مقدمه

مبدل‌های چندسطحی (Multi-Level Converters یا MLC) یکی از مهم‌ترین دستاوردهای حوزه الکترونیک قدرت در چند دهه اخیر محسوب می‌شوند. این مبدل‌ها به دلیل قابلیت تولید ولتاژهایی با کیفیت بسیار بالا، کاهش اعوجاج هارمونیکی، کاهش تنش ولتاژی روی کلیدهای قدرت و افزایش راندمان سیستم، در بسیاری از کاربردهای صنعتی، شبکه‌های قدرت، منابع انرژی تجدیدپذیر، درایوهای موتورهای الکتریکی و سیستم‌های انتقال توان مورد استفاده قرار می‌گیرند. برخلاف اینورترهای دو سطحی که تنها دو مقدار ولتاژ در خروجی ایجاد می‌کنند، مبدل‌های چندسطحی قادرند چندین سطح ولتاژی تولید کنند که این موضوع باعث نزدیک‌تر شدن شکل موج خروجی به موج سینوسی ایده‌آل می‌شود.

یکی از ساختارهای پیشرفته این خانواده، مبدل چندسطحی پنج سلولی است که از چندین سلول مستقل تشکیل شده و هر سلول سهم مشخصی در تولید ولتاژ خروجی دارد. ساختار ماژولار این مبدل علاوه بر افزایش قابلیت اطمینان، توسعه و نگهداری سیستم را نیز ساده‌تر می‌کند. در این شبیه سازی نحوه عملکرد یک مبدل چندسطحی پنج سلولی که یک بار استاتیکی مقاومتی-سلفی را تغذیه می‌کند مورد بررسی قرار می‌گیرد و اثرات روش مدولاسیون و شیفت فازی اجزای مختلف سیستم تحلیل خواهد شد.

معرفی ساختار مبدل چندسطحی پنج سلولی

در این شبیه سازی از یک مبدل سه‌فاز پنج سلولی استفاده شده است که هر سلول به صورت مستقل شامل یک یکسوکننده دیودی و یک اینورتر تمام پل مبتنی بر کلیدهای IGBT است. این ساختار موجب می‌شود هر سلول ولتاژ مستقلی تولید کرده و در نهایت خروجی سلول‌ها روی یکدیگر انباشته شود تا ولتاژ نهایی با تعداد سطوح بسیار بیشتر ایجاد گردد.

هر سلول از نظر عملکرد مشابه سایر سلول‌ها بوده و همین ویژگی، معماری ماژولار سیستم را شکل می‌دهد. در نتیجه در صورت توسعه سیستم یا افزایش تعداد سلول‌ها، تنها کافی است تعداد ماژول‌های مشابه افزایش یابد بدون آنکه تغییر اساسی در ساختار کلی ایجاد شود.

اجزای اصلی سیستم

مدل ارائه شده از بخش‌های مختلفی تشکیل شده است که هر یک نقش مهمی در عملکرد صحیح مبدل دارند. مهم‌ترین اجزای سیستم عبارت‌اند از:

• منبع تغذیه سه‌فاز ایده‌آل با فرکانس 60 هرتز
• پنج سلول مستقل مبدل
• یکسوکننده‌های دیودی برای هر سلول
• اینورترهای تمام پل مبتنی بر IGBT
• ترانسفورماتورهای زیگزاگ ورودی
• مدولاتور PWM با حامل‌های دارای اختلاف فاز
• بار استاتیکی مقاومتی-القایی
• بلوک Powergui جهت تحلیل سیستم قدرت
• ابزار FFT برای تحلیل هارمونیک‌ها

ساختار هر سلول

هر سلول از یک یکسوکننده دیودی و یک اینورتر H-Bridge تشکیل شده است. یکسوکننده ابتدا ولتاژ متناوب ورودی را به ولتاژ مستقیم تبدیل می‌کند و سپس اینورتر با استفاده از کلیدهای IGBT ولتاژ DC را مجدداً به ولتاژ AC با دامنه و فرکانس دلخواه تبدیل می‌نماید.

