طراحی و پیاده سازی کنترلر درایو موتور القایی

چکیده

امروزه تکنیکهای مدولاسیون پهنای پالس به طور وسیعی برای کنترل ولتاژ و جریان خروجی مبدلهای ACDC به کار می روند. از میان این روشها, مدولاسیون بردار فضایی (SVM) به خاطر سادگی و خواص مطلوب آن در کنترل اینورترهای سه فاز به صورت دیجیتالی مورد توجه فراوان قرار گرفته است. محدودیت این روش, پیچیده و زمان بر بودن محاسبات مورد نیاز برای اجرای آن به صورت زمان حقیقی است که ماکزیمم فرکانس سوییچینگ و در نتیجه پهنای باند سیستم کنترلی را محدود می سازد. این مسئله به ویژه در اجرای روش SVM در مبدلهای چند سطحی که در مقایسه با نوع دو سطحی از حجم محاسبات بیشتری برخوردارند, محدودیتهای بیشتری را سبب می شود. به عبارت دیگر, با افزایش تعداد سطوح ولتاژ خروجی, پیچیدگی سخت افزاری و نرم افزاری روش به طور قابل ملاحظه ای افزایش می یابد. بنابراین ارائه روشی دقیق و سریع برای اجرای SVM به صورت زمان حقیقی بر روی مبدلهای چندسطحی, باعث بهبود عملکرد این گونه مبدلها می شود. بهره اینورتر را می توان برابر با نسبت ولتاژ متناوب خروجی به ولتاژ مستقیم ورودی تعریف کرد.

شکل موجهای ولتاژ خروجی در اینورتر در اینورترهای ایده ال باید سینوسی باشد, با این حال در اینورترهای علمی این شکل موج ها غیر سینوسی بوده و دارای یک سری هارمونیکهای مشخص می باشد. در کاربردهای توان متوسط و توان پایین , ولتاژهای مربعی و یا تقریبا مربعی ممکن است قابل قبول باشد ولی در کاربردهای توان بالا به موجهای سینوسی با اعوجاج بسیار کم نیاز است. با در اختیار داشتن قطعات نیمه هادی قدرت سریع , می توان با استفاده از روش های کلیدزنی, هارمونیکهای ولتاژ خروجی را به نحوه چشمگیری کاهش داد.

