اینورترهای PWM تک‌فاز یکی از مهم‌ترین ساختارهای مبدل‌های الکترونیک قدرت هستند که برای تبدیل توان DC به توان AC با قابلیت کنترل دامنه و فرکانس خروجی مورد استفاده قرار می‌گیرند. این مبدل‌ها در بسیاری از کاربردهای صنعتی مانند منابع تغذیه بدون وقفه (UPS)، سیستم‌های فتوولتائیک، درایوهای موتور، تجهیزات ذخیره‌سازی انرژی و سیستم‌های اتصال به شبکه کاربرد گسترده‌ای دارند. در این شبیه‌سازی، عملکرد دو ساختار متداول اینورتر PWM تک‌فاز شامل اینورتر نیم‌پل (Half-Bridge) و اینورتر تمام‌پل (Full-Bridge) بررسی شده و رفتار ولتاژ خروجی، جریان بار و مؤلفه‌های هارمونیکی آن‌ها در محیط Matlab تحلیل می‌شود.

هدف اصلی این شبیه‌سازی، مقایسه عملکرد دو توپولوژی مختلف اینورتر PWM از نظر شکل موج ولتاژ خروجی، مقدار مؤلفه اصلی فرکانس، میزان هارمونیک‌ها و کیفیت جریان بار است. هر دو مدار با شرایط یکسان شامل ولتاژ DC ورودی 400 ولت، فرکانس حامل PWM برابر با 1620 هرتز و ضریب مدولاسیون 0.8 مورد بررسی قرار می‌گیرند تا بتوان تفاوت عملکرد آن‌ها را به صورت دقیق مشاهده کرد.

معرفی ساختار سیستم اینورتر PWM تک‌فاز

سیستم مورد بررسی شامل دو مدار مستقل است که هر کدام یک مدل از اینورترهای منبع ولتاژ تک‌فاز (Voltage Source Inverter) را نمایش می‌دهند. مدار اول بر اساس ساختار نیم‌پل و مدار دوم بر اساس ساختار تمام‌پل طراحی شده است. هر دو ساختار از کلیدهای قدرت IGBT همراه با دیود موازی تشکیل شده‌اند که در کاربردهای واقعی وظیفه کلیدزنی سریع و انتقال انرژی بین منبع DC و بار AC را بر عهده دارند.

در مدل شبیه‌سازی شده، از بلوک‌های Half-Bridge Converter و Full-Bridge Converter در محیط Matlab استفاده شده است. این بلوک‌ها یک مدل ساده‌شده از زوج IGBT/Diode را ارائه می‌دهند. در این مدل، افت ولتاژ مستقیم کلیدهای قدرت و دیودها در نظر گرفته نشده است تا تمرکز اصلی بر روی عملکرد PWM و رفتار هارمونیکی اینورتر باشد.

کنترل PWM در اینورترهای تک‌فاز

کنترل کلیدهای قدرت در هر دو مدار به صورت حلقه باز (Open Loop) انجام می‌شود. برای تولید سیگنال‌های کلیدزنی از بلوک PWM Generator استفاده شده است. در روش مدولاسیون پهنای پالس، یک موج سینوسی مرجع با یک موج حامل مثلثی با فرکانس بالا مقایسه می‌شود. زمان‌هایی که موج مرجع از موج حامل بزرگ‌تر باشد، کلید روشن شده و در غیر این صورت خاموش می‌شود.

در این شبیه‌سازی، هر دو اینورتر از پارامترهای کنترلی یکسانی استفاده می‌کنند. ولتاژ لینک DC برابر 400 ولت، فرکانس حامل PWM برابر 1620 هرتز و ضریب مدولاسیون برابر 0.8 انتخاب شده است. استفاده از شرایط یکسان باعث می‌شود مقایسه بین عملکرد اینورتر نیم‌پل و تمام‌پل دقیق‌تر انجام شود.

شبیه‌سازی اینورتر نیم‌پل PWM

در ساختار نیم‌پل، دو کلید قدرت به صورت سری در دو طرف منبع DC قرار گرفته‌اند و نقطه میانی آن‌ها به بار متصل می‌شود. خروجی اینورتر نیم‌پل یک ولتاژ دو سطحی ایجاد می‌کند که بین مقادیر مثبت و منفی نصف ولتاژ DC تغییر می‌کند.

با توجه به ولتاژ ورودی 400 ولت، اینورتر نیم‌پل قادر است ولتاژ خروجی برابر با +200 ولت یا -200 ولت تولید کند. شکل موج خروجی اینورتر به دلیل عملکرد PWM دارای مولفه‌های هارمونیکی مختلفی است که در اطراف فرکانس حامل و مضارب آن ظاهر می‌شوند.

هارمونیک‌های اصلی ایجاد شده در این ساختار در اطراف فرکانس 1620 هرتز قرار دارند. این هارمونیک‌ها به صورت رابطه‌ای در محدوده فرکانس حامل به همراه مضارب فرکانس اصلی شبکه ظاهر می‌شوند. بیشترین مقدار هارمونیکی مشاهده شده در این شبیه‌سازی حدود 103 درصد در فرکانس 1620 هرتز است.

شبیه‌سازی اینورتر تمام‌پل PWM

اینورتر تمام‌پل یا H-Bridge یکی از پرکاربردترین ساختارهای تولید ولتاژ AC از منبع DC است. این ساختار از چهار کلید قدرت تشکیل شده و امکان استفاده کامل از ولتاژ منبع DC را فراهم می‌کند. در مقایسه با ساختار نیم‌پل، اینورتر تمام‌پل توانایی تولید ولتاژ خروجی بزرگ‌تر و کیفیت موج بهتر را دارد.

در این شبیه‌سازی، اینورتر تمام‌پل با همان ولتاژ DC برابر 400 ولت و همان ضریب مدولاسیون 0.8 کار می‌کند. خروجی اینورتر در یک نیم سیکل بین صفر و +400 ولت و در نیم سیکل بعدی بین صفر و -400 ولت تغییر می‌کند. بنابراین مقدار مؤلفه اصلی ولتاژ خروجی نسبت به اینورتر نیم‌پل تقریباً دو برابر خواهد بود.

یکی از مزایای مهم اینورتر تمام‌پل کاهش میزان هارمونیک‌های خروجی است. در این ساختار، هارمونیک‌های PWM در اطراف دو برابر فرکانس حامل یعنی حدود 3240 هرتز ظاهر می‌شوند. بیشترین مقدار هارمونیکی مشاهده شده در این حالت حدود 40 درصد در فرکانس‌های نزدیک به 2×1620±60 هرتز است.

تحلیل فرکانسی خروجی با استفاده از FFT

برای بررسی دقیق کیفیت توان خروجی، سیگنال‌های اندازه‌گیری شده در بلوک Scope در یک متغیر با نام ScopeDataForFFT ذخیره می‌شوند. این داده‌ها با ساختار زمانی ذخیره شده و امکان انجام پردازش‌های بعدی مانند تحلیل فوریه را فراهم می‌کنند.

پس از پایان اجرای شبیه‌سازی، با استفاده از ابزار Powergui و انتخاب گزینه FFT Analysis می‌توان طیف فرکانسی سیگنال‌های ذخیره شده را مشاهده کرد. تحلیل FFT در محدوده صفر تا 5000 هرتز انجام می‌شود و پنجره تحلیل شامل دو سیکل آخر ثبت شده از سیگنال است. این بازه زمانی از t=0.07-2/60 انتخاب می‌شود تا رفتار پایدار سیستم بررسی شود.

در نمودار FFT، مقدار مؤلفه اصلی ولتاژ اینورتر نمایش داده می‌شود. این مقدار می‌تواند با مقدار تئوری محاسبه شده از روابط مدولاسیون PWM مقایسه شود. همچنین با بررسی طیف هارمونیکی می‌توان تفاوت کیفیت خروجی اینورتر نیم‌پل و تمام‌پل را مشاهده کرد.

مقایسه عملکرد اینورتر نیم‌پل و تمام‌پل

نتایج شبیه‌سازی نشان می‌دهد که هر دو ساختار قادر به تولید ولتاژ AC با استفاده از روش PWM هستند، اما تفاوت‌های مهمی در عملکرد آن‌ها وجود دارد. در اینورتر نیم‌پل، دامنه ولتاژ خروجی محدود به نصف ولتاژ DC است و مقدار هارمونیک‌های اطراف فرکانس حامل بیشتر است.

در مقابل، اینورتر تمام‌پل می‌تواند از کل ولتاژ DC استفاده کند و مقدار مؤلفه اصلی ولتاژ خروجی آن تقریباً دو برابر اینورتر نیم‌پل است. همچنین به دلیل انتقال هارمونیک‌ها به فرکانس‌های بالاتر، جریان عبوری از بار نرم‌تر و دارای اعوجاج کمتر خواهد بود.

این ویژگی باعث می‌شود اینورترهای تمام‌پل در کاربردهایی که کیفیت توان خروجی اهمیت زیادی دارد، مانند سیستم‌های انرژی تجدیدپذیر و درایوهای دقیق، گزینه مناسب‌تری باشند. کاهش هارمونیک‌ها باعث کاهش تلفات، کاهش نویز الکترومغناطیسی و افزایش طول عمر تجهیزات متصل به خروجی اینورتر می‌شود.

نتیجه‌گیری شبیه‌سازی

در این شبیه‌سازی، عملکرد دو نوع اینورتر PWM تک‌فاز شامل نیم‌پل و تمام‌پل در محیط Matlab بررسی شد. نتایج نشان داد که ساختار تمام‌پل با وجود پیچیدگی بیشتر، دارای مزایای قابل توجهی مانند افزایش دامنه ولتاژ خروجی، کاهش هارمونیک‌ها و بهبود کیفیت جریان بار است.

استفاده از ابزارهای Matlab و Simulink امکان بررسی دقیق رفتار مبدل‌های الکترونیک قدرت را قبل از پیاده‌سازی عملی فراهم می‌کند. تحلیل PWM، مشاهده شکل موج‌ها و انجام FFT از جمله روش‌های مهم برای طراحی و ارزیابی اینورترهای قدرت هستند. این شبیه‌سازی می‌تواند به عنوان یک نمونه آموزشی مناسب برای درک اصول عملکرد اینورترهای تک‌فاز PWM و تحلیل کیفیت توان خروجی آن‌ها مورد استفاده قرار گیرد.