کلیدهای IGBT به دلیل سرعت سوئیچینگ بالا، راندمان مناسب و قابلیت تحمل توان زیاد، گزینه‌ای ایده‌آل برای این نوع مبدل‌ها محسوب می‌شوند. کنترل دقیق این کلیدها توسط روش PWM انجام می‌شود تا کیفیت ولتاژ خروجی افزایش یابد.

ترانسفورماتورهای زیگزاگ و نقش آن‌ها

یکی از ویژگی‌های مهم این ساختار استفاده از ترانسفورماتورهای زیگزاگ در ورودی هر سلول است. این ترانسفورماتورها نسبت به یکدیگر دارای اختلاف فاز 15 درجه هستند. هدف اصلی از این اختلاف فاز، کاهش هارمونیک‌های جریان ورودی است.

در سیستم‌های قدرت، وجود هارمونیک‌ها باعث افزایش تلفات، گرم شدن تجهیزات، کاهش راندمان و ایجاد اختلال در عملکرد سایر تجهیزات می‌شود. با انتخاب مناسب زاویه فاز ترانسفورماتورها، بسیاری از هارمونیک‌های مرتبه پایین حذف شده و اولین هارمونیک‌های قابل توجه در حوالی هارمونیک بیست و سوم ظاهر می‌شوند. این ویژگی یکی از مزایای بسیار مهم معماری ارائه شده محسوب می‌شود.

مدولاسیون PWM و اختلاف فاز حامل‌ها

در این شبیه سازی برای کنترل اینورترهای هر سلول از مدولاسیون عرض پالس یا PWM استفاده شده است. نکته مهم آن است که موج حامل هر سلول نسبت به سلول مجاور دارای اختلاف فاز 45 درجه است.

این اختلاف فاز باعث ایجاد پدیده‌ای موسوم به انباشت ولتاژ یا Voltage Stacking می‌شود. در این حالت خروجی سلول‌ها به گونه‌ای روی یکدیگر قرار می‌گیرند که شکل موج خروجی نهایی دارای تعداد سطوح بسیار بیشتری نسبت به خروجی هر سلول منفرد خواهد بود.

افزایش تعداد سطوح ولتاژ موجب کاهش اعوجاج هارمونیکی، کاهش ریپل ولتاژ و نزدیک‌تر شدن شکل موج خروجی به یک موج سینوسی ایده‌آل می‌شود.

مشخصات منبع تغذیه و بار

منبع تغذیه سیستم یک منبع سه‌فاز ایده‌آل با فرکانس 60 هرتز است. خروجی مبدل نیز یک بار استاتیکی مقاومتی-سلفی را با فرکانس 100 هرتز تغذیه می‌کند.

وجود اندوکتانس در بار موجب هموار شدن جریان خروجی شده و شرایط کاری مناسبی را برای تحلیل عملکرد مبدل فراهم می‌کند. چنین باری در بسیاری از کاربردهای صنعتی مشابه بارهای واقعی عمل می‌کند و ارزیابی دقیقی از کیفیت ولتاژ تولیدی ارائه می‌دهد.

فرآیند شبیه سازی

پس از اجرای شبیه سازی در محیط Simulink، ابتدا شکل موج ولتاژ خروجی توسط بلوک Scope مشاهده می‌شود. یکی از اولین موارد قابل مشاهده، تولید سطوح متعدد ولتاژ است که نتیجه عملکرد همزمان پنج سلول مستقل و اختلاف فاز مناسب بین حامل‌های PWM می‌باشد.

در ادامه جریان منبع تغذیه مورد بررسی قرار می‌گیرد. با استفاده از ابزار FFT موجود در بلوک Powergui می‌توان طیف فرکانسی جریان ورودی را استخراج کرد. انتظار می‌رود هارمونیک‌های مرتبه پایین به میزان قابل توجهی حذف شده باشند و اولین هارمونیک‌های مهم از مرتبه بیست و سوم به بعد مشاهده شوند.

این موضوع نشان‌دهنده عملکرد صحیح ترانسفورماتورهای زیگزاگ و معماری انتخاب شده برای مبدل است.

تحلیل هارمونیکی با FFT

یکی از مهم‌ترین بخش‌های این شبیه سازی، تحلیل طیف هارمونیکی جریان ورودی است. ابزار FFT موجود در محیط Powergui امکان بررسی دقیق دامنه تمامی هارمونیک‌ها را فراهم می‌کند.

