درایوهای موتور توان بالا در صنایع بزرگ مانند صنایع فولاد، معادن، نیروگاه‌ها، صنایع نفت و گاز و سامانه‌های حمل‌ونقل الکتریکی، نیازمند مبدل‌های قدرتی هستند که علاوه بر تأمین توان بالا، کیفیت توان مناسبی نیز داشته باشند. افزایش توان نامی موتورهای الکتریکی باعث می‌شود استفاده از مبدل‌های سنتی با محدودیت‌هایی مانند افزایش هارمونیک‌ها، تنش ولتاژی روی کلیدهای قدرت و کاهش بازده سیستم مواجه شود. به همین دلیل، ساختارهای چندسلولی یا Multicell Converter به عنوان یکی از راهکارهای پیشرفته در درایوهای توان بالا مورد توجه قرار گرفته‌اند.

در این شبیه‌سازی، عملکرد یک درایو موتور با توان 1.5 مگاولت‌آمپر (1.5-MVA) بررسی می‌شود که از یک مبدل قدرت چندسلولی برای تغذیه یک موتور القایی 1800 اسب‌بخار استفاده می‌کند. هدف اصلی این مدل، نمایش نحوه عملکرد مبدل چندسطحی، روش کنترل کلیدهای قدرت، کاهش هارمونیک‌های جریان شبکه و بررسی تأثیر ترانسفورماتورهای شیفت فاز در بهبود کیفیت توان است.

معرفی ساختار درایو موتور چندسلولی

در این سیستم از یک مبدل چندسلولی مبتنی بر ساختار Modular Multilevel یا MMC استفاده شده است. بلوک
Full-Bridge MMC with External DC Link
برای تغذیه موتور القایی مورد استفاده قرار گرفته است. این بلوک به گونه‌ای برنامه‌ریزی شده است که پنج سلول H-Bridge را به صورت سری در هر فاز مدل‌سازی کند.

استفاده از چند سلول H-Bridge باعث می‌شود ولتاژ خروجی مبدل به سطوح بیشتری تقسیم شود. در نتیجه، هر کلید قدرت تنها بخشی از ولتاژ کل سیستم را تحمل می‌کند و امکان طراحی درایوهایی با ولتاژ و توان بسیار بالا فراهم می‌شود. همچنین افزایش تعداد سطوح ولتاژ خروجی باعث نزدیک‌تر شدن شکل موج خروجی به موج سینوسی شده و نیاز به فیلترهای بزرگ کاهش پیدا می‌کند.

در این ساختار، پنج پل H به صورت سری قرار گرفته‌اند و هر پل وظیفه تولید بخشی از ولتاژ خروجی را بر عهده دارد. ترکیب ولتاژ این سلول‌ها یک ولتاژ چندسطحی ایجاد می‌کند که برای تغذیه موتورهای توان بالا بسیار مناسب است.

کنترل PWM مبتنی بر شیفت فاز

برای کنترل کلیدهای نیمه‌هادی موجود در سلول‌های H-Bridge از تکنیک مدولاسیون پهنای پالس مبتنی بر حامل با شیفت فاز
(Phase-Shift Carrier-Based PWM)
استفاده شده است. در این روش، برای هر سلول یک سیگنال حامل با اختلاف فاز مشخص نسبت به سلول دیگر ایجاد می‌شود.

مزیت اصلی این روش، افزایش فرکانس مؤثر کلیدزنی و بهبود کیفیت شکل موج خروجی است. اگرچه هر سلول با یک فرکانس کلیدزنی مشخص کار می‌کند، اما ترکیب چند سلول با حامل‌های دارای اختلاف فاز باعث می‌شود فرکانس هارمونیک‌های خروجی به محدوده بالاتری منتقل شود. این موضوع کاهش اعوجاج هارمونیکی و بهبود عملکرد موتور را به همراه دارد.

بخش یکسوساز و نقش ترانسفورماتور شیفت فاز

در سمت ورودی سیستم، برای تأمین لینک‌های DC مستقل هر سلول، از یک ترانسفورماتور شیفت فاز و پل دیودی سه‌فاز استفاده شده است. هر واحد یکسوساز وظیفه تأمین ولتاژ DC مورد نیاز یک سلول H-Bridge را بر عهده دارد.

یکی از مشکلات اصلی درایوهای توان بالا، ایجاد جریان‌های هارمونیکی در شبکه تغذیه است. یکسوسازهای دیودی شش پالسه معمولاً هارمونیک‌های قابل توجهی در جریان ورودی ایجاد می‌کنند. اگر چندین واحد یکسوساز بدون هماهنگی به شبکه متصل شوند، مجموع این هارمونیک‌ها می‌تواند باعث کاهش کیفیت توان شبکه شود.

برای حل این مشکل، از ترانسفورماتورهای شیفت فاز استفاده می‌شود. این ترانسفورماتورها باعث ایجاد اختلاف فاز مشخص بین ولتاژهای اعمال شده به ورودی یکسوسازهای مختلف می‌شوند. در نتیجه، هارمونیک‌های تولید شده توسط واحدهای مختلف در برخی فرکانس‌ها یکدیگر را خنثی می‌کنند و جریان تزریقی به شبکه دارای اعوجاج کمتری خواهد بود.

