عنوان

ارائه ساختارهای جدید برای مبدل‌های ماتریسی چندسلولی خازن شناور

پ۲۵۰۰۱

per

ارائه ساختارهای جدید برای مبدل‌های ماتریسی چندسلولی خازن شناور

سارا حضرتی

مهندسی برق و کامپیوتر

۱۴۰۰

۲۰۰ص.

سی دی

دکتری

برق قدرت گرایش ماشین‌های الکتریکی و درایو

۱۴۰۰/۰۴/۲۹

تقاضای صنعت به مبدل‌های الکترونیک قدرت توان بالا به دو طریق توسط محققان پاسخ داده شده است: ارتقاء توان کلیدهای نیمه هادی قدرت به مقادیر بزرگ‌تر و پیشنهاد ساختارهایی برای مبدل‌ها با استفاده از تکنولوژی بالغ شده ادوات نیمه هادی ولتاژ-متوسط. طریق دوم به طور عمده توسط توسعه ساختار مبدل‌هایی که چندسطحی نامیده می‌شوند انجام شده است. مبدل‌های چندسطحی سیستم‌های تبدیل توانی هستند که توسط یک آرایه از نیمه هادی‌های قدرت و منابع ولتاژ خازنی تشکیل شده‌اند.امروزه مبدل‌های منبع ولتاژ از مهم‌ترین ادوات الکترونیک قدرت محسوب شده و در بسیاری از بخش‌های مختلف صنعت کاربرد دارند. در سال‌هاي اخير کاربردهاي صنعتي فراواني به ادوات قدرت با توان بالاتر نياز پيدا کرده‌اند. کاربردهايي نظير محرکه‌هاي موتور و يا شبکه‌هاي توزيع، به مبدل‌هايي با ولتاژ متوسط و سطوح توان در حد مگاوات نياز دارند. براي يک شبکه ولتاژ متوسط، اتصال تنها يک کليد نيمه هادي توان بالا براي هر فاز مشکل ساز خواهد بود. بنابراین مبدل‌های چندسطحی به عنوان جایگزینی در کاربردهای ولتاژ متوسط و توان بالا معرفی شده‌اند. مبدل‌های دوسطحی علی رغم ساختار ساده، به دلیل این‌که کل توان توسط شش کلید تامین می‌گردد، دارای هزینه بالایی می‌باشند و تهیه کلیدها در این رنج توان دشوار است. در مقابل مبدل‌های چندسطحی دارای ویژگی‌هایی هم‌چون محتوای هارمونیکی بهتر، قابلیت اطمینان بالاتر، نویز الکترومغناطیسی پایین‌تر، تلفات کمتر، بازده بالاتر و فیلتر خروجی کوچک‌تر می‌باشند.در این پایان نامه ابتدا ساختارهای مختلف مبدل‌های چندسطحی مورد بررسی قرار گرفته و ویژگی‌های آن‌ها بیان شده است. در بین ساختارهای متداول مبدل‌های چندسطحی، مبدل‌های چندسلولی مبتنی بر خازن‌های شناور با توجه به ویژگی‌های منحصر به فرد از جمله عدم نیاز به ترانسفورماتورهای ایزوله متعدد، توزیع بهتر استرس ولتاژ روی کلیدهای نیمه‌هادی قدرت و قابلیت خودتنظیمی ولتاژ خازن‌های شناور مورد توجه ویژه می‌باشند. لذا در این پایان نامه دو مبدل چندسلولی مبتنی بر مبدل چندسلولی پشته معرفی می‌گردند که مبدل‌های چندسلولی خازن شناور ماتریسی نامیده می‌شوند. هم‌چنین با استفاده از اصل استقرای ریاضی به بحث و بررسی در مورد ساختار کل ماتریسی این مبدل‌ها پرداخته می‌شود.مهم‌ترین مساله در مورد معرفی ساختارهای جدید در مبدل‌های مبتنی بر خازن‌های شناور یافتن روش کنترلی مناسب برای مبدل‌های پیشنهادی می‌باشد به نحوی که خاصیت خودتنظیمی ولتاژ خازن‌های شناور در مبدل‌های جدید حفظ شود. از این رو برای مبدل‌های پیشنهادی نیز روش‌های کنترلی مناسب بر مبنای مدولاسیون پهنای پالس سینوسی با موج‌های حامل با فاز و سطح جا به جا شده ارائه شده است.هم‌چنین به منظور بررسی نحوه عملکرد ساختارهای جدید پیشنهاد شده، شبیه سازی‌هایی توسط نرم افزار PSCAD/EMTDC صورت گرفته است که صحت ویژگی‌های ذکر شده برای این مبدل‌ها و مناسب بودن روش کنترلی ارائه شده را تایید می‌کند

The industrial demand of high power apparatus has been responded by power electronics research community through two ways: development of power semiconductor switches with higher power rating, and proposing high power converter topologies. The latter is mainly addressed by developing the so-called multilevel converter topologies built using matured medium voltage and current devices.Voltage source converters are one of the key elements in power electronics and have been used significantly in industrial applications. Numerous industrial applications have begun to require higher power apparatus in recent years. Some medium voltage motor drives and utility applications require medium voltage and megawatt power level. For a medium voltage grid, it is troublesome to use conventional two-level converters. As a result, a multilevel power converter structure has been introduced as an alternative in high power and medium voltage situations. Although the first approach inherits the simplicity of power and control circuitry but two level power converters suffer from major disadvantages of augmented price of newer high power semiconductors. Multilevel topologies have merits such as: improved harmonic content of switched output voltage and hence increased power quality, increased reliance on power converter operation owing to possible fault-tolerant feature, lowered electromagnetic interference (EMI) and upgraded electromagnetic compatibility, lowered switching losses, enhanced efficiency and reduced amount of output filter.In this thesis the most common multilevel converter topologies and their characteristics are discussed. The most common topologies are cascaded H-bridges converter with separate dc sources, diode clamped (neutral-clamped), and flying capacitors (capacitor clamped). Among these converters the flying capacitor based multicell converters find increased attention due to its attractive properties including an advantage of transformerless operation, self-balancing property of flying capacitors voltages and equal distribution of voltage stress among semiconductor switches. This proposes two new topologies based on stacked multicell converter which are named matrix multicell flying capacitor converters. These topologies have interesting advantages and can be extended to any number of columns and rows. Output voltage levels analysis number of switches and capacitors and the expanded model of proposed converters have been discussed by using the mathematical induction principle.The main point about the flying capacitor based converters is the natural self-balancing property of flying capacitors which guaranties the suitable operation of these converters. Moreover a modulation method based on modified disposition band carriers-phase shifted carriers-SPWM is proposed to control the new converters.The proposed converters are simulated sing PSCAD/EMTDC software and simulation results are presented to validate the effectiveness and advantages of the proposed configurations

New Structures for Multi-Cell Flying Capacitor Matrix Converters

‏حضرتی،

‏‏ سارا

تهيه کننده

باقر بناء شریفیان،

‏ فیضی ،

‏بابائی،

‏ محمد

‏ محمدرضا

‏ ابراهیم

استاد راهنما

استاد مشاور

استاد مشاور

‏ تبریز