تاثیر راهبرد مدولاسیون بر روی بعدبندی اینورترهای منبع Z سه فاز

چکیده

کلیدواژه‌ها

مقدمه

اساس کار

مدولاسیون پل اینورتر

شکل2. توابع مدولاسیون برای مدولاسیون پیوسته (CM) و ناپیوسته (DM)

 طراحی سلف

شکل4. جریان سلف CM6 با ωt به عنوان پارامتر

جدول1:حداکثر ریپل‌های جریان سلف همه‌ی روش‌های مدولاسیون

جدول2:پارامترهای شبیه‌سازی

شکل5. حداکثر ریپل جریان سلف وابسته به ωt و M’ . 

طراحی خازن

شکل6. ولتاژهای خازن CM2 با ωt به عنوان پارامتر، UIn = 210 V، UC2 = 250 V،   و Ti  = 70 Nm. 

شکل7. ولتاژهای خازن CM2 با ωt به عنوان پارامتر، UIn = 150 V، UC2 = 250 V،   و Ti  = 70 Nm. 

شکل8. حداکثر ریپل ولتاژ خازن در حالت وابسته به ωt و M’ . 

جدول3:حداکثر ریپل‌های ولتاژ خازن همه‌ی روش‌های مدولاسیون 

جدول4:حداکثر ریپل‌های ولتاژ خازن همه‌ی روش‌های مدولاسیون

شکل9. ریپل‌های تحلیل و شبیه‌سازی‌شده‌ی ولتاژ وابسته به UIn. 

تلفات اندازه‌گیری‌شده‌ی QZSI 

شکل10. تلفات الکتریکی اندازه‌گیری شده‌ی طرح‌های مدولاسیون پیوسته. 

شکل11. تلفات الکتریکی اندازه‌گیری‌شده‌ی طرح‌های مدولاسیون ناپیوسته. 

راهبرد عملکردی برای مدولاسیون پیوسته

شکل12. تلفات الکتریکی اندازه‌گیری‌شده‌ی روش مدولاسیون CM2a. 

نتیجه‌گیری

در مبدل‌های منبع Z (ZSI)، راهبرد مدولاسیون تعیین‌کننده‌ی اندازه‌ی سلف‌ها و خازن‌ها و نیز تلفات سیستم است. در این مقاله تاثیر روش مدولاسیون بر روی طراحی اجزای پسیو به طور کامل بررسی می‌شود که در آن یک ماشین سنکرون مغناطیس دائم داخلی به عنوان بار انتخاب شده است. مشخصات خاص چندین روش مدولاسیون برای عملکرد حالت دائم ارائه شده و رهنمودهایی برای رویه‌ی طراحی توسعه می‌یابند. نشان داده خواهد شد که تعداد زیادی از وضعیت‌های shoot-through لزوماً منجر به ریپل‌های کوچک در اجزای پسیو نمی‌شود. از این منظر، روشی برای حداقل کردن سلف مورد نیاز و تلفات ZSI بنا می‌شود. نتایج شبیه‌سازی و آزمایشگاهی شامل اندازه‌گیری تلفات سیستم، پشتیبان تحلیل صورت‌گرفته هستند.

