مقایسه اینورترهاي سه سطحی و نه سطحی تغذیه کننده درایوهاي موتورالقایی

مقایسه اینورترهاي سه سطحی و نه سطحی تغذیه کننده درایوهاي موتورالقایی 1 حمید کریمی 2 میثم ایوبی 3 علی امیري زانیانی 4 علیرضا مظفري 5 حمیدرضا معینی 1- شرکت پالایش گاز پارسیان- hkfars@yahoo.com 2- شرکت پالایش گاز پارسیان- maysam_ayubi@yahoo.com 3- شرکت پالایش گاز پارسیان - amiri.ali2@yahoo.com 4- شرکت پالایش گاز پارسیان - @gmail.com amozafari401 5- شرکت پالایش گاز پارسیان و دانشگاه آزاد اسلامی واحد علوم و تحقیقات فارس- h_moeiny@yahoo.com چکیده: در این مقاله مقایسه بین اینورهاي سه سطحی و اینورترهاي نه سطحی تغذیه کننده درایو موتور القایی بیان می شود. یک مبدل منبع ولتاژ (VSI) مرسوم تغذیه کننده درایو موتور القایی با استفاده از نرم افزار Matlab/Simulink مدلسازي و شبیه سازي می شود و نتایج اراي ه می شود. همچنین اینورتر کاسکاد سه و نه سطحی شبیه سازي می شود و نتایج مربوطه اراي ه می گردد. طیف هاي تحلیل فوریه سریع (FFT) براي خروجیها براي مطالعه و بررسی کاهش هارمونیکها تحلیل می شوند. کلید واژه: موتور القایی اینورتر چند سطحی مبدل منبع ولتاژ Matlab/Simulink 1- مقدمه درایوهاي سرعت متغیر (ASD) بطور وسیعی در صنایع براي کنترل سرعت سیستم هاي بالابر سرعت دمنده ها سرعت ماشین ابزارها و سایر کاربردهایی که نیاز به تغییر سرعت می باشد استفاده می شوند. در بسیاري از کابردهاي صنعتی قدیمی موتورهاي DC براي درایوهاي سرعت متغیر به علت سرعت عالی و پاسخ خوبشان بکار گرفته می شدند اما آنها معایب ذاتی کموتاتور و جاروبک هاي مکانیکی دارند که طی گذر زمان دستخوش پوسیدگی و گسستگی می شوند. در بیشتر موارد موتورهاي AC نسبت به موتورهاي DC ترجیح داده می شوند مخصوصا موتور القایی به علت قیمت پایین نگهداري کم وزن کمتر بازده بالاتر و ناهمواري هاي بهبود یافته و قابلیت اطمینان. همه این ویژگی ها باعث استفاده اجباري و الزام آور موتورهاي القایی در نواحی زیادي از کاربردهاي صنعتی می شود. پیشرفت در تکنولوژي نیمه هادي و الکترونیک قدرت باعث توسعه تجهیزات نیمه هادي توان بالا و سرعت بالا جهت دستیابی به تغییرات یکنواخت پیوسته و بدون پله در سرعت موتور شده است. کاربردهاي مبدلها/اینورترها براي درایو موتور با سرعت قابل تغییر در رنج گسترده اي از سیستم هاي الکترومکانیکی براي طیف بزرگی از سیستم هاي صنعتی وجود دارند. کیفیت خالص ولتاژ و جریان خروجی موتور القایی تغذیه شونده توسط اینورتر دو سطحی کلاسیک بعلت حضور هارمونیک ها می باشد. حضور مقدار زیادي از هارمونیک ها باعث می شود موتور نوسانات شدید گشتاور را متحمل شود بویژه در سرعت کم که در دندانه شافت خودشان را آشکار می کنند همچنین موجب حرارت ٧٧٢