فهرست مطالب

عنوان صفحه

فهرست جدول‌ها‌ط

فهرست شکل‌‌ها‌ی

فصل 1- مقدمه 13

1-1- پیشگفتار13

1-2- تاریخچه 13

1-3- بررسی کارهای انجام شده14

1-3-1- اینورتر های ولتاژ14

1-3-2- درایو موتور القایی.. 15

فصل 2- مروری بر تحقیقات انجام شده بر روی درایو ها18

2-1- مقدمه 19

2-2- اینورتر دو سطحی.. 20

2-3- اینورتر سه سطحی.. 20

2-4- استراتژی مدولاسیون برای اینورتر دو سطحی.. 24

2-5- استراتژی مدولاسیون برای اینورتر سه سطحی.. 28

2-6- PWM سینوسی براساس موج کریر. 29

2-7- مدولاسیون بردار فضایی.. 31

2-8- مقایسه PWM براساس حامل ، با PWM براساس بردار فضایی.. 33

فصل 3- مدلسازی درایو موتور القایی.. 38

3-1- کنترل ولتاژ نقطه خنثی.. 39

3-2- مدارهای کنترل ولتاژ نقطه خنثی.. 39

3-3- کنترل ولتاژ نقطه خنثی با استفاده از روش PWM... 41

3-3-1- روش PWMبراساس حامل برای تجزیه و تحلیل جریان نقطه خنثی.. 42

3-3-2- روش PWM براساس بردار فضایی برای تجزیه و تحلیل جریان نقطه خنثی.. 45

3-3-3- کنترل ولتاژ نقطه خنثی.. 49

3-4- تکنیک های PWM و کنترلرهای با جریان صفر نقطه خنثی.. 54

3-5- تکنیک های PWM با جریان صفر در نقطه خنثی.. 54

3-6- کنترل کننده ولتاژ نقطه خنثی براساس تکنیک های PWM جریان صفر نقطه خنثی.. 58

فصل 4- مدولاسیون SVM... 60

4-1- مقدمه 60

4-2- تئوریSVM :63

4-2-1- تجزیه و تحلیل برداری اینورتر سه فاز. 66

فصل 5- شبیه سازی درایو موتور القایی.. 71

5-1- مقدمه 71

5-2- SVPWM 71

5-3- اصول کلی SVM درایو دو سطحی.. 72

5-4- پیاده سازی سیستم دو سطحی.. 77

5-4-1- کد نویسی بلوک تبدیل abc to ab. 78

5-4-2- کد نویسی بلوک sector number78

5-4-3- کد نویسی بلوک duty ratio. 79

5-4-4- کد نویسی بلوک switching. 80

5-5- نتایج شبیه سازی درایو دو سطحی.. 86

5-6- پیاده سازی سیستم سه سطحی.. 95

5-7- نتایج شبیه سازی درایو سه سطحی.. 96

فصل 6- نتیجه گیری و پیشنهادات... 103

6-1- نتیجه گیری.. 103

6-2- پیشنهادات... 104

فهرست مراجع.. 105

فهرست جدول‌ها

عنوان صفحه

جدول 2-1: سطح ولتاژ فاز خروجی و حالت های سوئیچ ها.21

جدول 2-2: افست مد مشترک برای اینورتر سه سطحی.32

جدول 3-1:توالی سوئیچینگ برای PWM با بردارهای مجازی.56

جدول 3-2: توالی سوئیچینگ برای مدولاسیون بردار فضایی حالت شعاعی.54

جدول 5-1: بردار های V₀ الی V₇ اینورتر دو سطحی.. 74

جدول 5-2: جدول سوییچینگ اینورتر دو سطحی.. 76

فهرست شکل‌‌ها

عنوان صفحه

شکل ‏1‑1: ولتاژ تغذیه شده توسط یکسوکننده دیودی.. 15

شکل ‏2‑1: مدل کلیدزنی یک اینورتر سه سطحی.21

شکل ‏2‑2: مسیر های جریان در حالت ON و ولتاژ در دو سر دستگاه در حالت OFF.22

شکل ‏2‑3: دیاگرام بردار فضایی از یک اینورتر سه سطحی.24

شکل ‏2‑4: اینورتر منبع ولتاژ سه فاز. 25

شکل ‏2‑5: بردارهای سوئیچینگ مربوط به عملکرد غیر مدوله، اینورتر. 25

شکل ‏2‑6: شکل موج جریان فاز خزوجی.. 26

شکل ‏2‑7: مسیر بردار جریان در صفحه مختلط... 26

شکل ‏2‑8: پیاده سازی PWMسینوسی براساس حامل برای اینورتر سه سطحینقطه خنثی نگهداشته شده .30

شکل ‏2‑9: (a) شش تا شش ضلعی در داخل یک دیاگرام برداری فضایی از اینورتر سه سطحی. (b) تقسیمات دیاگرام بردار فضایی بدون بردار اضافی.29

شکل ‏2‑10:(a) افزودن هارمونیک سوم. (b) افزودن نیمی از مقدار ولتاژ متوسط ​​برای گسترش محدوده خطی. 32

شکل ‏2‑11: پیاده سازی PWMبراساس حامل از PWMبراساس بردار فضایی، برای اینورتر سه سطحی (a) 9/0 =m و (b) 155/1=m.26

شکل ‏3‑1: مدار تعادل ولتاژ برای خازن الکترولیتی لینکDC. 37

شکل ‏3‑2: مبدل باک- بوست (کاهنده- افزاینده) دو طرفه بعنوان مدار تعادل ولتاژ فعال. 37

