استراتيجية تعديل توازن الطاقة للعاكس متعدد المستويات

الهدف من تعديل توازن الطاقة للعاكس متعدد المستويات

في صناعة الطاقة الكهربائية، يتزايد الطلب على الفولتية المتوسطة والعالية وعاكس الطاقة العالية، بحيث تتمتع محولات الجسر (H) المتتالية بمزايا واضحة مثل الهيكل البسيط والتكوين السهل والإجهاد المتعلق بالجهد الكهربائي الصغير لترانزستورات التبديل وطاقة الإخراج الكبيرة، كما أن وجودة شكل الموجة الجيدة لجهد الخرج، كما كانت النقاط الساخنة البحثية للعاكسات متعددة المستويات في السنوات الأخيرة.

وبالمقارنة مع الجسور (H) المتتالية التقليدية؛ فإنه يمكن للجسور (H) المتتالية الهجينة أن تقلل إلى حد كبير عدد مصادر طاقة التيار المستمر وتبديل الترانزستورات في حالة نفس مستويات الإخراج، وذلك حتى الآن، بحيث تتضمن طرق التعديل الخاصة بعاكس الجسر (H) المتتالي الهجين وبالشكل الأساسي المتضمن (PWM ,PS-PWM) وتغيير المستوى (PWM,LS-PWM)، حيث يمكن لـ (PS-PWM) تحقيق توازن الطاقة بين الوحدات المتتالية في الجسر (H) المتتالي.

ومقارنةً بـ (PS-PWM)؛ فإنه يمكن لـ (PWM) التخلص في الطور (IPD-PWM) أن يجعل الخصائص التوافقية لجهد خط خرج العاكس أفضل، كما تستخدم العديد من محولات الجسر (H) المتتالية الهجينة استراتيجيات التعديل مثل تكديس الناقل متعدد الطبقات وحامل “التردد الهجين” (PWM).

كذلك لن يؤثر عدم توازن طاقة الخرج بين نفس الوحدات المتتالية على عمر خدمة تحويل الترانزستورات وإمدادات طاقة التيار المستمر في الجسر (H) فحسب؛ بل يعيق أيضاً الصيانة والإنتاج الضخم للعواكس في المرحلة اللاحقة، مع (1/4) دورة إخراج كوحدة؛ فإنه يتم تحقيق توازن الطاقة لعاكس الجسر (H) المكون من ثلاث وحدات متتالية وسبعة مستويات من خلال تبادل شكل موجة الجهد الناتج لكل وحدة جسر (H).

استراتيجية التعديل للعاكس الثالث:

طوبولوجيا العاكس ومبدأ التشغيل:

يوضح الشكل السابق طوبولوجيا عاكس الجسر (H) المتتالي (III) الهجين، والذي يمثل الجهد الجانبي (DC) لوحدة الجهد العالي (H1) هو (3E) والجهد الجانبي (DC) لوحدات الجهد المنخفض (L1) و (L2) و (L3) هو كل (H)، كما أن الفولتية الناتجة لكل وحدة جسر (H) هي، على التوالي، (uH1 ،uL1 ،uL،uL3)  والجهد الناتج للعاكس عبارة عن موجة جيبيه تبلغ (u0)، حيث أن تيار الخرج هو موجة جيبيه من (i0)، كما يمكن التعبير عن (i0) على النحو التالي:

استراتيجية التعديل الهجين

التعديل الهجين هو طريقة تعديل تجمع بين “مزايا التحكم” في المستوى الأقرب و (PWM)، وذلك للتخلص في الطور، حيث يتم استخدام أقرب مستوى تحكم لتعديل وحدة الجهد العالي ويتم استخدام (PWM) للتخلص في الطور لتعديل وحدة الجهد المنخفض، كما أن الغرض من استراتيجية التعديل هذه هو جعل وحدات الجهد العالي والجهد المنخفض تعمل في حالات التردد الكهربائي المنخفض والعالي على التوالي.

كما يمكن وصف استراتيجية التعديل من خلال الدورات النصف الموجبة والسالبة، بحيث تتم مقارنة موجة تعديل وحدة الجهد العالي (vH) بإمكانيات (3E) و (- 3E) للحصول على إشارة القيادة الأولية لوحدة الجهد العالي QH1x) ( x = 1،2،3،4))، وبعد ذلك قم بتشغيل ترانزستور التبديل المقابل، وبالتالي الحصول على شكل موجة الجهد الناتج لوحدة الجهد العالي في دورة واحدة.

