أهمية العاكس الكهربائي منخفض الجهد ومتعدد المستويات غير المتماثل

 

اكتسبت العواكس متعددة المستويات (MLI) اهتماماً كبيراً في العقود الأخيرة بسبب فوائدها في تقليل الجهد (dv / dt ) والتوافق الكهرومغناطيسي الأكبر والتشوه التوافقي الكلي الأقل (THD) والأشكال الموجية للإخراج المتفوقة، ونتيجة لذلك؛ فهي مفضلة في تطبيقات الجهد العالي بما في ذلك محركات التيار المتردد والطاقة المتجددة و (FACTS) ومعزز الجهد الديناميكي (DVR) وما إلى ذلك.

 

كما تم تطوير (MLI) لأول مرة في عام (1975)م، وهو نوع الجسر (H) المتتالي (CHB)، بحيث يعتبر (MLI) اسماً شائعاً للطوبولوجيا، والذي يتكون من جسور (H) متعددة متصلة بالسلسلة، ومكثف الطيران (FC) والجسر (H) المتتالي (CHB) وتقنيات النقطة المحايدة المثبتة (NPC) هي أكثر ثلاث طوبولوجيا (MLI) شيوعاً.

 

كذلك استحوذ (CHB) على اهتمام السوق ويستخدمه القطاعات على نطاق واسع، وذلك نظراً لميزات مثل البساطة والقدرة على التكيف، ومع ذلك؛ فإن له عيباً من حيث أنه مقيد بالحاجة إلى مصادر منفصلة المعوضات الثابتة والمحركات الكهربائية و (RES) المتصلة بالشبكة الكهربائية والخلايا الكهروضوئية ليست سوى عدد قليل من الاستخدامات العديدة للـ (MLIs).

 

إضافة الى تصميمات (MLI) التقليدية لها قيود كبيرة لتحقيق مستويات جهد أعلى بسبب متطلبات تبديل الطاقة الرقمية، بحيث يعد نظام المحول الذي يحتوي على المزيد من مفاتيح أشباه الموصلات ضخماً ومكلفاً ومعقداً نظراً لتكامل وحدة الحماية ووحدة قيادة البوابة والمشتت الحراري بشكل عام مع كل مفتاح طاقة.

 

ونتيجة لذلك؛ فإن أحد مجالات الدراسة الأسرع نمواً في (MLIs) هو خفض عدد مفاتيح الطاقة، كما وقد تم مؤخراً تقديم العديد من الهياكل مع عدد أقل من الأجهزة، بحيث تم اقتراح سبعة عشر مستوى غير متماثل لطوبولوجيا (MLI) لتطبيقات الجهد المتوسط ​​مع عدد أقل من مصادر التيار المستمر ومفاتيح طاقة أقل وفولتية أقل (dv / dt) على المفاتيح.

 

كذلك تم تقديم (MLIs) الجديدة لتحسين عدد مصادر الجهد المستمر ومفاتيح الطاقة، بحيث تم استخدام هيكل الجسر (H) لتوفير جهد خرج بديل، ومن ناحية أخرى، كما يجب أن تكون مفاتيح الجسر (H) قادرة على تحمل الفولتية الناتجة الكبيرة قبل استخدامها، بحيث تم حل هذه المشكلة باستخدام هياكل من النوع (H) ومن النوع (T) المربع (من النوع ST)، والتي توفر مستويات جهد خرج بديلة دون الحاجة إلى جسر (H).

 

طوبولوجيا مستوى العاكس الكهربائي MLI

 

يتكون التكوين المقترح من ثلاثة مصادر للتيار المستمر وهي (V1 ، V2 ، V3)، كما ويوضح الشكل التالي (1)، وهي اثني عشر مفتاحاً أحادي الاتجاه من (S1) إلى (S12)، كما أن هناك ثلاث وحدات في الهيكل المقترح، وهي وحدة يسرى (وحدة L) وحدة مركزية ( وحدة C) ووحدة صحيحة (وحدة R)، كما يتم تشغيل كل وحدة من خلال مصدر طاقة التيار المستمر، (V1 ، V2 ، V3) على التوالي.

 

وفي الوحدة (R)؛ فإن المفاتيح (S1 ، S2) و (S3 ، S4)، وفي الوحدة (C) المفاتيح (S5 ، S6) و (S7 ، S8)، وفي (L-) الوحدة المفاتيح (S9 ، S10) و ( S11 ، S12)، بحيث لا يتم تشغيلهما مطلقاً في نفس الوقت، وبهذه الطريقة يتم منع حدوث ماس كهربائي بين مصادر التيار المستمر، كما يمكن تشغيل كل من التوليفات المتماثلة وغير المتماثلة باستخدام الهيكل المقترح.

 

 

اختيار المكونات: بالنسبة للوضع المتماثل؛ فإن مقادير مصادر جهد التيار المستمر ثابتة لتكون نفسها.