نامطلوب موتور و تداخل الکترومغناطیسی می شود. کاهش هارمونیکها با استفاده از فیلترهاي با انداره بزرگ منجر به افزایش اندازه و هزینه سیستم می شود. امروزه اینورترهاي چند سطحی راه حل مو ثر هزینه براي کاربردهاي ولتاژ بالا و توان بالا جهت مساي ل کیفیت توان و مساي ل درایو موتور می باشند. ساختار چند سطحی باعث افزایش ظرفیت توان سیستم در یک روش قدرتمند و سیستماتیک و منظم می شود. پیشرفت ها در رشته الکترونیک قدرت و میکروالکترونیک امکان کاهش اندازه هارمونیک ها با اینورترهاي چند سطحی را در اینکه تعداد سطوح اینورتر نسبت به افزایش اندازه فیلترها افزایش می یابد را ایجاد می کنند. همچنانکه تعداد سطوح اینورتر افزایش می یابد عملکرد اینورترهاي چند سطحی افزایش می یابد. در این مقاله محتواي هارمونیکی یک اینورتر سه سطحه با یک اینورتر نه سطحی مقایسه می شود. اعوجاج هارمونیکی کل (THD) کمتر از اینورتر سه سطحی می باشد. 2- اینورتر چند سطحی اینورترهاي چند سطحی در صنعت برق بسیار مورد توجه قرار گرفته است. آنها یک خصوصیت جدید را اراي ه می دهند که آن این است که کاملا مناسب براي جبرانسازي توان راکتیو می باشند. اینورترهاي چند سطحی بطور قابل ملاحظه اي اندازه هارمونیک ها را کاهش می دهند و ولتاژ خروجی و توان را بدون استفاده از ترانس افزاینده افزایش می دهند. یک اینورتر چند سطحی شامل یک سري واحدهاي اینورتر پل H متصل شده به موتور القایی سه فاز می باشند. نقش کلی و عمومی این اینورترها ایجاد یک ولتاژ مطلوب از چندین منبع DC می باشد. ولتاژهاي ترمینال AC هر پل بصورت سري متصل می شوند. برخلاف اینورترهاي کلمپ دیودي (برشگر دیودي) یا خازنی- فلایینگ اینورترهاي کاسکاد (آبشاري) هیچ نیازي به دیودهاي کلمپی ولتاژ و یا خازنهاي متعادل کننده ولتاژ ندارند. این ساختار براي کاربردهاي فرکانس ثابت مانند یکسوکننده هاي front-endاکتیو فیلترهاي قدرت اکتیو و جبرانسازي توان راکتیو مفید می باشند. با انتخاب زاویه هدایت مناسب براي پل هاي H میتوان هارمونیکهاي خاصی را در شکل موج خروجی حذف نمود. زاویه هاي هدایت مناسب می توانند بوسیله آنالیز ولتاژ فاز خروجی اینورتر کاسکاد محاسبه شوند. با فرض اینکه پل H استفاده شود ولتاژ خروجی می تواند بصورت زیر بیان شود: V ao = V a1 +V a2 +V a3 +V a4 +V a5 (1) از آنجا که موج در طول محور X متقارن می باشد هر دو ضریب فوریه و A 0 A n صفر می باشند. است و آن بصورت زیر داده شده است: فقط آنالیز Bنیاز n B = {[4V ]/nπ} cos(nα ) (2) که j تعداد منابع DC و n هارمونیکهاي مرتبه فرد می باشد. بنابراین براي انتخاب دقیق زاویه هدایت هر پل H نیاز است که هارمونیکهاي با اندازه و مرتبه معینی که نیاز است حذف شوندرا انتخاب کنیم. براي حذف هارمونیک هاي مرتبه پنجم هفتم و یازدهم و براي تامین پیک ولتاژ فاز مو لفه اصلی مساوي با %80 مقدار ماکزیمم نیاز است که معادله زیر را با شاخص مدولاسیون 8.=M حل کنیم. Cos(5 α 1 )+cos(5 α 2 )+cos(5 α 3 )+cos(5 α 4 )=0 Cos(7α 1 )+cos(7 α 2 )+cos(7 α 3 )+cos(7 α 4 )=0 Cos(11α 1 )+cos(11 α 2 )+cos(11 α 3 )+cos(11α 4 )=0 Cos(α 1 )+cos(α 2 )+cos(α 3 )+cos(α 4 )=.8*4 (3) 3- نتایج شبیه سازي درایو موتور القایی تغذیه شونده با اینورتر: درایو موتور القایی تغذیه شونده با مبدل منبع ولتاژ (VSI) در شکل ا-الف نشان داده شده است. فلا- شکل 1 : درایو موتور القایی تغذیه شونده با مبدل منبع ولتاژ( VSI ) ٧٧٣