ثم تتم مقارنة موجة تعديل وحدة الجهد المنخفض (vm) مع الموجة الحاملة المثلثية (vL1) و (vL6) و (vL2) و (vL5) و (vL3) و (vL4)، وذلك للحصول على إشارة القيادة الأولية QLxy) (x = 1،2،3 ، y = 1،2،3 ، 4))، كما وتشغيل ترانزستور التبديل المقابل، وبالتالي الحصول على شكل موجة الجهد الناتج لوحدة الجهد المنخفض في دورة واحدة، وأخيراً تتم إضافة الفولتية الناتجة لوحدات الجهد العالي والجهد المنخفض.

وللحصول على شكل موجة جهد خرج بمستوى (13 u0)؛ فإنه يمكن التعبير عن موجة التعديل على النحو التالي:

كما يوضح الشكل التالي مبدأ التعديل لوحدات الجهد العالي والمنخفض للعاكس (III)، كما يمكن رؤيته من الشكل في الدورة النصف الموجبة لجهد الخرج ومستويات الإخراج لكل وحدة هي (+ 3E ،+ E ،0) على التوالي، بينما في نصف الدورة السالبة؛ فإن مستويات الإخراج  تكون (- 3E ،- E ،0)، لذلك لا يوجد تيار عكسي خلال الدورة بأكملها.

تحليل القدرة على أساس استراتيجية التعديل الهجين

تحليل طاقة وحدة الجهد المنخفض

بافتراض أن متوسط جهد الخرج لوحدة الجهد المنخفض في دورة التبديل هو (uLx) ودورة العمل المعنية هي dx (x = 1 ، 2 ، 3)؛ فإنه يمكن لمتوسط جهد الخرج لوحدة الجهد المنخفض أثناء دورة التبديل أن يتم التعبير عنها على النحو التالي:

وفي التطبيقات العملية، عادة ما يكون تردد الموجة المعدلة أصغر بكثير من تردد الموجة الحاملة، ويمكن اعتبار أن موجة التعديل في فترة التبديل هي قيمة ثابتة، لذلك؛ فإنه يمكن التعبير عن دورة العمل (dx) لوحدة الجهد المنخفض على النحو التالي:

وبالتالي، يمكن الحصول على متوسط جهد الخرج في دورة نصف موجبة على النحو التالي:

وهنا يمكن ملاحظة أن القيمة المتوسطة لجهد الخرج لوحدة الجهد المنخفض في دورة نصف موجبة تساوي القيمة اللحظية لموجة التعديل (vm)، ووفقاً لتماثل جهد خرج العاكس؛ فإنه يمكن تقسيم موجة تعديل وحدة الجهد المنخفض (vm) إلى أربع مناطق (I و II و III و IV) في دورة واحدة.

وبعد ذلك، يمكن تقسيم (vm) إلى 12 شكلاً موجياً أساسياً للجهد (uL11 ~ uL34)، ووفقاً للوحدة المتتالية المختلفة. uLx1 ~ uLx4) (x = 1،2،3)) هي الأشكال الموجية لجهد الخرج لأربعة أجزاء من وحدة الجهد المنخفض (xth) في دورة واحدة.

تنفيذ معادلة القدرة على أساس التشكيل الهجين

من خلال التحليل أعلاه؛ فإنه يمكن أن يكون معروفاً بأن السبب الجذري لعدم توازن قوى الخرج في وحدة الجهد المنخفض هو أن جهد الخرج لكل وحدة لا يحتوي على جميع أشكال موجات الجهد الأساسية، كذلك من أجل جعل قوى الخرج لكل وحدة جهد منخفض متوازنة؛ فإنه يجب أن يتم إخراج وحدة الجهد المنخفض لتشمل جميع أشكال موجات الجهد الأساسية خلال فترة زمنية معينة.

كذلك، يتضمن جهد الخرج 6 مقاطع على الأقل في فترة زمنية معينة، (u11 ،u13 ،u21 أو u23 ،u31) أو (u33 ،u12 أو u14 ،u22 أو u24 ،u32 أو u34)، ويستغرق (3/2) دورات لتغطية 6 أنواع من أشكال موجات الجهد الأساسية.

بعد ذلك، يتم استبدال أشكال موجات الجهد الأساسية التي تغطيها كل وحدة في (3/2) دورات بالطريقة كما هو موضح في الشكل التالي:

أيضاً يتم إجراء استبدال لأشكال موجات الجهد الأساسية للوحدات المتصلة لجعل كل وحدة تغطي 6 أشكال موجية أساسية للجهد في دورة (3/2)، وبهذه الطريقة؛ فإنه يمكن موازنة طاقة الخرج لكل وحدة، وبعد ذلك يتم إجراء تحسين على طريقة التشكيل للعاكس عن طريق تغيير الموجة الحاملة وفقاً للشكل السابق ويمكن تحديد مبدأ التعديل كما هو موضح في الأشكال التالية: