بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
شبیه سازي اینورتر پنج سطحی خازن شناور براي درایو موتور القایی سهفاز با استفاده ازMATLAB
چکیده: هدف این مقاله، ارائه نتایج تئوري شبیهسازي اینورتر پنج سطحی با خازن شناور (Five Level Flying Capacitor Inverter) در کاربرد درایو موتور القایی میباشد. مدلی از یک مبدل پنج سطحی خازن شناور سه فاز که توسط dspace کنترل میشود، توضیح داده شده است. مدلسازي ، پیاده سازي و شبیه سازي این مقاله در محیط Simulink/Matlab انجام شده است. از برتري این نوع ساختار نسبت به سایر ساختارهاي مبدلهاي چند سطحی این است که این ساختار قادر به حفظ تعادل ولتاژهاي خازن با استراتژي کنترل می باشد.
١- مقدمه
اینورتر چند سطحی، یک مبدل الکترونیک قدرت است که از طریق کلید زنی، با استفاده از چندین منبع DC ورودي ، ولتاژ خروجی مطلوب را بهدست می آورد. یکی از مزایاي اینورترهاي چندسطحی، بهبود کیفیت شکل موج خروجی است .کیفیت ولتاژ خروجی به تعداد سطوح ولتاژ اینورتر بستگی دارد.[1]
عملکرد مبدل چندسطحی بطور کلی عبارتست از ترکیب سطح ولتاژهاي DC مختلف براي تولید شکل موج دلخواه. ساختار بی نظیر مبدلهاي چندسطحی، اجازه دسترسی آنها به ولتاژهاي بالا با هارمونیک پایین، بدون نیاز به ترانسفورماتور و سوئیچهاي سري امکانپذیر میسازد. به همین دلیل است که آنها قابلیت توان دهی بالا را دارند. هرچه تعداد سطوح بالاتر رود، موج خروجی شامل تعداد پله بیشتري خواهد بود و مقدار هارمونیک کمتر است. همچنین ولتاژ قابل دسترسی نیز بیشتر خواهد بود. در ضمن ، ساختار مبدلهاي چندسطحی به گونهاي است که مشکل تقسیم ولتاژ براي سوئیچها وجود ندارد.
مبدلهاي چندسطحی PWM داراي نرخ dv/dt بسیار کمتري نسبت به مبدلهاي دوسطحی PWM می باشند زیرا سوئیچینگ بین سطوح ولتاژ به مراتب کمتر است.[2] اینورترهاي چندسطحی مزایاي زیادي در مقایسه با اینورتر دو سطحی معمولی دارند. تکنولوژي جدید نیمه هادیهاي قدرت، دست یابی به سطح ولتاژ و جریان بالاتر را در توپولوژي چندسطحی درایوهاي مدیوم ولتاژ ، ممکن ساخته است.
وقتی تعداد سطوح به حد کافی افزایش مییابد ، محتویات هارمونیکی با ساختار اینورتر چندسطحی، پایین میآید و نیاز به فیلتر نیست. ترکیبات کلیدزنی ، اختلاف سطوح ولتاژ بالانس را کاهش میدهد. تعداد زیاد حالات تکرار ولتاژهاي خروجی ، موقعیتهاي مناسبی براي کنترل ولتاژ خازنهاي اینورتر ایجاد میکند. توان حقیقی و توان راکتیوعبوري می تواند کنترل شود و یک مبدل منبع ولتاژ مناسب براي انتقال ولتاژ بالاي DC می باشد.
۲- تاریخچه اینورتر چندسطحی با خازن شناور
در دهه 1980 میلادي ، توسعه مبدلهاي چند سطحی (MC) پیشرفت چنـدانی نداشـت . بعـد از ده سـال ، در دهـه 1990 ، زمانیکه Meynard و Foch(1992) ، مبـدل خـازن شـناور را بـه عنـوان اینـورتر چنـد سـطحی چـاپر ارائـه کردنـد . اینـورتر چندسطحی خازن شناور که به عنوان کلمپ خازنی نیز شناخته می شود ، یکی از توپولوژیهاي اینورتر چند سطحی است. در این مبدل ، ولتاژ خروجی توسط خازنها برش میخورد (کلمپ میشود). کنترل مناسب در نتیجه افزونگی فاز ، پایداري ولتاژ را بدون نیاز به مدارات قدرت مجزا فراهم میسازد. خازن شناور شامل اتصال سري سلولهاي سوئیچینگ کلمپ خازنی میباشـد.