شکل ‏3‑3: متوسط جریان نقطه خنثی برای PWM سینوسی. 41

شکل ‏3‑4: جریان نقطه خنثی با توجه به حالات مختلف سوئیچینگ. 43

شکل ‏3‑5: زیر بخش ها در یک ششم دایره از دیاگرام بردار فضایی.44

شکل ‏3‑6: متوسط جریان نقطه خنثی برای PWM بردار فضایی.45

شکل ‏3‑7: سیستم کنترل حلقه بسته برای کنترل ولتاژ نقطه خنثی. 47

بردارهای فضایی مجازی برای یک ششم اول دایره دیاگرام بردار فضایی.. 52

شکل ‏4‑1: موتور القایی سه فاز تغذیه شده توسط اینورتر سه سطحی دیود-کلمپ.... 60

شکل ‏4‑2: اینورتر ولتاژ دیود کلمپ سه سطحی و حالات مختلف سوئیچپنگ.... 61

شکل ‏4‑3: وضعیت های سوئیچینگ اضافی مبدل 3سطحی جهت بالانس خازن 58

شکل ‏4‑4: معادل بین سیستم سه فاز و نمایش برداری.. 60

شکل ‏4‑5: اینورتر منبع ولتاژ سه فاز 62

شکل ‏4‑6: بردارهای سوئیچینگ مربوط به عملکرد غیر مدوله، اینورتر. 62

شکل ‏4‑7:شکل موج جریان فاز خزوجی.. 63

شکل ‏4‑8: مسیر بردار جریان در صفحه مختلط... 65

شکل ‏5‑1: نمایش محدوده های under modulation و over modulation و نیز شش ضلعی.. 72

شکل ‏5‑2: نمای اینورتر دو سطحی.. 73

شکل ‏5‑3: نمایش ترکیب های مختلف سوییچ زنی... 73

شکل ‏5‑4: نمایش سوییچینگ بردارهای درایو دو سطحی.. 75

شکل ‏5‑5: الگوی سوئیچینگ درایو دو سطحی.. 77

شکل ‏5‑6: ترتیب سوئیچینگ پایه های درایو دو سطحی... 78

شکل ‏5‑7: منحنی ولتاژ فاز بار83

شکل ‏5‑8: THD ولتاژ فاز نسبت به زمین 83

شکل ‏5‑9: THD ولتاژ خط 84

شکل ‏5‑10: :تابع مدولاسیون SVM.... 84

شکل ‏5‑11: :بلوک دیاگرام سیستم کنترل موتور القایی.. 85

شکل ‏5‑12: جریانهای استاتور موتور القایی.. 85

شکل ‏5‑13: ا شکل موج های گسترده شده جریانهای استاتور موتور القایی.. 87

شکل ‏5‑14: منحنی های سرعت و گشتاور سیستم.. 88

شکل ‏5‑15: منحنی جریان خط موتور القایی.. 89

شکل ‏5‑16: منحنی ولتاژ خط موتور القایی.. 89

شکل ‏5‑17: شکل موج THD برای جریان فاز a و ولتاژ خط Vab.. 90

شکل ‏5‑18: بلوک کنترلی تولید سیگنال PWM.... 91

شکل ‏5‑19: درایو سه سطحی به همراه موتور القایی.. 92

شکل ‏5‑20: Duty Cycle ایجاد شده توسط سیستم.. 93

شکل ‏5‑21: زمانهای روشن بودن سوئیچ ها93

شکل ‏5‑22: - ولتاژهای فاز موتور القایی.. 94

شکل ‏5‑23: ولتاژ های خط موتور القایی.. 94

شکل ‏5‑24: جریانهای خط موتور القایی.. 95

شکل ‏5‑25: ولتاژهای فاز موتور القایی.. 96

شکل ‏5‑26: THD جریان ia موتور القایی.. 97

شکل ‏5‑27: THD جریان ولتاژ موتور القایی.. 97

فصل 1- مقدمه

1-1-پیشگفتار

در گذشته ،SCR ها در اینورتر های با توان بالا و متوسط به کار می رفتند. اینورتر های تویستوری نیاز به مدار های جا به جاگر برای خاموش کردن SCR دارند. مدار های جا به جاگر اندازه و قیمت اینورتر را بالا می برند و قابلیت اطمینان و فرکانس کلید زنی آن را کاهش می دهند. امروزه تقریباً تنها از کلید های قدرت نیمرسانای تمام کنترل شونده ، عمدتاً IGBT ها ( در اینورتر های با توان متوسط ) و GTO ها (در اینورتر های با توان بالا ) استفاده می شود.