ب- ج- و- فلا- ب- و- یکسوساز دیودي با فیلتر خازنی به عنوان منبع ولتاژ عمل می کند. اینورتر سه فاز عمل کننده در مد 120 براي تغذیه موتور القایی سه فاز استفاده می شود. شکل موج هاي ولتاژ فاز و شکل موجهاي جریان استاتور بترتیب در شکلهاي ا-ب و 1- ج نشان داده شده اند. شکل 1 : شکل موج هاي ولتاژ فاز : آنالیز FFT براي جریان از طیف هارمونیکی مشاهده می شود که اندازه مو لفه اصلی جریان 28 آمپر می باشد و اعوجاج هارمونیکی کل (THD) %12.87 است. درایو موتور القایی تغذیه شونده با اینورتر چند سطحی در شکل 2 -الف نشان داده شده است. اینورتر در شکل 2 -ب نشان داده شده است. عناصر مدار یک فاز شکل 1 : شکل موجهاي جریان استاتور شکل 1 تغییرات سرعت در شکل 4 -د نشان داده شده است. سرعت افزایش می یابد و در 1470 ثابت می ماند. : درایو موتور القایی تغذیه شونده با اینورتر چند سطحی شکل 1 د- : تغییرات سرعت برحسب دور در دقیقه آنالیز تحلیل فوریه سریع (FFT) براي جریان انجام شده : مدار یک فاز اینورتر چند سطحی است و طیف مربوطه در شکل 1 نشان داده شده است. ٧٧٤

و- د- ج- فلا- ه- پالسهاي آتش اعمال شده به اینورتر دوم نسبت به اینورتر اول 36 درجه اختلاف فاز دارند. ولتاژهاي فاز در - ج نشان داده شده اند. : طیف جریان استاتور می توان مشاهده نمود که مقدار %7.4 THD است. بنابراین %42 THD کاهش می یابد. از طیف می توان مشاهده نمود که اندازه مو لفه هاي فرکانس پایین بزرگتر از مو لفه هاي فرکانس بالاست. : شکل موج هاي ولتاژ فاز جریانهاي استاتور در شکل 2 -د نشان داده شده اند. درایو موتور القایی تغذیه شونده با اینورتر 9 سطحی: -6 بلوك دیاگرام درایو موتور القایی تغذیه شونده با اینورتر 9 سطحی در شکل 3 -الف نشان داده شده است. موتور القایی از یک اینورتر 9 سطحی تغذیه می شود. : شکل موجهاي جریان استاتور تغییرات در سرعت روتور در - است. و نشان داده شده : بلوك دیاگرامدرایو موتور القایی تغذیه شونده با اینورتر 9 سطحی شکل 3 مدار اینورتر 9 سطحی در شکل 3 -ب نشان داده شده است. : تغییرات سرعت روتور برحسب دور در دقیقه طیف جریان استاتور در شکل 2 -ه نشان داده شده است. ٧٧٥

ب- ج- شکل موج هاي جریان استاتور در شکل 3 -و نشان داده شده است. شکل 3- و: جریان استاتور پاسخ سرعت درایو موتور القایی در شکل 3 -ه نشان داده : اینورتر 9 سطحی شکل 3 S2 S1 پالسهاي 3 -ج نشان در شکل و سوي یچ تحریک شده است.سرعت روتور افزایش می یابد و در 1470 ثابت داده شداند. می ماند. : پالسهاي تحریک سوي یچ شکل 3- ه: سرعت درایو موتور القایی و S2 S1 شکل 3 شکل موجهاي ولتاژ خروجی اینورتر در شکل داده شده اند. 3 -د نشان طیف فرکانسی براي خروجی اینورتر 9 سطحی در شکل 3- ي نشان داده شده است. شکل 3- د: ولتاژ خروجی اینورتر 9 سطحی شکل 3 ي- : طیف فرکانسی براي جریان خروجی اینورتر 9 سطحی درصد THD در اینورتر 9 سطحی %5.8 بدست می آید و بنابراین نسبت به اینورتر سه سطحی %27 کاهش می یابد. ٧٧٦

