بهبود ساختار اینورترهای چند سطحی با استفاده از اتصال سری و موازی منابع ولتاژ dc
/سعید شیرمحمدزادهگاوگانی
: دانشکده مهندسی برق و کامپیوتر
، فرخی
۹۴ص.
چاپی
کارشناسی ارشد
رشتهی مهندسی برق قدرت
۱۳۹۱/۱۱/۲۵
تبریز
در این مطالعه، هفت ساختار جدید بر پایه ترکیب اینورترهای چند سطحی سری و اینورترهای چند سطحی با کلیدزنی سری-موازی منابع ولتاژ dc ارائه شده است .در چهار ساختار پیشنهادی فقط از منابع ولتاژ dc مستقل و در سه ساختار پیشنهادی از ترکیب منابع ولتاژ dc مستقل و خازنها استفاده شده است .اال موازی امکان استفاده از خازن به جای منابع ولتاژ dc مستقل را بدون نیاز به روشهای پیچیده کنترل ولتاژ خازنها فراهم میکند .هم چنین استفاده از خازن به جای منبع ولتاژ dc قابلیت افزایش ولتاژ را در اینورتر چند سطحی بدون استفاده از ترانسفورمرهای بزرگ فراهم میکند .ساختارهای پیشنهادی از نظر تعداد کلیدها، تعدادIGBT ، تعداد مدارهای راهانداز، تعداد منابع ولتاژdc ، تنوع اندازه منابع ولتاژ dc و مجموع ولتاژ بلوکه شده توسط کلیدها بررسی شده و روابط حاکم بر این ساختارها استخراج شده است .هم چنین الگوریتمهای جدیدی برای تعیین اندازه منابع ولتاژ dc برای تولید تمامی سطوح ولتاژ) زوج و فرد (در خروجی اینورترهای چند سطحی پیشنهادی ارائه شدهاند .در این مطالعه تلاش شده است با استخراج روابط حاکم بر اینورترهای چند سطحی پیشنهادی، تعداد بهینه کلیدها و منابع ولتاژ dc برای تولید حداکثر تعداد سطوح ولتاژ خروجی محاسبه شوند .از ویژگیهای ساختارهای پیشنهادی بر آوردهسازی تمام اهداف بهینه سازی فقط با یک آرایش معین از کلیدها و منابع ولتاژ dc میباشد .ساختارهای پیشنهادی برای اینورترهای چند سطحی از نظر تعداد کلیدها، تعدادIGBT ، تعداد مدارهای راهانداز، تعداد منابع ولتاژdc ، تنوع اندازه منابع ولتاژdc ، مجموع ولتاژ بلوکه شده توسط کلیدها، اندازه و قیمت سیستم با برخی از ساختارهای مرسوم اینورترهای چند سطحی مقایسه شدهاند .هم چنین تلفات دو نمونه از ساختارهای پیشنهادی با کلیدزنی خازنی بر حسب تابعی از تعداد سطوح ولتاژ خروجی محاسبه شده است .زمان هدایت و زمان روشن و خاموش شدن همه کلیدها بر حسب تابعی از تعداد سطوح ولتاژ خروجی به دست آمده است .محاسبات تلفات شامل تلفات کلیدزنی، تلفات ناشی از ریپل ولتاژ خازنها، تلفات هدایتی خازنها و تلفات هدایتی کلیدها میباشد .محاسبات مذکور برای روش کلیدزنی فرکانس پایه انجام گرفته است .تعاریف مربوط به تلفات کلیدزنی، تلفات ناشی از ریپل ولتاژ خازنها، تلفات هدایتی خازنها و تلفات هدایتی کلیدها نیز بیان شدهاند .به منظور بررسی عملکرد ساختارهای پیشنهادی، اینورترهای چند سطحی برای تولید سطح ولتاژ و فرکانس معین در خروجی شبیهسازی شدهاند .نتایج شبیهسازی شامل شکلموجهای ولتاژ و جریان خروجی برای بارهای مختلف، THD ولتاژ و جریان، شکل موج ولتاژ قسمتهای مختلف مدار و ولتاژ بلوکه شده توسط کلیدها میباشد .همچنین نمونههای آزمایشگاهی از اینورترهای چند سطحی پیشنهادی طراحی و ساخته شدهاند .نتایج آزمایشگاهی شامل شکل موجهای ولتاژ خروجی، جریان خروجی و ولتاژ قسمتهای مختلف مدار میباشد .
In this investigation, seven new topologies based on series and series-parallel switched dc voltage sources multilevel inverters have been proposed. Three of the proposed topologies use dc voltage sources with capacitors and the others only use isolated dc voltage sources. The Parallel connection provides the possibility of using a capacitor instead of a dc voltage source without any complicated control schemes for capacitor voltage balancing. The switched capacitor multilevel inverter can operate as a boost converter without any bulky transformer. The proposed topologies have been verified from view point of the number of switches, IGBTs, gate driving circuits, isolated dc voltage sources, variety of the dc voltage sources values and maximum blocked voltage by switches. In addition, to producing all voltage levels (even and odd) at the output new algorithms have been proposed for determination of the dc voltage sources values. The optimum number of switches and dc voltage sources has been obtained to produce maximum number of voltage levels at the output. One of the advantages of the proposed topologies is the satisfaction of all optimization conditions with a specified number of switches and dc voltage sources in each unit.The proposed topologies have been compared with other conventional multilevel topologies from different aspects such as the number of switches, the number of IGBTs, the number of dc voltage sources, variety of the dc voltage sources values, maximum blocked voltage by switches, size and cost of the system. In addition, the losses calculation has been done for two types of the switched capacitor proposed topologies. The losses calculation includes switching losses, capacitor voltage ripple losses, capacitors conduction losses and switches conduction losses. The losses calculation has been done for fundamental switching scheme.In order to verify the performance of the proposed topologies the multilevel inverters based on the proposed topologies have been simulated for producing a specified voltage level and frequency. The simulation results contain load voltage and current waveforms, voltage and current THD, voltage waveforms of different parts of the circuit and blocked voltage by switches. In addition, the experimental prototypes of the proposed topologies have been designed and implemented to reconfirm the theoretical and simulation results. The experimental results include load voltage and current waveforms, voltage waveforms of different parts of the circuit.