همانطور که می‌بینیم می‌توان با وصل کردن کلیدهای S1 و S4 بصورت همزمان و قطع کلیدهای S2 و S3 ولتاژ منبع تغذیه را با همان پلاریته در خروجی و با وصل کلیدهای S2 و S3 و قطع کلیدهای S1 و S4 عکس آن پلاریته را ایجاد نمود. و نیز با وصل همزمان S4 و S3 و یا S2 و S1 خروجی را در اختلاف پتانسیل صفر قرار دهیم همانطور که توسط شکل موج درون شکل نیز مشخص است ما می‌توانیم خروجی را با این تعداد سطح برای یک سلول واحد ایجاد نماییم. حال اگر این سلولها را به صورت شکل زیر بصورت cascade در کنار هم قرار دهیم خواهیم توانست تعداد سطوح بیشتری را در خروجی ایجاد نماییم.

( اینجا فقط تکه ای از متن فایل پایان نامه درج شده است. برای خرید متن کامل پایان نامه با فرمت ورد می توانید به سایت feko.ir مراجعه نمایید و کلمه کلیدی مورد نظرتان را جستجو نمایید. )

شکل۲-۱۱:اتصال سلولها بصورت آبشاری
برای اینکه درک ایجاد سطوح بیشتر توسط این ساختار راحت‌تر شود اجازه دهید ابتدا با مفهوم کلیدهای مکمل در ساختاری همچون ساختار آبشاری آشنا شویم برای همین موضوع می‌توان شکل زیر را درنظر گرفت.
شکل۲-۱۲:ساختار کلی اینورتر چند سطحی cascade
همانطور که مشاهده می‌کنیم در هر سلول دو کلید بصورت مکمل (camplmentary) قرار دارد یعنی هیچ‌گاه این دو کلید نمی‌توانند وضعیت مشابهی داشته باشند و بسته بودن یکی باعث باز شدن دیگری و برعکس است. پس توسط این حقیقت و استفاده از همین ترفند در خروجی می‌تواند باعث ایجاد سطوح مختلف در خروجی و همچنین نیم سیکل منفی شود.
حال اجازه دهید که این سلولهای واحد را برای یک اینورتر چندسطحی که توسط کلیدهای قدرت طراحی شده است مشاهده کنیم شکل زیر این ساختار را برای یک اینورتر چندسطحی نشان می‌دهد همچنین در ادامه نیز شکل موج خروجی حاصل را برای یک اینورتر ۱۱ سطحی می‌بینیم همانطور که مشاهده می‌کنیم خروجی به حالت سینوسی نزدیک شده است و هرچه تعداد این سطوح را افزایش دهیم خروجی کیفیت بالاتری خواهد داشت. با توجه به شکل نیز مشخص است که از مجموع حالات مختلف در خروجی سلولها، سطح اصلی در خروجی اصلی، نمایان می‌شود.
(شکل۲-۱۳)
۱)ساختار تکفاز اینورتر چند سطحی cascade h-bridge
۲)شکل موج خروجی ولتاژ برای اینورتر ۱۱سطحی cascadeبا ۵منبع تغذیه مجزا
توجه کنیم که اگر تعداد سلولها را با c نمایش دهیم و تعداد سطوح خروجی را با m, رابطه M=2c+1 برای این نوع پیکربندی مشاهده می‌شود همچنین اگر خوب دقت کرده باشیم متوجه این موضوع خواهیم شد که تمامی سلولها ساختاری مشابه هم دارند و این باعث می‌شود تا بتوان این مدارات را بصورت ماژول با بسته‌بندی‌هایی آسان مهیا کرد. همچنین کمترین تعداد اجزاء را نیز در این ساختار نسبت به ساختارهای دیگر خواهیم داشت و این رسیدن ما را به اهداف مورد مبحث در انتخاب یک طرح مناسب نشان می‌دهد .
