پایان نامه طراحی و شبیه سازی اینورتر سه سطحی

پایان نامه جهت دریافت درجه کارشناسی ارشد "M.Sc"در رشته مهندسی برق قدرت

گرایش فشار قوی

چکیده

اینورترها می توانند از یک ولتاژ dc ثابت یا متغیر،ولتاژهای ac  تکفاز وسه فاز تولید نمایند.روش های گوناگونی برای کنترل ولتاژ خروجی اینورتروجود دارد که در این پایانامه از یک سیستم اینورتر با ورودی پنل خورشیدی معرفی شده است .در این سیستم ابتدا ولتاژ حاصل از پنل خورشیدی توسط یک مبدل بوست،به ولتاژ تنظیم شده تبدیل می گردد.سپس این ولتاژDC با استفاده ازیک اینورتر سه سطحی با کنترل SVM به ولتاژ متناوب تبدیل می شود.استفاده ازاینورتر سه سطحی باعث کاهش فرکانس کلید زنی وکاهش تلفات می شود.برای بررسی صحت عملکرد،سیستم درمحیط simulinkنرم افزار matlabشبیه سازی شده است.

فصل اول: مقدمه

1-1-                   

مبدلهای جریان مستقیم به متناوب با نام اینورتر شناخته می شوند. وظیفه یک اینورتر تبدیل یک ولتاژ ورودی مستقیم به یک جریان ولتاژ خروجی متناوب و متقارن با دامنه و فرکانس مورد نظر است. ولتاژ خروجی می تواند در فرکانس ثابت یا متغییر, مقداری ثابت یا متغییر داشته باشد. ولتاژ خروجی را می توان با تغییر ولتاژ ورودی مستقیم و ثابت نگه داشتن بهره اینورتر به دست آورد. از طرفی , اگر ولتاژ ورودی مستقیم ثابت بوده و قابل کنترل نباشد می توان با تغییر بهره اینورتر , یک ولتاژ متغیر را در خروجی به دست آورد . که این عمل معمولا به وسیله کنترل مدولاسیون پهنای (pwm) در داخل صورت می گیرد.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 ایدهآل باید سینوسی باشد, با این حال در اینورترهای علمی این شکل موجهاغیر 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.]14[

1-1-1-

اینوترها به طور گسترده ای در صنعت به کار می روند(مثل گردانندهای موتورهای ac با دور متغییر , 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).]11[

1-2-

اینوترها را می توان به دو دسته کلی تقسم کرد: 1) اینورتر های تکفاز و 2) اینورترهای سه قاز

هر دسته, می توان بسته به نوع کاربرد بسته به نوع کاربرد از عناصر روشن کننده و خاموش کننده کنترل شده (مثل BJT  ها , MOSFET ها , IGBT ها , MCT ها , SIT ها وGTOها )ویا تریستورهای با کموتاسیون اجباری استفاده کند.این اینوترها معمولا از سیگنالهای کنترلPWM برای تولید ولتاژخروجی متناوب استفاده می کنند.اگر ولتاژ ورودی اینورتر ثابت باشد, اینورتر به نام اینورتر تغدیه شونده با ولتاژ و در صورتیکه جریان ورودی ثابت نگه داشته شود به نام اینورتر تغذیه شونده با ولتاژ و در صورتی که جریان ورودی ثابت نگه داشته شود به نام اینورتر تغذیه شونده با جریان خوانده می شود واگر ورودی قابل کنترل باشد, اینورتر با اتصال dc متغییر نامیده می شود.  ]11[

1-2-1-

شمای کلی و ساده یک اینورتر تکفاز تمام پل را در شکل زیر مشاهده می کنید

جدول 1-1: جدول کلید زنی در اینورتر تکفاز تمام پل

شکل1-1: شمای کلی و ساده یک اینورتر تکفاز تمام پل

همان طور که در جدول بالا مشاهده می کنید هرگاه کلید های  و  روشن شوند سیگنال خروجی ولتاژ به صورت +  و هر گاه کلیدهای  و   روشن شوند سیگنال خروجی ولتاژ به صورت  – خواهد بود و هرگاه کلیدهای  و   ویا کلیدهای   و  با هم روشن شوند ولتاژ خروجی صفر می باشد.

شکل1-2: شکل موج خروجی ولتاژ و جریان اینورتر تکفاز تمام پل

شکل زیر اینورتر تکفاز تمام پل با IGBT و شکل موجهای ولتاژ و جریان خروجی را نمایش می دهد.

