هيچ سطح مياني انجام مي پذيرد. اين محدوديت يک بهينه سازي در استفاده از سطوح ولتاژ موجود است . به نظر ميرسد، روش چند آفسته براي اينورتر سه سطحي مناسب باشد.
به طوري که از همه حالت هاي ولتاژ در دسترس بري محدود کردن جريان خطا توسط باندهاي خارجي استفاده مي کند. به هر حال ، اگر روش مشابه با ترتيب منطقي مشابه به هر اينورتر با سطح بالاتر اعمال شود، بهينه سازي آن به هم مي ريزد[١٣]. براي ساده سازي، يک تنظيم کننده جريان هيسترزيس چند بانده پنج سطحي بررسي مي شود. در شکل ٦ مسير ممکن خطاي جريان با ترکيبات چند بانده و مطابق سطوح ولتاژ خروجي کليدزني مشاهده مي شود. با دنبال کردن روش [١٧]، چهار باند (B4-B1) لازم است و هنگامي که خطاي جريان باندهاي متناظر را قطع مي کند، کليدزني سطوح ولتاژ خروجي انجام مي گيرد. ميتوان در نظر گرفت که صفر ولت در حد پاييني B1 و B3، و حد بالايي B2 و B4، 4.VDC- در حد بالايي B1، 4.VDC+ در حد پاييني B2، 2.VDC- در حد بالايي B3 و 2.VDC+ در حد پاييني B4 کليدزني مي گردد. وقتي اين روش را براي اينورتر سطح بالاتر استفاده گرديد، مي توان مسير جريان خطا را از F به G مشاهده کرد. مشهود است که در نقطه G انتقال سطح ولتاژ از -Vdc/4به صفر رخ داده و سطح جا مانده است . اين موضوع در لحظه هاي کليدزني در اينورتر ولتاژ خروجي با گام هاي بزرگ و استرس ولتاژ بزرگ روي قطعه کليد زني را نتيجه مي دهد.

٤- مقايسه روش هاي مدولاسيون هيسترزيس چند سطحي
در بخش هاي قبلي، روش هاي مختلف مدولاسيون هيسترزيس در اينورترهاي چند سطحي شرح داده شد. در اين ميان پياده سازي روش چند آفسته ساده تر است ، در اين روش براي رسيدن به يک حالت پايدار از خطاي تعقيب ، نياز به معرفي مکان باندهاي هيسترزيس است .
اين محدوديت عملا در اينورترهايي با سطح ولتاژ بالاتر، تشديد مي گردد. براي بهبود عملکرد اين روش و خنثي کردن آفست DC لازم است تا يک جبران ساز آفست براي اطمينان از صفر شدن مقدار متوسط خطاي جريان در هر دوره کليدزني به کار رود [١٢].
تکنيک چند آفسته مقاوم است ، اما محدوديت کلي اين روش ، افزايش پيچيدگي مدار آنالوگ جهت پياده سازي سطوح مختلف ولتاژ و جبران سازهاي آفست را به ازاي سطوح ولتاژ بيشتر به دنبال دارد.
بنابراين روش چند آفسته رايج ، در اينورترهاي سطوح بالاتر محدوديت جا گذاشتن دو سطح ولتاژ مياني را دارد. اما در روش چند آفسته بهبود يافته ، اين محدوديت وجود ندارد و مي توان به راحتي آن را به اينورترهاي سطوح بالاتر اعمال نمود. به هر حال محدوديت اصلي اين روش ، رسيدن به خطاي تعقيب پايدار، باعث شده است ، اين روش کاربرد گسترده اي پيدا نکند.
روش چند بانده از باندهاي متقارن جهت کنترل متغير کنترلي استفاده مي کند. مزيت عمده اين روش ، عدم ايجاد خطاي تعقيب DC مي باشد. بنابراين بر خلاف روش چند آفسته هيچ جبران ساز آنالوگ آفستي را نياز ندارد. به هر حال ، اين روش به مدارهاي پيچيده ديجيتال جهت تغيير سطوح کليدزني نياز دارد [١٢]. چون که لازم است که در هر نقطه عبور خطاي جريان از مرز هيسترزيس ، نقاط عبوري از مرز باند معين قبلي طبقه بندي شوند. براي مثال در شکل ٣-٥ مي توان ديد که ، وقتي که خطاي جريان به باند مشخص مي رسد، در حالي که نقطه عبوري قبلي در همان مرز بوده است ، هيچ کليدزني نبايد انجام بگيرد.
در اين مورد خطا به باند بعدي بالايي يا پاييني با فاصله УB از مرز باند عبوري برسد، کليدزني صورت مي پذيرد. به هر حال اگر نقطه عبوري قبلي در مرز ديگري عبور کرده باشد، کليدزني انجام مي گيرد. بنابراين در اين روش لازم است که اطلاعات نقطه عبور ذخيره شود، که به مدارات ديجيتال اضافي نياز است . به هر حال با توجه به تجهيزات ديجيتالي پيشرفته موجود، برنامه نويسي اين روش آسان شده است . بنابراين ، در اين روش ، شکل موج خطاي جريان ، خصوصا در مرجع جريان غير سينوسي، ممکن است متقارن نشود.
٥- طراحي مدار و شبيه سازي
در اين بخش به بررسي و شبيه سازي روش هايي جهت کنترل جريان اينورترهاي منبع ولتاژ پرداخته مي شود. در اين بخش جهت بررسي و شبيه سازي روش هاي ارائه شده از ساختار اينورتر سري پنج سطحي که در بخش قبلي شرح داده شد، استفاده مي گردد. به طوري که در شکل ٢-ج مشاهده مي گردد، اين اينورتر شامل ٢ اينورتر پل و داراي ٨ عنصر کليدزني مي باشد. در نتيجه ١٦ حالت مختلف کليدزني ايجاد مي گردد. در تمام نتايج شبيه سازي ولتاژ منبع DC حدود ٧٠٠ ولت و بار به صورت مقاومتي-سلفي در نظر گرفته شده است .
٥-١ مدار کنترل جريان اينورتر چند سطحي
يک راه رسيدن به کنترل خيلي مقاوم عدم استفاده از قطعات ديجيتالي ترتيبي مانند فيليپ فلاپ است . زيرا که وضعيت آن ها ممکن است نويز يا ديگر اغتشاشات تغيير کند. در اين مورد بايد مناسب ترين سطح ولتاژ انتخاب گردد، حتي اگر کليدزني بهينه از دست رود. روش کنترل در ادامه شرح داده ميشود. سه باند به فاصله δ٢ به مرکزيت مرجع جريان ايجاد ميگردد (شکل ٧ الف ). بنابراين صفحه جريان -زمان به پنج ناحيه همانند سطوح ولتاژ خروجي تقسيم مي شود. بسته به مکان جريان بار، اينورتر بايد بار را با سطح ولتاژ مناسب تغذيه کند. به هر حال باندهاي هيسترزيس مناسب بايد به مرکزيت مرزهاي باندهاي مختلف به دامنه δ٢ ايجاد شود تا از فرکانس کليدزني نامحدود جلوگيري شود. در شکل ٧ نتايج شبيه سازي به ازاي مقدار بزرگ δبراي تفهيم بيشتر روش کنترل نمايش داده شده است . در عمل مي توان مقدار δ را بسيار کوچک در نظر گرفته تا موجب کاهش اعوجاج هارمونيکي شود؛ اما برعکس در اصل اعوجاج هارمونيکي به δ باندهاي هيسترزيس ايجاد شده وابسته است . به عبارت ديگر δ نمي