اینورترهای منبع Z (ZSI) سه فاز به طور معمول شامل یک پل مشترک اینورتر و یک شبکه‌ی امپدانسی موسوم به شبکه‌ی Zهستند. اختلاف در توپولوژی‌ها در چیدمان سلف‌ها، خازن‌ها و دیود ورودی شبکه‌ی Z نهفته است [1]. یک حالت از این توپولوژی‌های تک‌حالته با عملکرد باک و بوست و قابلیت بازتولید انرژی توپولوژی‌ای است که به طور گسترده به کار می‌رود، یعنی اینورتر منبع Z Quasi (QZSI) [2]، مطابق شکل1، که در آن بررسی‌های ذیل مبتنی هستند. با این حال، نتایج استخراج‌شده را می‌توان به دیگر انواع ZSI سه فاز نیز اعمال کرد. شبکه‌ی Z ترکیب اتصال‌کوتاه‌های بازوی فاز اینورتر را در طرح مدولاسیون پل اینورتر مرسوم قادر می‌سازد [3]، که عملکرد بوست را فراهم می‌کند. کلید طراحی یک ZSI عبارت‌ است از روش تخصیص وضعیت‌های Shoot-Through (S) در طرح مدولاسیون. در اصل، دو طرح مدولاسیون پیوسته (CM) ارائه شده‌ است، که هر کدام شامل دو وضعیت S در میان وضعیت‌های هرزگرد (F) مرسوم [4] (شکل3، CM2) یا قراردهی شش وضعیت S در گذر بین وضعیت‌های F و Active (A) (شکل3، CM6) هستند [1]. روش مدولاسیون دوم به طور متناقض بحث شده است. از یک طرف این روش قرار است تا در مقایسه با دیگر طرح‌ها دارای تلفات بیشتری باشد [5] و از سوی دیگر ویژگی‌های خوب تلفاتی در [6] گزارش شده است. با در نظر گرفتن اندازه‌ی سلف‌ها، حتی نتایج مخالف و متضاد نیز قابل دستیابی است [6]-[8]. با این حال، این یکی از راهبردهای بسیار مرسوم مدولاسیون است. برای کاهش تلفات در مقایسه با روش CM6، یک روش مدولاسیون یا چهار وضعیت S بین وضعیت‌های F و A توسعه یافته است [9] (شکل3، CM4). علاوه بر این، در [10] روش‌های پیشرفته‌ی مدولاسیون ناپیوسته (DM) معرفی شده است که تعداد گذراهای کلیدزنی را کاهش داده و به این ترتیب راندمان سیستم بهبود می‌یابد. کاراترین گزینه عبارت است از توزیع غیرمتقارن وضعیت‌های کلیدزنی در ارتباط با یک سیگنال حامل متقارن. یک طرح مشابه در [11] پیاده‌سازی شده است. اخیرا نویسندگان [12] دو روش مدولاسیون پیوسته‌ی بهینه شده از لحاظ تلفات پیشنهاد داده‌اند. در روش اول، وضعیت‌های S بین دو وضعیت A اختصاص می‌یابد (شکل3، CM2a). روش دیگر شامل یک چیدمان نامتقارن S (شکل3، CM2b) مشابه با روش ناپیوسته‌ی ارائه شده در [10] است. به جز برای کاربردهای اخیر [7]، [8]، تمرکز مدولاسیون ZSI عمدتاً بر روی حداقل‌سازی تلفات نیمه‌هادی بوده است. یک تحلیل جامع در رابطه با تاثیر راهبردهای مدولاسیون روی بعدبندی اجزای پسیو هنوز به انجام نرسیده است. به خصوص روش مدل‌سازی برای طراحی خازن‌ها همواره ساده‌سازی شده است، هرچند پیچیدگی مدل با توجه به پارامترهای عملکردی تغییر می‌کند. این مقاله به تاثیر راهبرد مدولاسیون روی بعدبندی سلف‌ها و خازن‌های توپولوژی‌های ZSI سه فاز می‌پردازد. برای این منظور، یک تحلیل مقایسه‌ای از ریپل‌های جریان سلف و ولتاژ خازن انجام می‌گیرد، که مشخصات بار یک ماشین سنکرون مفناطیس دائم ناهمسانگرد (IPMSM) در نظر گرفته می‌شود. از معادلات استخراج‌شده برای حداکثر ریپل‌های جریان و ولتاژ، مقادیر سلف و خازن محاسبه می‌شوند. در کنار نتایج شبیه‌سازی برای ریپل‌های رخ‌داده، نتایج آزمایشگاهی نیز ارائه می‌شود تا عملکرد ضعیف طرح‌های مدولاسیون در نظر گرفته شده تایید شود. تحلیل کاملی برای انواع گسترده‌ی روش‌های مدولاسیون و یک توصیه‌ی واضح برای عملکرد ZSIهای توان بالا فراهم می‌شود.