[1] Bashi, S.M., N. Mariun and N.F. Alhalali, 2008. On low harmonic single phase multilevel power inverter. Asian J. Sci. Res., 1(3): 274-280. [2] Dixon, J. and L. Moran, 2006. High-level multistep inverter optimization using a minimum number of power transistors. IEEE Tran. Power Electron., 21(2):330-337. [3] DuLeon, Z., M. Tolbert and J.N. Chiasson, 2006. Active Harmonic Elimination for Multilevel Converters.IEEE Tran. Power Electron., 21(2): 459-469. [4] Feng, C. and G.A. Vassilions, 2000. On the Comparison of fundamental and high frequency Carrier based techniques for multilevel NPC Inverters. IEEE PES Conf., 2: 520-525. [5] Golubev, A.N. and S.V. Ignatenko, 2000. Influence of number of stator winding phases on noise characteristic of an asynchronous motor. Russ. Electr. Eng., 71(6): 41-46. [6] Gopukumar, K., S.K. Biswas, S. Satishkumar and V. Joseph 1984. Modified current sourceinverterfed induction motor drive with reduced torque pulsation. IEE Proc., 313(4): 150-164. [7] Jagadish, K., D. Biswarup and A. Pramod, 2009. On the harmonic reduction technique for a cascade multilevel inverter. Int. J. Recent Trends Eng., 1(3). [8] Mohapatra, K.K., K. Gopukumar, V.T. Somashekhar and L. Umanand, 2002. A Modulation scheme for six phase induction motor with an openend winding. 25th Annual Conference IECON 02 Spain, pp: 810-815. [9] Pandian, G. and R. Reddy, 2008. On the implementation of multilevel inverter-fed induction motor drive. J. Indus. Technol., 24(2): 79-85. [10] Rashid, M.H., 1996. Power Electronics Circuits Devices and Applications. 2nd Edn., PHI, New Delhi, pp: 566-572. 7- نتیجه گیري: در این مقاله اینورهاي سه سطحی و اینورترهاي نه سطحی تغذیه کننده درایو موتور القایی با استفاده از بلوکهاي سیمولینک شبیه سازي شدند. نتایج سیستمهاي اینورتر چند سطحی با نتایج سیستم درایو مبتنی بر مبدل منبع ولتاژ (VSI) مقایسه گردید. مشاهده گردید که اعوجاج هارمونیکی کل تولید شده بوسیله اینورتر 9 سطحی کمتر از VSI سه سطحی تغذیه کننده سیستم درایو می باشد. بنابراین حرارت و گرماي ناشی از اینورتر 9 سطحی کمتر از VSI سه سطحی تغذیه کننده سیستم درایو می باشد. نتایج شبیه سازي جریان ولتاژ سرعت و طیف فرکانسی اراي ه شدند. این سیستم درایو می تواند در صنایعی که درایوهاي سرعت متغیر براي تولید خروجی با محتواي هارمونیکی کاهش یافته مورد نیاز است استفاده شود زیرا عملکرد بهتري نسبت به اینورتر 3 سطحی دارد. مراجع: ٧٧٧