در صورتی که طراحی سیستم به درستی انجام شده باشد، دامنه هارمونیک‌های مرتبه پایین بسیار ناچیز خواهد بود. این ویژگی باعث کاهش اعوجاج کل هارمونیکی (THD)، کاهش تلفات شبکه، بهبود ضریب توان و افزایش کیفیت توان می‌شود.

تنظیم دامنه و فرکانس ولتاژ خروجی

یکی از مزایای مهم این مدل، امکان تغییر پارامترهای مدولاسیون است. کاربر می‌تواند شکل موج مدولاتور را تغییر داده و دامنه ولتاژ خروجی یا فرکانس آن را تنظیم کند.

تغییر ضریب مدولاسیون موجب افزایش یا کاهش مقدار مؤثر ولتاژ خروجی خواهد شد. همچنین تغییر فرکانس موج مرجع باعث تغییر فرکانس ولتاژ اعمال شده به بار می‌شود. این قابلیت در کاربردهایی مانند درایو موتورهای القایی، موتورهای سنکرون و سیستم‌های کنترل سرعت اهمیت بسیار زیادی دارد.

مزایای مبدل چندسطحی پنج سلولی

• تولید ولتاژ خروجی با کیفیت بسیار بالا
• کاهش چشمگیر اعوجاج هارمونیکی
• کاهش نیاز به فیلترهای بزرگ خروجی
• توزیع تنش ولتاژی میان کلیدهای قدرت
• ساختار ماژولار و توسعه‌پذیر
• قابلیت افزایش تعداد سطوح ولتاژ با افزودن سلول‌های جدید
• کاهش تلفات سوئیچینگ
• بهبود کیفیت توان شبکه
• کاهش هارمونیک‌های جریان ورودی
• مناسب برای کاربردهای توان متوسط و توان بالا

کاربردهای صنعتی

مبدل‌های چندسطحی پنج سلولی در صنایع مختلف مورد استفاده قرار می‌گیرند. از جمله مهم‌ترین کاربردهای آن‌ها می‌توان به درایو موتورهای فشارقوی، سیستم‌های انتقال توان HVDC، مزارع بادی، نیروگاه‌های خورشیدی، سیستم‌های ذخیره‌سازی انرژی، شبکه‌های هوشمند، تجهیزات FACTS، جبران‌سازهای توان راکتیو، منابع تغذیه صنعتی و اینورترهای متصل به شبکه اشاره کرد.

به دلیل کیفیت بالای ولتاژ خروجی، این مبدل‌ها در کاربردهایی که نیازمند اعوجاج هارمونیکی بسیار پایین هستند عملکرد مطلوبی از خود نشان می‌دهند و در سال‌های اخیر به یکی از مهم‌ترین گزینه‌ها برای سیستم‌های توان بالا تبدیل شده‌اند.

جمع‌بندی

در این شبیه سازی عملکرد یک مبدل چندسطحی پنج سلولی مورد بررسی قرار گرفت. ساختار سیستم از پنج سلول مستقل شامل یکسوکننده‌های دیودی و اینورترهای H-Bridge مبتنی بر IGBT تشکیل شده است که با استفاده از ترانسفورماتورهای زیگزاگ دارای اختلاف فاز 15 درجه و مدولاسیون PWM با اختلاف فاز 45 درجه میان حامل‌ها، ولتاژی چندسطحی با کیفیت بالا تولید می‌کند. تحلیل نتایج شبیه سازی و بررسی طیف هارمونیکی توسط ابزار FFT نشان می‌دهد که این معماری قادر است هارمونیک‌های مرتبه پایین را به میزان قابل توجهی کاهش داده و شکل موجی نزدیک به سینوسی تولید کند. این ویژگی‌ها در کنار ساختار ماژولار، قابلیت توسعه آسان و امکان تنظیم دامنه و فرکانس خروجی، مبدل چندسطحی پنج سلولی را به گزینه‌ای مناسب برای کاربردهای پیشرفته الکترونیک قدرت و سیستم‌های توان بالا تبدیل کرده است.