تنظیم زاویه شیفت فاز برای حذف هارمونیک‌ها

در این مدل، پنج واحد یکسوساز شش پالسه در هر فاز وجود دارد. برای حذف هارمونیک‌های تولید شده توسط این واحدها، لازم است ولتاژ ورودی هر یک از یکسوسازها دارای اختلاف فاز مشخصی نسبت به واحد دیگر باشد.

از آنجا که زاویه کل مورد نیاز برای توزیع هارمونیک‌ها برابر با 60 درجه است، این مقدار بین پنج یکسوساز تقسیم می‌شود. بنابراین اختلاف فاز بین واحدهای متوالی برابر است با:

60 / 5 = 12 درجه

در مدل Matlab، این اختلاف فازها توسط پارامتر
PhaseShift
تعریف شده است. مقدار این پارامتر به صورت زیر تنظیم می‌شود:

PhaseShift = [12,24,36,48,60]

این تنظیم باعث می‌شود هر ترانسفورماتور زاویه متفاوتی ایجاد کند و فرآیند حذف هارمونیک‌ها به شکل مؤثرتری انجام شود.

اجرای شبیه‌سازی در Matlab

پس از اجرای مدل، می‌توان شکل موج‌های مختلف مربوط به ولتاژ، جریان، توان و هارمونیک‌های سیستم را در Scopeهای موجود مشاهده کرد. نتایج شبیه‌سازی نشان می‌دهد که استفاده از ترانسفورماتورهای شیفت فاز تأثیر قابل توجهی در کاهش هارمونیک‌های جریان تزریقی به شبکه دارد.

در حالت استاندارد، که مقدار
PhaseShift
به صورت صحیح تنظیم شده است، جریان ورودی شبکه دارای شکل موج مناسب‌تری بوده و مؤلفه‌های هارمونیکی کاهش پیدا می‌کنند. این موضوع نشان‌دهنده عملکرد صحیح روش چندپالسه‌سازی و حذف هارمونیک‌ها در یک درایو توان بالا است.

بررسی حالت بدون هماهنگی شیفت فاز

برای بررسی اهمیت تنظیم صحیح زاویه‌های شیفت فاز، در مرحله بعد مقدار پارامتر
PhaseShift
به صورت زیر در محیط Matlab تغییر داده می‌شود:

PhaseShift = ones(1,5)

با این تغییر، تمام ترانسفورماتورها دارای یک شیفت فاز یکسان خواهند بود. پس از اجرای مجدد شبیه‌سازی مشاهده می‌شود که جریان تزریقی به شبکه دارای محتوای هارمونیکی بسیار بالاتری خواهد شد.

این آزمایش اهمیت هماهنگی بین سلول‌های مبدل و ترانسفورماتورهای ورودی را نشان می‌دهد. اگرچه مبدل همچنان قادر به تغذیه موتور خواهد بود، اما کیفیت توان شبکه کاهش یافته و مشکلاتی مانند افزایش تلفات، گرم شدن تجهیزات و ایجاد اختلال در سایر مصرف‌کننده‌ها ممکن است رخ دهد.

کاربردهای صنعتی درایوهای چندسلولی

درایوهای چندسلولی مانند نمونه بررسی‌شده در این شبیه‌سازی، در کاربردهایی که نیاز به توان بسیار بالا دارند استفاده می‌شوند. برخی از مهم‌ترین کاربردهای این فناوری عبارت‌اند از:

• درایو موتورهای بزرگ در صنایع فولاد و نورد
• سیستم‌های پمپاژ توان بالا در صنایع نفت و گاز
• کمپرسورهای صنعتی بزرگ
• سیستم‌های محرکه الکتریکی در حمل‌ونقل ریلی
• کاربردهای نیروگاهی و شبکه‌های قدرت

جمع‌بندی شبیه‌سازی

در این شبیه‌سازی، عملکرد یک درایو موتور 1.5 مگاولت‌آمپر مبتنی بر مبدل چندسلولی بررسی شد. استفاده از ساختار پنج سلول H-Bridge سری، امکان تولید ولتاژ بالا با کیفیت مناسب را فراهم می‌کند. همچنین تکنیک PWM مبتنی بر شیفت فاز موجب بهبود شکل موج خروجی و کاهش هارمونیک‌ها می‌شود.

نتایج نشان داد که استفاده صحیح از ترانسفورماتورهای شیفت فاز نقش کلیدی در حذف هارمونیک‌های جریان ورودی دارد. تنظیم مناسب پارامتر
PhaseShift
باعث کاهش اعوجاج جریان شبکه شده، در حالی که تنظیم نادرست آن موجب افزایش شدید هارمونیک‌ها خواهد شد.

این مدل Matlab یک نمونه کاربردی برای مطالعه و تحلیل درایوهای توان بالا، مبدل‌های چندسطحی و روش‌های بهبود کیفیت توان در سیستم‌های صنعتی است و می‌تواند به عنوان یک ابزار آموزشی و تحقیقاتی برای بررسی عملکرد مبدل‌های پیشرفته قدرت مورد استفاده قرار گیرد.