با توجه به اینکه هر سلول نیازمند یک منبع dc جداگانه است کاربردهایی را همچون سلولهای فتوالکتریک و پیل‌های سوختی و… فراهم می‌کند اما همین امر می‌تواند در برخی کاربردها خود یک محدودیت تلقی شود. اما در هرحال این نوع پیکربندی با توجه به این موضوع‌های منابع dc می‌تواند جداگانه و مقادیری کوچک داشته باشد کلیدهایی با توانهای نامی کوچکتری را نیز طلب می‌کند که این خود یک حسن طراحی این ساختار است.
پیکربندی‌های مطرح شده تاکنون تنها آنهایی بودند که از نظر استفاده, و یا به عبارت بهتر از نظر ساختار به عنوان پیکربندی‌های اصلی به شمار می‌آمدند و ما می‌توانیم با توجه به رویکردهای طراحی پیکربندی‌های مختلفی را ایجاد نماییم همانگونه که از جمله پیکربندی‌های متداول دیگرترکیبی از همین پیکربندی‌ها است.
مقایسه و نتیجه‌گیری
در زیر تنها به ارائه جدولی که خود گویای تمامی مطالب برای مقایسه و در نتیجه فراهم آوردن شرایط مناسب برای نتیجه‌گیری میان پیکربندی‌های مختلف مطرح شده است بسنده می‌کنیم لازم به ذکر است که نتایج جدول مذکور توسط نرم‌افزار pspice شبه‌سازی شده است.
جدول ۲-۴:مقایسه پیکربندی های مطرح شده
همانطور که مشاهده می‌شود، کیفیت ولتاژ خروجی یعنی THD تقریباً برای همه یکسان و حدود %۳۳ است. و npcmli بالاترین هزینه را برای پیاده‌سازی دارد از این رو اقبال استفاده از Fcmli و ccmli را افزایش داده است.
جدول ۵٫۲ شرایط لازم مؤلفه ی توان در هر فاز را بین سه اینورتر ولتاژ که در بالا بیان شد را مقایسه می کند. جدول ۵٫۲ تعداد سوئیچ ها و دیودهای مورد نیاز برای داشتن سطوح ولتاژ یکسان را برای سه اینورتر نشان می دهد. ساختارهای اینورتر کسکید و FCMI نیازی به دیود محدود کننده ندارند و هم چنین خازن های متعادل کننده در اینورتر کسکید و دیود کلمپ بکار نمی رود. در ضمن کمترین عناصر سازنده در اینورترهای آبشاری بکار می رود.
جدول ۵٫۲ جدول مقایسه اینورترهای ولتاژ در تعداد سوئیچ
یکی دیگر از فواید اینورتر کسکید انعطاف پذیری آرایش مدار است. تمام سطوح ساختار یکسان دارند و نیازی به دیود محدود کننده و خازن بالانس ولتاژ اضافی نیست. تعداد سطوح ولتاژ خروجی با اضافه کردن و یا کم کردن پل به راحتی قابل تنظیم است.
فصل سوم
اینورترهای چند سطحی کسکید با ساختار های ترکیبی
معرفی
در این فصل بیشتر با ساختار اینورتر های چند سطحی از نوع کسکید کار خواهیم کرد و ساختارهایی را با توجه به این ساختار اصلی معرفی خواهیم کرد و با ارائه شبیه سازی های کامپیوتری به مزیتهایی که در روش های جدید معرفی خواهد شد پی می بریم فلذا لازم است در ابتدا کمی دقیق تر به اینورترهای کسکید بپردازیم .
۳-۱ اینورتر های ولتاژ پل
همانطور که درفصل گذشته نیز مختصرا توضیح داده شد کم ترین تعداد سطوح ولتاژ اینورتر آبشاری با منابع dc مجزا برابر سه است. برای بدست آوردن یک شکل موج سه سطحی از یک اینورتر ساده ی پل استفاده می کنیم. یک پل به عنوان H-bridge شناخته می شود و از عناصر مداری که می تواند به عنوان یک ماژول نیز در کنار یکدیگر قرار گیرند تشکیل شده این ماژول دارای چهار سوئیچ اصلی و چهار دیود هرزگرد است که شکل مداری آن در زیر آمده است.

شکل۳-۱:ساختار کلی اینورتر ساده پل
سیگنال گیت و عملکرد اینورتر در این سلول واحد میتوان سطوح ولتاژی +v,-v,و صفر را ایجاد کرد برای ایجاد این سطوح ولتاژی لازم است که چهار کلید اصلی مطرح شده را با ترتیب خاصی باز یا بسته نمود مثلا برای ایجاد سطح+vدر دو سر v_ab می باید سوئیچ s_1, s₄ بسته شود .و سوئیچهای s_{2 و}s₃ باز بماند و در حالت عکس آن می توان-vرا تولید کرد . از این رو و با توجه به این مطلب که ما در طی یک زمان بخصوص می باید حالت خاصی را به کلیدهای مدار اعمال کنیم از کلیدهای قابل کنترل به عنوان کلیدهای اصلی استفاده میکنیم تا بتوان با اعمال سیگنال خاصیبه گیت آنها عمل باز یا بسته کردن آنها را کنترل کنیم و همچنین با توجه به زوایه بار جریان ممکن است از میان سوئیچها و یا دیودها عبور کند از اینرو وجود دیودهای هرزگرد نیز ضرورت می یابد .
پس با توجه به وضعیت دلخواه در خروجی می توان آرایش خاصی را برای سوئیچها اعمال کرد مثلا برای ایجاد وضعیت صفر در خروجی میتوان کلیدهای s_1و s₂را وصل و s_3و s₄را قطع کرد و همچنین میتوان s_3و s₄را وصل s_1و s₂را در وضعیت قطع قرار داد در صورتی که برای بدست آوردن سطح صفر در یک دوره تنها از یکی از حالات فوق استفاده کنیم باعث می شود که مدت زمان وصل بودن یک سری از کلیدها بیشتر بوده و در نتیجه توان بیشتری مصرف می کنند و همچنین دمای بیشتری نسبت به دو سوئیچ دیگر خواهند داشت برای حل چنین مشکلی میباید الگوی سوئیچینگی را برای سطح صفر استفاده کنیم که برای تولید سطح صفر از دو وضعیت فوق استفاده کرده باشیم تا با بهره گرفتن از این روش وصل بودن تمام سوئیچها یکسان می شود که این موضوع در شکل زیر نشان داده شده است .
شکل ۳-۲ الگوی سوئیچینگ برای وصل بودن یکسان تمام سوئیچ ها

شکل ۳-۳ حالت دوم الگوی سوئیچینگ
۳-۲ زمان پوچ (زمان خالی )blanking time
یکی از موضوعاتی که مخصوصا در ساخت مدارات بسیار مورد توجه است در نظر گرفتن زمان پوچ برای سیگنال گیت است . در شکل بالا سوئیچ ها را ایده آل در نظر می گیریم که اجازه می دهد دو سوئیچ با هم از روشن تا خاموش تغییر کنند و بر عکس . اما در عمل ابزارهای سوئیچ زنی ایده آل نیستند. برای خاموش کردن کامل دیودها و سوئیچها ، یک زمان کوتاه مورد نیاز است که به نوع وسیله بستگی دارد. معمولا” به دلیل زمان های روشن وخاموش شدن محدود که به نوع سوئیچ وابسته است ، یک سوئیچ در زمان سوئیچینگ به طور سریع خاموش می شود. گرچه روشن شدن سوئیچ های دیگر به اندازه ی t_Δ تأخیر زمانی دارد . در زیر زمان پوچ نشان داده شده است.

شکل ۳-۴ زمان پوچ t_Δ
۳-۳ ساختار تکفاز اینورتر کسکید
برای ساختن شکل موج چند سطحی ، خروجی ac مدارهای H-Bridge با سطوح متفاوت به طور سری بهم متصل می شوند. پس شکل موج خروجی ایجاد شده مجموع خروجی اینورترهاست. تعداد سطوح ولتاژ خروجی در اینورتر کسکید به صورت زیر تعریف می شود:
m= 2s+1
که s تعداد منابع dc است.
برای مثال یک شکل موج ولتاژ خروجی نه سطحی با بهره گرفتن از چهار مدار H-bridge و چهار منبع dc مستقل ساخته می شود. شکل ۵٫۳ یک اینورتر آبشاری تکفاز m سطحی را نشان می دهد.
شکل ۳-۵ اینورتر آبشاری m سطحی تکفاز
از شکل بالا ولتاژ فاز، مجموع خروجی های هر H-bridge است و به صورت زیر بیان می شود:
برای اینکه ولتاژ صفر در همه ی خروجی اینورترها متداول است تعداد سطوح کلی ولتاژ خروجی برابر ۲s+1 می شود. یک شکل موج ولتاژ خروجی یک اینورتر نه سطحی و شکل خروجی همه ی سلول های H-Bridge در شکل زیرنشان داده شده است و ما در اینجا همه ی منابع dc را برابر می گیریم.
V_dc1 = V_dc2 = … = V_dc(s-1) = V_{dc s} = V_dc