شکل1-3: شمای کلی یک اینورتر تکفاز تمام پل و شکل موج ولتاژ و جریان خروجی

شکل موج اینورتر ها در حالت معمول به شکل موج مربعی نزدیک است برای اینکه این شکل موج را به حالت سیسنوسی نزدیک کنیم می توانیم چندین اینورتر را به هم متصل کرد ویک اینورتر چند سطحی بسازیم. شکل 1-4نمایش ساده ای از اینورتر چند سطحی می باشد

.
شکل 1-4:نمایش ساده ای از اینورتر چند سطحی

اینورترها قطعات متحرک ندارند و در طیف گسترده ای از ابزارهای کاربردی استفاده می شوند، از منبع تغذیه کامپیوتر گرفته تا ابزار بزرگ حمل و نقل فله. اینورترها معمولا برای تامین جریان AC از منابع DC  مانند پنل های خورشیدی یا باتری مورد استفاده قرار می گیرند.

اینورتر نوسان ساز الکترونیکی قدرت بالا است. دلیل این نام گذاری آن است که این دستگاه عمل عکس مبدل برق AC به DC متداول را انجام می دهد. درواقع اینورتر یا درایو AC به دستگاهی گفته می شود که به کمک آن می توان سرعت یک موتور AC سه فاز را کنترل کرد بدون آنکه قدرت و گشتاور موتور کاهش یابد. اینورترها در ظرفیتهای مختلف ساخته می شوند مثلاً برای یک موتور با توان 20 اسب بخار باید از اینورتر 20 HP استفاده کرد.

0از نظر ورودی اینورترها به دو دسته تک فاز و سه فاز تقسیم می گردند. البته خروجی همه آنها سه فاز است. برای اینورترهای با توان بالای 3  اسب فقط از ورودی سه فاز استفاده می گردد.

برخی از اینورتر های با توان پایین دارای هشداری مبنی بر عدم استفاده از آنها برای روشن کردن لامپهای فلورسنت معمولی هستند. دلیل این هشدار این است که خازن تصحیح توان به صورت موازی با لامپ وصل شده است. با برداشتن خازن مشکل رفع خواهد شد.]13[

1-3-

کاهش انرژی مصرفی و لذا کاهش هزینه برق، کاهش جریان راه اندازی و در نتیجه طولانی شدن عمر موتور ، امکان تغییر سرعت موتور، امکان تغییر جهت حرکت موتور، داشتن حفاظت در برابر اضافه بار، امکان کار موتور در شرایطی که ولتاژ ورودی متغیر است، امکان کنترل از راه دور، ایجاد سرعت بیشتر از سرعت نامی موتور، برنامه ریزی کردن حرکت.

اینورتر به صورت هوشمند میزان بار وارده به موتور را تشخیص داده و متناسب با همان بار، به موتور جریان می دهد و این جریان در بسیاری از مواقع از جریان نامی موتور کمتر است. دستگاهی الکترونیکی است که بوسیله آن می توان سرعت موتورهای سه فاز را تغییر داد.]15[

دیگر کاربردها ی آن می توان به موارد زیر اشاره کرد :

**تنظیم کننده سرعت موتور (کنترل دور)

**تغیر دهنده جهت دور به راحتی و بدون نیاز به کنتاکتور

**روشن و خاموش نمودن موتور بدون نیاز به قطع و وصل برق اصلی

**کاهش ضربه های مکانیکی و در نتیجه افزایش طول عمر مفید قسمت مکانیکی

**حفاظت موتور در مقابل افزایش ولتاژ و جلوگیری از آسیب دیدن موتور

راه اندازی نرم موتور بدون هیچگونه ضربه به قسمتهای مکانیکی مثل کوپلینگها ، گیر بکسها ، تسمه ها ، زنجیرها و ... و در نتیجه افزایش طول عمر مفید موتور و سایر قسمتهای مکانیکی را به دنبال خواهد داشت

حفاظت موتور در برابر اضافه بار؛ در این حالت چنانچه بار موتور از مقدار معمول مجاز بیشتر شود ، اینورتر موتور را خاموش می نماید و به کاربر پیام اضافه بار نشان می دهد .

جلوگیری از گرم کردن و در نهایت سوختن موتور در کابرد هایی که موتور به طور مداوم چپگرد و راستگرد و یا خاموش می شود

چنانچه از اینورتر استفاده شود این اضافه جریان بسیار اندک خواهد شد )حداکثر 2/0 برابر (به عنوان مثال اگر یک موتور با جریان نامی 10 کار کند در هنگام راه اندازی این جریان به  60آمپر می رسد و در صورت استفاده از اینورتر این جریان حداکثر به  12 می رسد .