اینوترها به طور گسترده ای در صنعت به کار می روند(مثل گردانندهای موتورهای ac با دور متغیر , گرم کننده القایی , منابع تغدیه کمکی و منابع تغذیه بدون وقفه ) ورودی اینورتر ممکن است یک باتری , سلول زغالی , سلول خورشیدی ویا هرمنبع مستقیم دیگری باشد.خروجی اینورترهای تکفاز معمولا برابر (1) 120 ولت در فرکانس 60 هرتز(2) 220 ولت در فرکانس 50 هرتز و (3) 115ولت در فرکانس 400 هرتز است.در سیستمهای سه فاز توان بالا , خروجی های معمول عبارتند از 380/220 ولت در فرکانس 50 هرتز , (2) 208/120 ولت در فرکانس 60 هرتز و (3) 200/115 ولت در فرکانس 400 هرتز).

1-2-تاریخچه

بستهبهنوعکاربرد،نوعکلید،نوعشبکهکهاینورتربهآنوصلمیشودو... اینورترهایمختلفیمورداستفادهقرارمیگیرند. دراینقسمتبهبررسیکوتاهیراجعبهاینانواعمی پردازیم.
درحالتکلیازلحاظنوعتغذیهاینورتروباریکهاینورترانراتغذیهمیکند،میتواناینورترهارابهدوگروهزیرتقسیمکرد :

الف- اینورترهایمنبعولتاژ VSI .

ب- اینورترهایمنبعجریان CSI.

اینورترهایمنبعجریانبیشتردرکاربردهایدرایوهایماشینهایبزرگصنعتیکاربرددارندیادرجاهائیکهبحثتوانبالاوجوددارددرایناینورترهاورودی DC اینورترجریانمیباشدوخروجی AC سینوسیآنولتاژ . امااینورترهایمنبعولتاژیبرعکسمیباشدیعنیورودی DC ولتاژوخروجی AC سینوسیجریانمیباشد . درهردوایناینورترهاتوانقابلیتانتقالدرهردوسمترادارامیباشدیعنیدرصورتیکهولتاژوجریانهمعلامتباشندسیستمبصورتاینورترودرصورتیکهمختلفالعلامتباشندسیستمبصورترکتیفایرعملمیکند.

1-3-بررسی کارهای انجام شده

1-3-1- اینورتر های ولتاژ

تبدیل dcبه acبه کمک اینورتر ها تحقق می یابد. اینورتراز یک منبع dc تغذیه می شود ولی ولتاژ و جریان خروجی مولفه های اصلی بزرگی با دامنه و فرکانس قابل تنظیم دارند. بسته به نوع ، اینورتر های ولتاژ (VSI ها ) و اینورتر های جریان (CSI ها ) مشخص می شوند . علاوه بر یکسو کننده ها ، اینورتر های ولتاژ متداول ترین مبدل های الکترونیک قدرت به شمار می روند. ولتاژ ورودی dc برای یک اینورتر ولتاژ از یکسو کننده معمولاً کنترل نشونده دیودی یا از دیگر منابع dc مانند باتری ( مثلاً در خودرو های تغذیه شده توسط باتری ) تامین می شود. مطابق شکل 1 اگر از یکسو کننده استفاده شود ، اینورتر مشابه برشگر ها از طریق یک رابط LCdc، شبیه رابط به کار رفته در برشگر تغذیه می شود . خازن رابط مانند یک منبع ولتاژ عملی رفتار می کند، چون ولتاژ دو سر آن نمی تواند تغییرات لحظه ای داشته باشد . وظیفه اصلی القاگر جداسازی یکسوکننده تغذیه کننده و سیستم قدرت از مولفه فرکانس – بالای جریان ورودی اینورتر است. بر خلاف خازن ، وجود القاگر به طور ذاتی مورد نیاز نیست. در واقع در بعضی اینورتر های عملی ، به منظور کاهش ابعاد و قیمت مبدل و جلوگیری از کاهش ماکزیمم ولتاژ خروجی قابل دسترس به علت افت ولتاژ روی دو سر القاگر ، این القاگر حذف می شود.

شکل ‏1‑1: ولتاژ تغذیه شده توسط یکسوکننده دیودی

اینورتر ها را می توان با هر تعداد فاز خروجی ساخت . در عمل ، اینورتر های تکفاز و سه فاز بیشتر به کار می روند. اما ، اخیراً ساخت موتور های ac با بیشتر از سه فاز به منظور بالا بردن قابلیت اطمینان در بعضی کاربردهای خاص پیشنهاد شده است. چنین موتور هایی از اینورتر های چند فازمناسب تغذیه می شوند.

