دانلود شبیه سازی مقاله اینورتر چند سطحی آبشاری مبتنی بر خازن سوئیچ

اینورتر چند سطحی آبشاری

سیستم توزیع توان AC فرکانس بالا (HFAC) به صورت بالقوه جایگزین سیستم توزیع سنتی DC شده است زیرا تعداد مولفه ها و هزینه های آن در سطح کمتری قرار دارند. کاربردهای مربوطه به مواردی همچون رایانه، مخابرات، دستگاه های الکترونیکی، ریزشبکه انرژی تجدیدپذیر برمی گردد. این در حالیست که HFACPDS باید با چالش های ظرفیت توان بالا، تداخل بالای الکترومغناطیسی (EMI)، و تلفات توان شدید روبرو بشود. یک سیستم توزیع توان HFAC سنتی از اینورتر فرکانس بالا (HF)، خط انتقال فرکانس بالا و تعداد زیادی ماژول تنظیم ولتاژ (VRM) ساخته شده است.اینورتر فرکانس بالا تبدیل توان را انجام می دهد و ملزومات نقطه بار (POL) را برآورده می سازد. به منظور افزایش ظرفیت توان، محبوب ترین روش اتصال خروجی اینورتر به صورت سری یا موازی است.البته این عمل برای اینورتر HF غیرعملی است چرا که سنکرون سازی همزمان فاز و دامنه با دینامیک HF با پیچیدگی صورت می گیرد. اینورتر چندسطحی راه حلی موثر برای افزایش ظرفیت توان بدون شرایط سنکرون سازی است. بدین ترتیب ظرفیت توان بالاتر، راحت تر بوسیله اینورتر چندسطحی با تنش سوئیچ پایین تر بدست می آید.شکل موج سینوسی بدون اختلال با اغتشاش هارمونیک کُل (THD) کمتر ، به صورت بحرانی بدلیل مسیر طولانی توزیع در  HFAC ایجاد می شود. بالاتر بودن تعداد سطوح ولتاژ، به شکل موثر THD خروجی پله ای را کاهش می دهد، در چنین شرایطی طراحی فیلتر به شکل چشمگیری ساده می شود. توزیع توان HF برای مقیاس کوچک و شبکه برقی بسته داخلی در خودروهای برقی (EV) کاربرد دارد. علت این است که شبکه توزیع دارای اندازه متوسط ، و کاهش وزن موثر است. ملاحظه فرکانس کاری به برقراری تعادلی بین اندوکتانس و مقاومت AC می انجامد. بدین ترتیب اینورتر چندسطحی با فرکانس خروجی حدوداً 20 کیلوهرتز ، گزینه آزمایشی مناسبی به عنوان منبع توان در سیستم های فرکانس بالا خودروی برقی است. توپولوژی های سنتی اینورتر چندسطحی شامل انواع دیود کلمپ شده و خازن کلمپ شده هستند. در دیود کلمپ شده از دیود برای ثابت کردن سطح ولتاژ استفاده می شود . در خازن کلمپ شده از خازن های اضافه برای ثابت کردن ولتاژ استفاده می شود. بدین ترتیب تعداد بیشتری از سطوح ولتاژ بدست می آیند. البته در این دو توپولوژی، پیچیدگی در حد خیلی بالایی قرار دارد. نوع دیگری از اینورتر چندسطحی پل H آبشاری است که با اتصال سری پل های H تولید می شود. مدار پایه مشابه مبدل DC-DC پل H کلاسیک است. ساختار آبشاری قابلیت اطمینان سیستم را بیشتر می کند زیرا یک سلول مداری، کنترل ساختار و مدولاسیون را بر عهده دارد. البته عیب ساختار آبشاری به بالاتر بودن تعداد سوئیچ ها و تعداد ورودی ها برمی گردد. به منظور افزایش دو سطح ولتاژ در خروجی پله ای، پُل H بوسیله 4 سوئیچ قدرت ساخته می شود. این سیستم خروجی پله ای به ازای هر تعداد دلخواه از سطوح ولتاژ را بدست می آورد. البته این روش از نظر صرفه جویی هزینه ای و محدودسازی ورودی فاقد کارایی لازم است.

در این پروژه، یک اینورتر چندسطحی آبشاری جدید مبتنی بر SC پیشنهاد شده است. هر دو توپولوژی مداری 9 و 13 سطحی به صورت عمقی بررسی شده اند. در مقایسه با اینورتر آبشاری چندسطحی متداول، اینورتر پیشنهادی منجر به کاهش چشمگیر تعداد دستگاه های سوئیچ زنی می شود. یک مدولاسیون تک حامله به اسم PSM متقارن با فرکانس سوئیچ زنی پایین و پیاده سازی ساده پیشنهاد شده است.نتایج بدست آمده از شبیه سازی و آزمایش، مهر تایید مجددی بر مطلوبیت مدار و روش مدولاسیون پیشنهادی هستند. در مقایسه با پُل H آبشاری سنتی، با استفاده از فرانت اند SC، می توان تعداد سطوح ولتاژ را بیش از پیش افزایش داد. به عنوان مثال، در مدار 9 سطحی، تعداد سطوح ولتاژ در نیم چرخه به دو برابر افزایش می یابد. با افزایش نمایی تعداد سطوح ولتاژ، هارمونیک ها در خروجی پله ای بشدت کاهش می یابند. این مقادیر برای توپولوژی مداری انعطاف پذیر و ساده واقعاً خیره کننده هستند. علاوه بر این، کنترل اندازه با تنظیم پهنای باند سطح ولتاژ صورت می گیرد . بدین ترتیب اینورتر چندسطحی پیشنهادی به عنوان منبع توان HF با اندازه کنترل شده و هارمونیک های کمتر عمل می کند. این پروژه عمدتاً اینورترهای 9 و 13 سطحی را بررسی نموده است. روش تحلیل و طراحی، به سایر اعضای اینورتر پیشنهادی هم اعمال می شود. می توان اینورتر پیشنهادی را به سیستم فتوولتاییک متصل به شبکه و شبکه الکتریکی EV متصل کرد. علت این است که منابع DC متعددی براحتی از پنل های خورشیدی، باتری، ابرخازن ها و پیل های سوختی در دسترس هستند.

این شبیه سازی در محیط نرم افزار متلب (MATLAB) انجام شده و در ادامه نیز تعدادی از تصاویر مربوط به شبیه سازی و خروجی های آن قرار داده شده است: