مقدمه اي بر اينتورترها و كاربردهاي آنها: بحثي كه هميشه در الكترونيك صنعتي مطرح بوده و هست تبديل يك ولتاژ dc به يك ولتاژ ac است. به سيستمي كه اين تبديل را براي ما انجام مي دهد اينورتر گفته مي‌شود. اينورترها داراي رنج وسيعي از كاربردهاي مختلف هستند كه تعدادي از انها را ذكر مي كنيم:

1- يك خط ولتاژ AC: خيلي از مواقع دسترسي به يك منبع dc مثل باتري وجود دارد. ولي يك خط ولتاژ AC مورد نياز است مثل اتومبيل

2- منابع تغذيه بدون وقفه (UPS): در انواع مختلف UPS ها جهت تبديل توان باتري ها به يك توان AC به اينورترها نياز داريم.

3- كوره هاي القايي:اينورترها جهت تبديل يك توان AC با فركانس پائين به يك توان AC با فركانس بالا مورد استفاده قرار مي گيرند. اين ولتاژ فركانس بالا در كوره هاي القايي مورد استفاده دارد. به اين ترتيب كه ابتدا توان AC را به DC يكسو كرده و سپس توسط اينورتر به توان AC فركانس بالا تبديل مي‌كنند.4- در سيستم انتقال توان HVDC: در اين سيستم انتقال توان الكتريكي ، ابتدا توان AC به DC تبديل مي‌شود. اين توان DC با ولتاژ بسيار بالا به وسيله خطوط انتقال به مقصد مي رسد. در محل گيرنده، اين توان DC دوباره به مقدار AC تبديل مي‌شود.5- درايورهاي فركانس متغير: يك درايو فركانس متغير، سرعت عملكرد يك موتور AC را به كمك كنترل كردن ولتاژو فركانس به صورت همزمان تنظيم مي‌كند.6- استفاده در پنلهاي خورشيدي: پنلهاي خورشيدي داراي خروجي DC هستند كه با استفاده از اينورترها اين توان تبديل به AC مي‌شود.انواع اينورترها از نظر فاز و شكل موج خروجي: اينورترها از نظر فاز تبديل به دو نوع عمده تك فاز و سه فاز تقسيم بندي مي‌شوند همچنين از نظرشكل موج خروجيشان به چهار نوع زير تقسيم مي‌شوند.1- خروجي به شكل موج مربعي 2- خروجي به شكل سينوسي اصلاح شده (معمولي)3- خروجي به شكل سينوسي اصلاح شده (پله اي) 4- خروجي به شکل سينوسي خالص شكلهاي زير دو نوع سينوسي اصلاح شده را نشان مي دهند. 

مقدمه اي بر طراحي اينورترها: در اين قسمت يك سري از مطالب پايه مربوط به طراحي اينورترها را بيان مي كنيم. اگر شكل زير بلوك دياگرام يك اينورتر باشد چنانچه از تلفات اينورتر صرفنظر كنيم وتوان ورودي را با خروجي برابر بگيريم رابطه زير را خواهيم داشت.

 

 

پس اگر يك ولتاژ خروجي  220 ولت با توان 400 وات نياز داشته باشيم بايد بدانيم كه در ورودي يك ولتاژ مثلاً 12 ولت با جريان 34 آمپر نياز داريم. بايد توجه داشت كه اگر ولتاژ ورودي dc با باتري تامين مي‌شود باتري تا چه مدت كارايي خواهد داشت. مورد دوم بازدهي يك اينورتر است كه عبارت است از نسبت توان خروجي به توان ورودي بر حسب درصد كه در اينورترهاي با طراحي خوب نزديك 90% است. بازده بيشتر به مواردي چون تعداد المانهاي سوئيچ كننده ، نوع المانهاي سوئيچ كننده، روش سوئيچ كردن (مثلاً pwm يا spwm) مرغوبيت ترانسها و سيم پيچهاي به كار رفتند و نوع فيلترهاي مورد استفاده در اينورتر  بستگي دارد.

مورد ديگر شكل موج خروجي يك اينورتر است. همانطور كه مي دانيم يك شكل موج مربعي پريوديك داراي يك سري هارموني است. مانند شكل زیر هارمونيكهاي فرعي (داراي رتبه) داراي دامنه كمتر و فركانس بيشتري هستند و يكي از هارمونيكها كه به نام اصلي يا پايه خوانده مي‌شود داراي فركانسي برابر فركانس شكل موج مربعي است.

جهت آناليز فوريه اين شكل موج مقداري به نام THD تعريف مي‌شود كه برابر است با:

مسلم است كه هر چه مقدار THD كمتر باشد كيفيت شكل موج خروجي اينورتر بيشتر است. جهت بهبود كيفيت شكل موج خروجي اينورتر مي‌توان از فيلترها استفاده كرد و در واقع هارمونيك اصلي را از ميان ديگر هارمونيكها جدا نمود.

ساده ترين مداري كه مي‌توان براي يك اينورتر فرض كرد شكل زير است. با تغيير وضعيت سوئيچ پالسهایي در اوليه ايجاد مي‌شود كه پس از تقويت در ثانويه ترانس نمايان مي‌شوند. مي‌توان به جاي سوئيچ از دو ترانزيستور يا IGBT استفاده كرد و به وسيله يك مدار پالس دهنده (مثل مدار بي استابل 555) آنها را به ترتيب پالس دهي كرد.