کاهش جریان موتور به صورت اتوماتیک در هنگامی که بار موتور کم می شود . این قابلیت به غیر از کاهش هزینه برق مصرفی موجب افزایش طول عمر مفید موتور خواهد شد .

امکان استفاده از برق تکفاز 220 ولت به جای سه فاز 380  ولت برای راه اندازی موتور سه فاز حداکثر با توان  3HP ( 2.2kw ). به این معنا که می توان با برق خانگی یک موتور سه فاز را کاملا به صورت عادی راه اندازی نمود .

قابلیت داشتن دورهای مختلف به صورت حافظه ای .تبدیل یک موتور یک دور به یک موتور چند دور با سرعتهای دلخواه ،امکان ایجاد فشار ثابت در کاربرد پمپها به این ترتیب است که با تغییر دور موتور فشار مورد نظر را ثابت نگه میدارد . به عنوان مثال فشار آب یک مخزن را ثابت نگه می دارد بنابراین در هنگام مصرف آب دور موتور به صورت خودکار زیاد می شود و در هنگامی که آب مصرف نمی گردد دور موتور به صورت خودکار کاهش می یابد . بنابراین دور موتور با مقدار مصرف تغییر می نماید بنابراین آب با فشار ثابت به تمام نقاط می رسد .

مکان اتصال اینکدر به اینورتر که باعث می شود دور یک موتور با موتور دیگر یکسان شود .کنترل دور به صورت خودکار در مواردی که لازم است دور موتور بسته به میزان محصول تولید شده تغییر کند . استفاده از اینورترها بر روی پمپ و فن و کمپرسورها در طی سال های اخیر بسیار گسترش یافته است .استفاده از آنها برای کنترل دور موتورها مزایای زیادی دارد که مهمترین آنها عبارتند از :

1- عدم نیاز به دستگاههای کنترل دبی مکانیکی.

2- ذخیره انرژی تا 50%

3- نبودن شوک راه اندازی.

4-  افزایش عمر مفید قطعات مکانیکی.

از اینورترها در سه ناحیه استفاده می گردد :

1- فعالیتهای گشتاور ثابت مثل میکسرها , اکسترودرها , نوارهای نقاله و . . .

2- فعالیتهای توان ثابت مثل کشش و دستگاههای ماشینی.

3- فعالیتهای گشتاور متغیر مثل فن و پمپ.

در پمپها و فنها میزان دبی با سرعت موتور متناسب است. اما توان مصرفی با مکعب سرعت تناسب دارد. مثلاً اگر دور موتور به میزان 50% کاهش یابد آنگاه توان مصرفی لازم 12.5% خواهد بود و این به مفهوم 87.5% صرفه جویی در انرژی است.]14[

فصل دوم: مروری بر گذشته

2-1-  اینورترها

بسته به نوع کاربرد ، نوع کلید ، نوع شبکه که اینورتر به آن وصل می شود و... اینورترهای مختلفی مورد استفاده قرار می گیرند. در این قسمت به بررسی کوتاهی راجع به این انواع میپردازیم.

در حالت کلی از لحاظ نوع تغذیه اینورتر و باری که اینورتر انرا تغذیه می کند ، می توان اینورترها را به دو گروه زیر تفسیم کرد :

1:اینورترهای منبع ولتاژ VSI .

2- اینورترهای منبع جریان CSI.

اینورترهای منبع جریان بیشتر در کاربردهای درایوهای ماشینهای بزرگ صنعتی کاربرد دارند یا در جاهائی که بحث توان بالا وجود دارد در این اینورترها ورودی DC اینورتر جریان می باشد و خروجی AC سینوسی آن ولتاژ . اما اینورترهای منبع ولتاژی برعکس می باشد یعنی ورودی DC ولتاژ و خروجی AC سینوسی جریان می باشد . در هر دو این اینورترها توان قابلیت انتقال در هر دو سمت را دارا می باشد یعنی در صورتی که ولتاژ و جریان هم علامت باشند سیستم بصورت اینورتر و در صورتی که مختلف العلامت باشند سیستم بصورت رکتیفایر عمل می کند.

2-1-1-

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 2-1 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. ]16[

شکل2-1: 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.

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]16[

Abstract

Inverters can be a constant or variable dc voltage, single phase and three-phase ac voltage to control the output voltage of the various Nmaynd.rvsh Aynvrtrvjvd that the Payanamh of a solar panel inverter input voltage is introduced. These first results Solar panel by a boost converter, the voltage is set using an inverter converts the DC voltage Grdd.sps this three level by controlling the voltage conversion Shvd.astfadh Azaynvrtr three-level SVM reduces switching frequency to reduce losses. For verify performance, system software matlab simulink environment is simulated.