1-3-2- درایو موتور القایی

امروزه اینورترهای دو سطحی بطور گسترده در درایوهای سرعت متغیر با ولتاژ پایین استفاده می گردد . با این حال، اینورترهای قدرت چند سطحی نیز برای راه­اندازی موتورهای القایی توسط سیستم­های درایو با ولتاژهای متوسط ​​و بالا با موفقیت بکار گرفته شده است. توپولوژی­های مختلف اینورترهای چند سطحی برای درایوهایی با ولتاژ متوسط ​​و بالا در مراجع [1]، [2]، [3]، [4]، [5]، [6] و [7] بررسی شده است. از مزایای راه اندازی موتورهای القایی توسط درایوهایی با اینورترهای چند سطحی می توان به استرس کم دستگاه ، اعوجاج هارمونیکی ولتاژ خروجی کمتر و بازده بالا نسبت به اینورترهای دو سطحی اشاره کرد. یک نقطه خنثی نگه­داشته شده[1] در اینورتر سه سطحی برای راه اندازی موتورهای القایی در شکل(1-1) نشان داده شده است، که این ساختار در مرجع [5] برای سیستم های درایو با راندمان بالا پیشنهاد شده است. در سه دهه گذشته، فعالیت­های تحقیقاتی گسترده ای در مورد نقطه خنثی نگه­داشته­شده در اینورتر سه سطحی انجام شده است. مطالعه مقایسه­ای این توپولوژی با توپولوژی مبدل دو سطحی نشان داده است که می توان این توپولوژی را بخوبی در درایوهای ولتاژ پایین بکاربرد[8]. در حال حاضر این توپولوژی بطور گسترده برای کاربرد در درایوهای ولتاژ پایین و توان پایین استفاده می شود [8]، [9] و [10].

اینورتر سه سطحی با نقطه خنثی نگه­داشته­شده به 12 ترانزیستور دوقطبی با گیت عایق شده[2] نیاز دارد ، که افزایش پیچیدگی در طرح کلی و پیاده سازی را به همراه خواهد داشت. با این حال، امروزه پیاده سازی این اینورتر برای کاربردهای ولتاژ پایین به دلیل در دسترس بودن ماژول های محقق کننده یک ساق از اینورتر آسان شده است[10]، [11]، [12] و [13].

برخلاف اینورترهای دوسطحی در اینورترهای سه سطحی سه سطح ولتاژ در لینک DC وجود دارد، که این سطح اضافی بوسیله نقطه میانی از دو خازن متصل شده بصورت سری در لینک DC ، تحقق می پذیرد. این نقطه میانی به عنوان نقطه خنثی در یک اینورتر سه سطحی شناخته شده است. پتانسیل نقطه خنثی باید متعادل باشد؛ به عبارت دیگر، ولتاژ دو سر خازن ها باید با هم برابر باشد؛ که درغیر اینصورت هر گونه اختلال در این پتانسیل در ولتاژهای خروجی اینورتر منعکس شده و می تواند موجب افزایش اعوجاج هارمونیکی شود. در اینورترهای سه سطحی افزایش تعداد سوئیچ های فعال باعث افزایش درجه آزادی می گردد ، که به کاهش ولتاژ مد مشترک منجر شده و باعث حفظ تعادل در ولتاژ نقطه خنثی می شود. اما از سوی دیگر، آنها پیچیدگی را در کنترل اینورتر افزایش می دهند. استراتژی های مختلف مدولاسیون و کنترل در متون و نوشته های علمی برای نقطه خنثی نگه داشته شده در اینورتر سه سطحی مطرح شده است.

ما در این تحقیق از مدولاسیون فضای برداری برای کنترل اینورتر دو و سه سطحی استفاده کرده ایم. میزان هارمونیک های هر یک بطور جداگانه بررسی شده و خروجی های هر درایو بدست آمده و درستی هر یک تحلیل شده است.در فصل 2 مروری بر تحقیقات درایوهای موتور القایی معرفی شده است. فصل 3 مدلسازی انواع درایوها را مورد توجه قرار داده و روابط حاکم بر آن را بررسی می­کند. مدولاسیون فضای برداری هم در فصل 4 معرفی می­شود. شبیه سازی درایوهای دو و سه سطحی موتور القایی به همراه نتیجه گیری در فصل 5 ارائه شده است.