امروزه ، مبدلهاي خازن شناور با توان 8MVA در ولتاژ 4.2KV با سوئیچهاي IGBT و تا 6.0KV توسط IGCT ها و نیز تـا ولتاژ 10KV توسط IGBT هاي شرکت Elektrotechnika ، سال 2010 میلادي ساخته شده اند.[2],[3]
۳- توپولوژي اینورتر چندسطحی با خازن شناور
اصول مبدلهاي چندسطحی با خازن شناور، بر پایه اتصال مستقیم خازنهاي شارژ شده به خروجی، توسط سوئیچها میباشد. در این مبدلها ولتاژ خازنها باید بطور دقیق در سطح موردنظر تثبیت شود، در غیر اینصورت کیفیت ولتاژ خروجی از بین میرود. اینورتر پنج سطحی خازن شناور داراي کمترین توان تلفاتی بین سایر توپولوژیهاي مدار میباشد ( به دلیل اینکه از دیود در توپولوژي استفاده نشده است). محتواي کلی عملکرد آن به اینصورت میباشد که هر خازن شناور تا نصف ولتاژ DC شارژ می شود و میتواند در اتصال سري با فاز باشد و این ولتاژ را اضافه یا کم نماید. شکل زیر یک ساق اینورتر پنج سطحی خازن شناور را نشان میدهد. حالتهاي سوئیچینگ این اینورتر مشابه اینورتر چندسطحی دیود کلمپ میباشد. بدان معنا که در هر سطح ولتاژ خروجی، چهار سوئیچ باید روشن باشند. زاویه سوئیچینگ باید طوري انتخاب شود که کمترین THD ولتاژ خروجی را تولید نماید.[4]
چهار سوئیچ مکمل در هر ساق اینورتر وجود دارد. براي مثال ، جفت سوئیچهاي ساق A شامل (S1,S5) (S2,S6), (S3, S7) , (S4,S8) می باشند.بنابراین تنها چهار سیگنال گیت براي هر فاز اینورتر مورد نیاز است. اینورتر پنج سطحی خازن شناور مطابق شکل فوق ،میتواند یک ولتاژ فاز اینورتر با پنج سطح ولتاژ تولید نماید. وقتی سوئیچهاي S1,S2,S3,S4 هدایت میکنند ، ولتاژفاز VAN اینورتر برابر 4E بوده که همان ولتاژ ترمینال A نسبت به نقطه N از باس DC میباشد. بطور مشابه، با روشن بودن سوئیچهاي S1,S2,S3 ، ولتاژ VAN=3E میشود.[5],[6]
بطور کلی FCMLI با N سطح نیاز به N-2 خازن شناور در هر فاز دارد. طرح کلی یک اینورتر پنج سطحی سه فاز با خازن شناور در شکل( ( 2 نشان داده شده است. طبق [5],[6] ولتاژ خازنهاي اینورتر پنج سطحی برابر است با :
۴- مدل شبیه سازي درایو موتور القایی سهفاز با اینورتر پنج سطحی خازن شناور
در این قسمت، ابتدا پارامترهاي مربوط به موتور القایی سهفاز انتخاب شده جهت شبیه سازي ذکر شده است. مدلسازي ، پیاده سازي و شبیه سازي این مقاله در محیط Simulink/Matlab انجام شده است که در ادامه به تحلیل نتایج و دیاگرامهاي بدست آمده از شبیه سازي پرداخته شده است. مشخصات موتور القایی سهفاز ، ولتاژ پایین جهت شبیه سازي در جدول (1) آمده است.
مدارات شبیهسازي اینورتر پنج سطحی خازن شناور سهفاز با اتصال به موتور القایی سه فاز در شکلهاي (3) و (4) و (5) آمده-است.
