اینورتر منبع امپدانسی نُه سوئیچه ی سه سطحی

امروزه اینورتر های الکترونیک قدرت، نقش مهمی را در سیستم های قدرت ایفا می کنند. از کاربرد های متنوع آنها می توان اتصال واحد های تولید پراکنده (dg) به شبکه [1]، کنترل درایو های موتور [2]، افزایش کیفیت توان [3] و غیره را نام برد. اینورتر ها از المانهای نیمه هادی الکترونیک قدرت تشکیل می شوند و می توانند در بازه ی توان چند مگا وات و بازه ولتاژ چند کیلو ولت مورد بهره برداری قرار گیرند. همچنین اینورتر ها می توانند بسته به کاربردشان می توانند به صورت تک فاز، سه فاز و یا چند فاز به کار گرفته شوند. معمولا اینورتر های تک فاز کاربرد های خانگی (توان پایین) داشته و اینورتر های سه فاز و چند فاز در کاربردهای صنعتی (توان بالا) مورد استفاده قرار می گیرند. از ساختار های متداول اینورتر ها می توان اینورتر منبع ولتاژ و اینوتر منبع جریان را نام برد. اینورتر ها منبع ولتاژ (شکل 1-1) که متداول ترین ساختار اینورتری می باشد از یک منبع ولتاژ به عنوان منبع انرژی استفاده می کند و از از یک مدار پل یک، سه و یا چند فاز تشکیل می شود. در این ساختار از سوئیچ هایی که شامل یک ترانزیستور قدرت ( igbt یا mosfet) و یک دیود موازی معکوس است استفاده می شود. این سوئیچ ها توانایی عبور دادن جریان از هر دو طرف را دارا می باشند اما قابلیت نگه داری ولتاژ در این سوئیچ ها یک طرفه است. یعنی فقط زمانی که ولتاژ آنها مثبت است می توان آنها را سوئیچ نمود. کاربرد اصلی این ساختار در درایو های موتور ac می باشد. خروجی این اینورتر ها ولتاژی پالسی است که هم می توان آن را مستقیما به موتور اعمال نمود و هم می توان با استفاده از فیلتر های پسیو ابتدا هارمونیک های آن را حذف کرده و سپس به موتور اعمال نمود. جریان خروجی این اینورتر ها بسته به بار آنها می تواند پالسی یا تقریبا سینوسی باشد. شکل 1-1. اینورتر منبع ولتاژ ساختار دیگر اینورتر منبع جریان است. اینورتر ها منبع جریان (شکل 1-2) در کاربرد های توان بالا مورد استفاده قرار می گیرند. این اینوتر ها از لحاظ تئوری از یک منبع جریان به عنوان منبع انرژی استفاده می کند اما از آنجایی که در عمل منبع جریان وجود ندارد می بایست با سری کردن منبع ولتاژ و یک سلف (همانطور که در شکل 1-2 دیده می شود) این منبع جریان را ایجاد نمود. همانند اینورتر منبع ولتاژ این اینورتر هم از یک مدار پل یک، سه و یا چند فاز تشکیل می شود. در این ساختار از سوئیچ هایی که شامل یک ترانزیستور قدرت ( igbt یا mosfet) و یک دیود سری است استفاده می شود. این سوئیچ ها توانایی نگه داری ولتاز از هر دو طرف را دارا بوده اما جریان آنها یک طرفه است. یعنی فقط زمانی که جریان آنها مثبت است می توان آنها را سوئیچ نمود. کابرد اصلی این ساختار در درایو های موتور ac می باشد. خروجی این اینورتر ها جریانی پالسی است که هم می توان آن را مستقیما به موتور اعمال نمود و هم می توان با استفاده از فیلتر های پسیو ابتدا هارمونیک های آن را حذف کرده و سپس به موتور اعمال نمود. ولتاژ خروجی این