به اين دليل اينكه در اين روش دامنه هارمونيكهاي فرعي نزديك به دامنه هارمونيك اصلي است مقدار THD افزايش يافته و كيفيت شكل موج خروجي كاهش مي يابدm

در این حالت هیچ نیازی به ترانسی برای تطبیق ولتاژ بالا در بار با اینورتر وجود ندارد

به عنوان مثال در اینورترهای چند مرحله نیاز به بالا گرفتن فرکانس تشدید

تا حدی به مشخصه بار بستگی دارد. همانطور که از فرمول آن پیداست

 

برای تبدیل یک چنین سیستمی به حالت multi-inverter کافیست اندوکتانس  

را بصورت مساوی بین اینورترها تقسیم کنیم ولی خازن را متصل به بار نگه داریم (شکل 3)

حال اگر تمام اینورترها همزمان باهم کلیدزنی شوند و نیز با لینک dc یكسانی تغذیه گردند

می­توان آن را معادل با یک سیستم اینورتر بیان کرد.

 

شكل 3:توپولوژی سیستم چند اینورتره موازی به همراه سیستم كنترل توزیع شده

 

شکل 4 مشخصه جریان­ها و ولتاژها را در این حالت نشان می­دهد

 

شكل 4 : مشخصه جریان و ولتاژ برای سیستم با دو اینورتر موازی

 

همانطور که در شکل 3 پیداست سیگنالهای کنترلی و ارتباط آنها نیز کشیده شده است برای این وضعیت 2 سیستم کنترلی نیز پیشنهاد شده و به اولی سیستم کنترل master

و دیگری سیستم کنترل توزیع شده[1] می­باشد.

نکاتی که در مورد اینورترهای چندتائی مهم است عبارتند از

- کاهش دادن تلفات سوئیچ زنی توسط سوئیچینگ نرم

- جریان گردشی بایستی تا حد امکان کمتر باشد.

- عمل جداسازی توان بین اینورترها بایستی توسط مدار رزونانسی مهیا شود.

- هر تعدادی از اینورترها می­توانند موازی باشند لذا خروج یک اینورتر واحد نبایستی بتواند توان خروجی را تغییر دهد.

- ترانسفورمر فرکانس بالا جهت تطبیق بار با امپدانس لزومی ندارد.

در سیستم کنترل توزیع شده هر اینورتر مجهز به واحد کنترل غیر متمرکز می­باشد. و این سیستم با یک اینورتر تشکیل یک واحد مجزا را می­دهند که عمل سنکرون­سازی بین مبدلها را براحتی برقرار می­کند (شکلهای زیر)

 

سیستم کنترل

می­باشد که در آن یک سیستم کنترل مرکزی برای تک تک اینورترها اعمال کنترلی را انجام می­دهد و ما بین اینورترها و سیستم کنترل 2 مسیر همواره وجود دارد (رفت و برگشت سیگنالها)

 

 

 عملكرد فركانس بالای vsi در حد مگاوات مجهز بهETO

 

تكنولوژی تبدیل توان در طی سالیان اخیر پیشرفت بسزایی داشته است كه مبنا و پایه اكثر آنها پیشرفت در علم كلیدهای نیمه هادی می باشد mosfet ,igbt

ها دارای كارایی استاتیكی، دینامیكی و كنترلی بالایی می باشند لیكن در كاربردهای فركانس بالا قدرت عملكرد سیستم شامل آنها در حد پایین و متوسط می باشد.

بالا بردن فركانس سویچینگ در اكثر كاربردهای قدرتی صرفه جوییهایی را از بابت حذف خازنها و سلفهای سیستم به عمل می آورد، درضمن كارایی دینامیكی در اثر بالا رفتن پهنای باند كه خود متناسب با فركانس كلیدزنی است، افزایش می یابد.

GTO در سیتمهای صنعتی در حدود فركانسهای پایین بكار می روند و دینامیك ضعیف كلید محدودیتهای كاربردی را ایجاد می كند كه عبارتند از: سرعت سویچینگ پایین و ایجاد تلفات اسنابری در فركانسهای بالاتر كه خود منجربه مسایل حرارتی می گردد؛ این مشكل را می توان با ETO حل كرد

ETO یك GTO-MOSFET   هیبریدی می باشد كه دارای كارایی سویچینگ بهتری است لذا ماكزیمم فركانس عملكرد آن نسبت به GTO

افزایش می یابد. زمان خاموشی آن معمولا زیر 20میكروثانیه می باشد.و با در نظر گرفتن دوره كار حداكثر برابر با 90% ماكزیمم فركانس سویچینگ بالای 5 كیلو هرتز خواهد شد.

شكل 7 یك اینورتر بر مبنای ETO را نشان می دهد. سیستم در هر فاز شامل دو كلید به همراه دو دیود موازی معكوس مربوطه می باشد. مشخصات سیستم و كلیدها در زیر شكل توضیح داده شده اند

 

شكل 8:  مدار معادل تركیبی ETO شامل ماسفت و IGBT در مسایل طراحی بایستی پارامترهای حرارتی و تلفات مجاز را مشخص كرد، لذا از روی این محدودیتها می توان قیودی را برای جریان در برابر فركانس نه تنها برای ETO  بلكه برای اكثر كلیدها بدست آورد. مثل مشخصه شكل 9 كه دیده می شود با افزایش فركانس سویچینگ میزان موثر جریان خروجی كاهش می یابد. یك چنین مشخصه هایی برای توان خروجی نیز وجود دارد (همین شكل).

 

شكل9: مشخصه جریان- فركانس (سمت راست) و توان – فركانس (سمت چپ) برای كلید ETO . همانطور كه می بینیم با افزایش فركانس میزان قدرت خروجی در دسترس كاهش می یابداز مدار مبتنی بر ETO  كه قبلا بررسی گردید، در یك نمونه صنعتی به عنوان درایو موتورAC با خروجی 25 هرتز استفاده شده است كه شكل موجهای آن در زیر مشخص شده اند