مبدل‌های اینورتر چندسطحی یکی از فناوری‌های مهم در حوزه الکترونیک قدرت هستند که به دلیل توانایی تولید ولتاژ خروجی با کیفیت بالا، کاهش هارمونیک‌ها و بهبود عملکرد سیستم‌های قدرت، در کاربردهایی مانند درایوهای صنعتی، سیستم‌های انرژی تجدیدپذیر، منابع تغذیه توان بالا و اتصال شبکه‌های قدرت مورد استفاده قرار می‌گیرند. یکی از ساختارهای پرکاربرد در این زمینه، اینورتر سه‌سطحی با کلمپ نقطه خنثی (Neutral Point Clamped Inverter) است.

در این شبیه‌سازی، تأثیر زمان مرده (Dead Time) و همچنین خرابی یکی از نیمه‌هادی‌های قدرت درون یک مبدل PWM سه‌سطحی بررسی می‌شود. هدف اصلی این مدل، مقایسه عملکرد یک مبدل سه‌سطحی آماده در محیط Matlab با یک مبدل ساخته‌شده از اجزای مجزا شامل IGBT و دیود و همچنین تحلیل اثرات غیرایده‌آل بودن کلیدهای قدرت بر کیفیت توان خروجی است.

معرفی ساختار شبیه‌سازی اینورتر سه‌سطحی

مدل ارائه‌شده شامل دو مدار مشابه است که هر دو یک اینورتر سه‌فاز سه‌سطحی با توان نامی 50 کیلووات، ولتاژ 380 ولت و فرکانس 50 هرتز را شبیه‌سازی می‌کنند. منبع تغذیه DC این سیستم از یک منبع دو قطبی با ولتاژهای +200 و -200 ولت تشکیل شده است که انرژی مورد نیاز اینورتر را تأمین می‌کند.

اینورتر با استفاده از روش مدولاسیون پهنای پالس سینوسی (SPWM) انرژی DC را به ولتاژ AC سه‌فاز تبدیل می‌کند. در این روش، یک موج حامل با فرکانس 8 کیلوهرتز با سیگنال مرجع سینوسی مقایسه شده و پالس‌های کنترلی مورد نیاز کلیدهای قدرت تولید می‌شوند. به دلیل ساختار سه‌سطحی، تعداد 12 پالس کنترلی برای راه‌اندازی کلیدهای IGBT مورد نیاز است که این پالس‌ها توسط بلوک PWM Generator تولید می‌شوند.

خروجی اینورتر به یک بار مقاومتی 50 کیلووات از طریق یک ترانسفورماتور 75 کیلوولت‌آمپر با نسبت تبدیل 220 به 380 ولت متصل شده است. برای کاهش هارمونیک‌های ناشی از کلیدزنی، در خروجی مبدل از فیلترهای LC استفاده شده است. این فیلترها وظیفه حذف مؤلفه‌های فرکانس بالا را دارند که عمدتاً در اطراف مضارب فرکانس کلیدزنی ایجاد می‌شوند.

مدل‌سازی دو ساختار متفاوت اینورتر

در مدار اول، اینورتر سه‌سطحی توسط بلوک آماده Three-Level Bridge در محیط Matlab مدل‌سازی شده است. این بلوک یک مدل استاندارد از مبدل‌های چندسطحی ارائه می‌دهد و امکان بررسی سریع عملکرد سیستم را فراهم می‌کند.

در مدار دوم، همان ساختار اینورتر به صورت دستی و با استفاده از کلیدهای IGBT و دیودهای مجزا ساخته شده است. این روش امکان بررسی دقیق‌تر رفتار داخلی مبدل و اعمال خطاهای مختلف در اجزای قدرت را فراهم می‌کند.

یکی از تفاوت‌های اصلی این دو مدار این است که اثر زمان مرده فقط در مدار اول اعمال می‌شود. برای ایجاد زمان مرده از بلوک On/Off Delay استفاده شده است تا فاصله زمانی لازم بین خاموش شدن یک کلید و روشن شدن کلید مکمل آن شبیه‌سازی شود.

بررسی عملکرد اینورتر بدون زمان مرده

در اولین مرحله شبیه‌سازی، اثر زمان مرده غیرفعال شده و عملکرد دو مدل اینورتر با یکدیگر مقایسه می‌شود. برای این منظور، کلید دستی موجود در مدل در وضعیت بالایی قرار داده می‌شود تا تأثیر Dead Time حذف شود.

پس از اجرای شبیه‌سازی، ولتاژهای خروجی اینورتر و ولتاژ اعمال‌شده به بار در هر دو مدار بررسی می‌شوند. نتایج نشان می‌دهد که دو ساختار مختلف عملکرد تقریباً یکسانی دارند و شکل موج‌های تولیدشده روی یکدیگر منطبق هستند.

برای تحلیل دقیق‌تر کیفیت توان، از ابزار FFT موجود در بلوک Powergui استفاده می‌شود. تحلیل فوریه روی آخرین سیکل سیگنال ذخیره‌شده انجام شده و طیف فرکانسی ولتاژ خروجی نمایش داده می‌شود.

در خروجی مستقیم اینورتر، هارمونیک‌هایی در اطراف مضارب فرکانس کلیدزنی 8 کیلوهرتز مشاهده می‌شوند. این هارمونیک‌ها ناشی از عملکرد کلیدهای قدرت و فرآیند PWM هستند. با عبور سیگنال از فیلتر LC، بخش زیادی از این مؤلفه‌های فرکانس بالا حذف شده و کیفیت ولتاژ بار افزایش پیدا می‌کند.

البته فیلتر LC علاوه بر حذف هارمونیک‌ها، باعث ایجاد یک نقطه تشدید نیز می‌شود که موجب ظهور برخی مؤلفه‌های هارمونیکی اضافی در محدوده حدود 4.4 کیلوهرتز می‌شود. مقدار THD در خروجی بار برای هر دو مدار برابر با 1.27 درصد بوده و مقدار مؤلفه اصلی ولتاژ برابر با 380 ولت RMS یا حدود 537.6 ولت پیک است.

تأثیر زمان مرده در اینورتر سه‌سطحی

در یک مبدل ولتاژ منبعی سه‌سطحی ایده‌آل، پالس‌های کنترلی کلیدهای یک بازو می‌توانند کاملاً مکمل یکدیگر باشند. به عنوان مثال، در یک فاز مشخص، روشن بودن یک IGBT باید همزمان با خاموش بودن کلید مقابل آن باشد.

اما در مدارهای واقعی، کلیدهای نیمه‌هادی مانند IGBT دارای زمان خاموش شدن محدود هستند. به دلیل اثر ذخیره بار در ساختار داخلی IGBT، خاموش شدن کامل کلید بلافاصله پس از دریافت فرمان انجام نمی‌شود. اگر کلید مکمل قبل از خاموش شدن کامل کلید قبلی روشن شود، اتصال کوتاه در لینک DC رخ خواهد داد.

برای جلوگیری از این مشکل، یک زمان تأخیر کوچک بین خاموش شدن یک کلید و روشن شدن کلید دیگر ایجاد می‌شود که به آن زمان مرده گفته می‌شود. مقدار این زمان معمولاً چند میکروثانیه است و با توجه به مشخصات کلید قدرت و شرایط کاری انتخاب می‌شود.

در مرحله دوم شبیه‌سازی، زمان مرده فعال شده و نتایج با حالت بدون Dead Time مقایسه می‌شوند. مشاهده می‌شود که وجود زمان مرده باعث کاهش مقدار مؤلفه اصلی ولتاژ خروجی و افزایش میزان اعوجاج هارمونیکی می‌شود.

تحلیل فرکانسی نشان می‌دهد که دامنه هارمونیک‌های اصلی نزدیک به فرکانس کلیدزنی کمی افزایش پیدا می‌کند. به عنوان مثال، دامنه این مؤلفه‌ها از حدود 0.74 درصد به 0.82 درصد افزایش می‌یابد. افزایش THD تنها به دلیل تغییر هارمونیک‌های فرکانس بالا نیست، بلکه ایجاد هارمونیک‌های کم‌فرکانس غیرمشخص، به‌خصوص هارمونیک‌های پنجم و هفتم، نقش مهمی در افزایش اعوجاج دارد.

شبیه‌سازی خرابی دیود در مبدل سه‌سطحی

در بخش دیگری از شبیه‌سازی، عملکرد سیستم در شرایط خرابی یکی از دیودهای کلمپ‌کننده بررسی می‌شود. در این حالت، خرابی دیود D5 که مربوط به مسیر کلمپ نقطه خنثی فاز A است، به صورت مدار باز شبیه‌سازی می‌شود.

برای ایجاد این خطا، یک کلید ایده‌آل با عنوان D5 Open به صورت سری با دیود مورد نظر قرار گرفته است. با تغییر تنظیمات بلوک Stair Generator، فرمان باز شدن این کلید در زمان 0.25 ثانیه صادر شده و خرابی دیود شبیه‌سازی می‌شود.

قبل از وقوع خطا، عملکرد دو اینورتر مشابه بوده و شکل موج‌های خروجی آن‌ها یکسان است. اما پس از قطع شدن دیود D5، عملکرد کلمپ نقطه خنثی از بین می‌رود و ولتاژ نقطه میانی بازوی اینورتر تغییر می‌کند.

در حالت سالم، ولتاژ VaN بین سطوح +200 ولت و صفر تغییر می‌کند، اما پس از خرابی دیود، این ولتاژ بین +200 ولت و -200 ولت نوسان خواهد کرد. این عدم تقارن در عملکرد بازوی فاز A باعث ایجاد هارمونیک‌های زوج و فرد با فرکانس پایین می‌شود.

اهمیت تحلیل خطا در مبدل‌های قدرت

بررسی خطاهای داخلی در مبدل‌های الکترونیک قدرت اهمیت زیادی دارد، زیرا این تجهیزات معمولاً در سیستم‌هایی با توان بالا و شرایط کاری حساس استفاده می‌شوند. خرابی یک دیود یا کلید قدرت می‌تواند باعث کاهش کیفیت توان، افزایش تنش الکتریکی روی سایر قطعات و حتی توقف کامل سیستم شود.

استفاده از Matlab و محیط Simulink امکان بررسی رفتار مبدل‌ها در شرایط مختلف را بدون نیاز به ساخت نمونه آزمایشگاهی فراهم می‌کند. مهندسان می‌توانند قبل از پیاده‌سازی عملی، اثر پارامترهایی مانند زمان مرده، فرکانس کلیدزنی، نوع کنترل PWM و خرابی قطعات را بررسی کرده و طراحی سیستم را بهینه کنند.

جمع‌بندی شبیه‌سازی اینورتر نقطه خنثی کلمپ شده

این شبیه‌سازی نشان می‌دهد که رفتار واقعی مبدل‌های سه‌سطحی به عوامل مختلفی مانند زمان مرده کلیدها و سلامت قطعات نیمه‌هادی وابسته است. اگرچه مدل‌های ایده‌آل می‌توانند عملکرد اولیه سیستم را نشان دهند، اما برای تحلیل دقیق‌تر لازم است اثرات غیرایده‌آل مانند تأخیر کلیدها و خرابی قطعات نیز در نظر گرفته شود.

نتایج به‌دست‌آمده نشان می‌دهد که زمان مرده موجب کاهش مؤلفه اصلی ولتاژ و افزایش THD می‌شود و خرابی دیود کلمپ‌کننده می‌تواند باعث ایجاد عدم تقارن شدید و تولید هارمونیک‌های ناخواسته شود. بنابراین شبیه‌سازی دقیق مبدل‌های چندسطحی در Matlab ابزار ارزشمندی برای طراحی، کنترل و عیب‌یابی سیستم‌های الکترونیک قدرت به شمار می‌رود.