اینورتر ها بسته به بار آنها می تواند پالسی یا تقریبا سینوسی باشد. شکل 1-2. اینورتر منبع جریان اینورتر های متداول نظیر اینورتر منبع ولتاژ و اینورتر منبع جریان محدودیت های تئوری مشابهی دارند که استفاده از آنها را برای برخی کاربردها بدون استفاده از مدار اضافی مشکل می سازد. بعضی از این محدودیت ها در زیر آمده است. 1) اینورتر منبع ولتاژ (vsi) یک مبدل قدرت تضعیف کننده است که مقدار ولتاژ ac خروجی نمی تواند از مقدار ولتاژ dc ورودی تجاوز کند. همچنین اینورتر منبع جریان (csi) یک مبدل تقویت کننده است که مقدار خروجی ac آن همیشه بزرگتر از مقدار dc ورودی می باشد. برای استفاده از اینورتر های مذکور در بازه ی وسیع تری از ولتاژ خروجی نیاز به استفاده از یک مبدل dc/dc اضافه همراه با اینورتر ولتاژ یا جریان به منظور تقویت یا تضعیف کنندگی می باشد. این مسئله علاوه بر افزایش هزینه، عملکرد سیستم را تحت تأثیر قرار می دهد. 2) در اینورتر منبع ولتاژ، سوئیچ های بالایی و پایینی یک زانو نمی توانند به طور همزمان در حالت وصل قرار گیرند چرا که منجر به ایجاد اتصال کوتاه در خروجی خواهد شد. از طرف دیگر در مبدل منبع جریان (csi) یکی از سوئیچ های بالا یا پایین در هر لحظه به منظور برقراری جریان پیوسته باید در حالت وصل قرار گیرد . همچنین سوئیچینگ این مبدل ها نیازمند اعمال dead time و overlap time به منظور ایجاد کموتاسیون ایمن و جلوگیری از تخریب شکل موج است. 3) هارمونیک های تولیدی در خروجی ساختار های متداول موجب کاهش کیفیت توان در سیستم می گردد. 1-2- اینورتر های منبع امپدانسی چند سطحی اینوتر منبع امپدانسی [4] که به تفصیل در فصل سوم شرح داده خواهد شد، با استفاده از یک شبکه ی امپدانسی x شکل توانست دو محدودیت اول اینورتر های متداول را تا حدود زیادی برطرف نمایید. از لحاظ تئوری این اینورتر می تواند محدوده ی ولتاژ ac بین صفر تا بینهایت را در خروجی تولید نماید. همچنین وجود شبکه ی امپدانسی x شکل باعث شده تا ریسک اتصال کوتا در این اینورتر ها به شدت کاهش یابد. قابلیت افزایش ولتاژ در اینورتر های منبع امپدانسی موجب شد منابع ولتاژ با سطح ولتاژ کم بتوانند در کاربرد های ولتاژ بالا مورد استفاده قرار گیرند. شکل (1-3) استفاده از پیل سوختی ولتاژ پایین در درایو موتور را به واسطه ی اینورتر منبع امپدانسی نشان می دهد. شکل 1-3. استفاده از پیل سوختی در درایو موتور به واسطه ی اینورتر منبع امپدانسی محدودیت سوم اینورتر های متداول را می توان با استفاده از ساختار های چند سطحی برطرف نمود. این ساختار ها به خاطر داشتن دو سطح ولتاژ در خروجی خود می توانند ولتاژی نزدیک تر به سینوسی را تولید نمایند. طبیعتا ترکیب ساختار چند سطحی و ساختار منبع امپدانسی می تواند راهکار مناسبی برای حل همه ی مشکلات اینورتر های متداول باشد. شکل (1-4) نمونه ای از ساختار اینورترهای سه سطحی منبع امپدانسی را نشان می دهد. این اینورتر علاوه بر این ولتاژ خروجی تقویت شده دارد نسبت به اینورتر دو سطحی منبع امپدانسی، محتوی هارمونیکی کمتری دارد.