فصل 2- مروری بر تحقیقات انجام شده بر روی درایو ها

2-1-مقدمه

پیکرهبندیهایمختلفیبرایمداراتقدرتوجودداردوراهحلهایمختلفیدرطراحیاینورتراستفادهمیشود. روشهایمختلفطراحیکهممکناستکمابیشاهمیتداشتهباشد،بهاینکهاینورتربرایچهمقصودیطراحیشدهاست،بستگیدارد. برامدکیفیتشکلموجبهروشهایزیادیمیتواندمرتبشود. خازنهاوسلفهامیتوانندبرایفیلترکردنشکلموجاستفادهشوند. اگرطراحیشاملیکترانسفورمرباشد،فیلترمیتواندبهاولیهیاثانویهترانسفورمریابههردوسمتآناعمالشود. فیلترپایینگذربرایاجازهعبوردادنبهمولفهاصلیشکلموجبهخروجیدرحینمحدودکردنعبورمولفههایهارمونیکبهکاربردهمیشود. اگراینورتربرایتامینانرژیدرفرکانسثابتطراحیشدهاست،یکفیلترتشدیدمیتواندمورداستفادهقرارگیرد. براییکاینورترفرکانسمتغیر،فیلتربایدبرایفرکانسیتنظیمشودکهبالاترازحداکثرفرکانسمولفهاصلیباشد . ازآنجاییکهاکثرمصرفکنندههاشاملسلفهستند،یکسوسازهایفیدبکیادیودهایموازی- معکوساغلببهدوسرهریکازسوئیچهاینیمههادیمتصلمیشودتامسیریبرایپیکجریانبارالقائیموقعقطعسوئیچایجادکند. دیودهایموازی-معکوستاحدیشبیهدیودهایهرزگرداستفادهشدهدرمداراتمبدلهای AC/DC هستند. تحلیلفوریهنشانمیدهدکهیکشکلموج،مثلموجمربعی،کهحدودادرنقطه180 درجهغیرمتقارنهستند،فقطشاملهارمونیکهایفردهستند،سوم،پنجم،هفتموالیآخر. شکلموجهاییکهپلههاییباعرضهایمعینوسعودونزولمحودارند،هارمونیکهایاضافیراحذفمیکنند. برایمثالبااضافهکردنیکپلهصفرولتبینقسمتهایمثبتومنفیموجمربعی،همهیهارمونیکهاییکهبر 3 بخشپذیرهستند،حذفمیشوندوفقطهامونیکهایپنجم،هفتم،یازدهم،سیزدهمو ... باقیمیماند. عرضموردنیازبرایپلههایکسومپریودهرپلهمثبتیامنفیویکششمپریودهرپلهصفرولتاست. تغییرموجمربعیتوضیحدادهشدهدربالایکمثالازمدولاسیونپهنایباند (PWM) است. مدولاسیون،یارگولاسیونعرضیکپالسموجمربعیاغلببهعنوانتنظیمولتاژخروجیاینورتراست.زمانیکهکنترلولتاژلازمنیست،یکعرضپالسثابتمیتواندبرایکاهشیاخذفکردنهارمونیکموردنظرانتخابشود. تکنیکحذفهارمونیکمعمولارویپایینترینهارمونیکها(ازلحاظفرکانسی)بهکاربردهمیشودچونفیلترینگدرفرکانسهایبالاترموثرترازفرکانسهایپاییناست. طرحهایکنترلی Multiple pulse-width یا carrier based PWM شکلموجهاییراارائهمیدهدکهباپالسهایکمعرضزیادیترکیبشدهاند. فرکانسبهنمایندگیازتعدادپالسهایباریکدرثانیه،فرکانسسوئیچینگیافرکانسکریرنامیدهمیشود. اینطرحهایکنترلیاغلبدراینورترهایکنترلموتورهایفرکانسمتغیراستفادهمیشوندزیرارنجوسیعیازولتاژوفرکانسخروجیراقابلتنظیممیکنند.

2-2-اینورتر دو سطحی

امروزه اینورترهای دو سطحی بطور گسترده در درایوهای سرعت متغیر با ولتاژ پایین استفاده می گردد . با این حال، اینورترهای قدرت چند سطحی نیز برای راه­اندازی موتورهای القایی توسط سیستم­های درایو با ولتاژهای متوسط ​​و بالا با موفقیت بکار گرفته شده است.

-3-اینورتر سه سطحی

دیاگرام مدار اینورتر سه سطحی با نقطه خنثی نگه­داشته­شده در شکل(2-1) نشان داده شده است. پایانه های مثبت و منفی از باس DCتوسط Pو Nنشان داده شده است. نقطه خنثی از اینورتر توسط Oنشان داده شده است ، که آن توسط نقطه میانی از دو خازن متصل شده بصورت سری محقق می شود. خروجی اینورتر سه سطحی می تواند به پایانه های P، Nو یا Oاز باس DCمتصل شود که سه سطح در خروجی ایجاد خواهد کرد. این را می توان در شکل(2-1)، که نشان دهنده مدل کلیدزنی اینورتر می باشد، مشاهده نمود.

اگر ولتاژ لینک DCکل به عنوان V_dcدر نظر گرفته شود، ولتاژهای ترمینال P ، Oو ترمینال Nبه صورت V_dc2/1+ ، 0 و V_dc2/1- در نظر گرفته خواهد شد. اگر فاز خروجی از اینورتر به ترمینال Pمتصل شود، ولتاژ فاز خروجی V_dc2/1+ خواهد شد. به عنوان مثال، برای دستیابی به فاز a، سوئیچ های S_a1 و S_a2 باید روشن باشند و سوئیچ های S_a3و S_a4باید خاموش گردند. سطح ولتاژ فاز خروجی و حالت سوئیچ برای رسیدن به سطح ولتاژ خاص در جدول(2-1) نشان داده شده است، که در آن 1 نشان دهنده آن است که سوئیچ روشن است، و 0 نشان دهنده آن است که سوئیچ خاموش است. هنگامی که سوئیچ S_x1روشن است، سوئیچ S_x3خاموش است و بالعکس؛ بطور مشابه برای سوئیچ های S_x2و S_x4نیز درست می باشد. این نشان می دهد که یک فاز تنها به دو سیگنال گیت مستقل برای سوئیچ های آن نیاز دارد. اگر S_x1و S_x2مشخص باشند، سیگنال های معکوس آنها را می توان به ترتیب برای S_x3و S_x4مورد استفاده قرار داد.

شکل ‏2‑1: مدل کلیدزنی یک اینورتر سه سطحی.

جدول 2-1: سطح ولتاژ فاز خروجی و حالت های سوئیچ ها.

x : نشان دهنده یک فاز بصورت کلی.

الزاماتی برای سوئیچ ها در یک مبدل سه سطحی برای اتصال به پایانه های P و N برای هدایت جریان در هر دو جهت در حالت ONو مسدود نمودن فقط ولتاژ مثبت در حالت OFFمورد نیاز هستند. این امر مستلزم جریان دو طرفه سوئیچ دو ربعی می باشد. با این حال سوئیچ مورد نیاز برای اتصال به ترمینال Oباید ولتاژهای مثبت و منفی در حالت OFFرا مسدود نماید و جریان در هر دو جهت در حالت ON را هدایت نماید. بنابراین یک کلید چهار ربعی باید برای اتصال به ترمینال Oاستفاده گردد. این ترکیبات از سوئیچ ها با استفاده از 4 عدد IGBTو 6 دیود در یک فاز محقق می شود، همانطور که در شکل(1-1) برای نقطه خنثی نگه­داشته­شده اینورتر سه سطحی نشان داده شده است. مسیرهای جریان برای جریان مثبت و منفی از طریق سوئیچ ها در حالت ONو ولتاژهای دو سر سوئیچ ها در حالت OFF، هنگامی که یک فاز خروجی به ترمینال های P، Oو Nمتصل می شود ، در شکل(2-2) نشان داده شده است.

1Neutral Point Clamped(NPC)

[2]Insulated Gate Bipolar Transistor(IGBT)