 

 

كما ترتبط مصادر التيار الكهربائي المباشر المطلوبة (NDC) رياضياً بعدد مستويات (NLev)، وذلك باستخدام المعادلة التالية:

 

 

لذلك قد يكون عدد مفاتيح التبديل “NNS” المطلوبة مرتبطاً رياضياً بعدد مستويات (NLev)، وذلك باستخدام المعادلة:

 

 

لذلك يستخدم الهيكل المقترح مفاتيح طاقة أحادية الاتجاه لجميع المفاتيح، ونتيجة لذلك؛ فإن دوائر تشغيل البوابة المطلوبة (NGDK)، بحيث تساوي عدد (IGBTs NSW)، كما وتتم كتابتها على النحو التالي:

 

 

وللتشغيل غير المتماثل، يتم إصلاح مقادير مصدر جهد التيار المستمر (A).

 

 

لذلك قد تكون مصادر التيار المباشر المطلوبة (NDC) في الوضع غير المتماثل مرتبطة رياضياً بعدد مستويات (NLev) المستخدمة بواسطة المعادلة:

 

 

كما قد يكون عدد مفاتيح التبديل في (NSW) المطلوب في الوضع غير المتماثل مرتبطاً رياضياً بعدد مستويات (NLev) المستخدمة في المعادلة:

 

 

كما يستخدم الهيكل المقترح مفاتيح طاقة أحادية الاتجاه لجميع المفاتيح، ونتيجة لذلك؛ فإن دوائر تشغيل البوابة المطلوبة (NGDK) تساوي عدد (IGBTs NSW)، وتتم كتابتها على النحو التالي:

 

 

كما ينتج أقصى جهد ناتج عن (VL) ويعطي الحد الأقصى بواسطة:

 

 

وفي الوضع غير المتماثل، ينتج التكوين المقترح مستوى من خرج الجهد بمقادير صفرية وموجبة (+1 فولت تيار مباشر إلى +11 فولت تيار مستمر) وسالبة (−1 فولت تيار مباشر إلى −11 فولت تيار مستمر)، كما تم جدولة حالات تبديل طوبولوجيا (MLI) المقترحة ذات المستوى 23 غير المتماثلة في الجدول التالي (1)، وبالإضافة إلى ذلك يوضح الشكل التالي (2) مخططات التوصيل ذات الصلة لمستويات الجهد المختلفة، بينما يوضح الشكل التالي (3) المخرجات المتوقعة مع حالات التبديل المتنوعة.

 

 

 

 

تحليل (TSV): يُعد إجمالي جهد الحجب الأقصى أحد أهم الخصائص النوعية، والتي يشار إليها بالمجموع الجبري لأقصى جهد للجهد على المفاتيح، كما من المتوقع أن يصف (S1) حساب (TSV)، بحيث يستخدم الشكل السابق (2) لحساب (MBV) لـ (S1 – خارج الحالة)، كذلك (+ 1Vdc أو + 4Vdc أو + 5Vdcor + 8Vdcor + 11Vdc أو −2Vdc أو −6Vdc أو −9Vdc)، حيث يتم إنشاء الجهد الدائم على (S1) باستخدام مصدر التيار المستمر (R-unit VS1 = 1Vdc).

 

هيكل ممتد لمستويات (N): في الشكل الموجي الناتج، قد يولد الهيكل المقترح مستوى، بحيث تم تطوير بنية موسعة لمستويات الجهد العالي، كما هو موضح في الشكل التالي (5)، كما تتكون الوحدة (C) في الهيكل الممتد من ” عدد الوحدات الفرعية المتصلة بالتسلسل من (C1 ، C2 ، C3 ، ……. . و Cn)، كما تحتوي كل وحدة فرعية على أربعة (IGBTs) يتم تشغيلها بواسطة مصادر التيار المستمر (Vc1 ، Vc2، Vc3 ، Vcn).

 

 

كما تم اقتراح تكوين عاكس متعدد المستويات أحادي الطور مكون من (23) مكوناً مخفضاً، وهو غير متماثل للتطبيقات ذات الجهد المتوسط. يتم استخدام اثني عشر مفتاحاً وثلاثة مصادر للتيار المستمر في الهيكل المقترح لإنتاج أحد عشر مستوى جهد إيجابي ويمكن توسيعها لإنتاج مستويات جهد (n) بإضافة عدد قليل من الأجهزة.

 

ووفقاً لنتائج (MLI) المقترحة والمقارنات مع (MLIs) الحالية، كما يتطلب (MLI) المقترح عدداً أقل من المكونات لكل مستوى لتوليد المزيد من مستويات جهد الخرج، وبالنسبة لـ (MLI) ذو الـ (23) مستوى، كما يتم فحص العديد من الخصائص، بما في ذلك دالة التكلفة (CF) والجهد الثابت الكلي (TSV) والتشويه التوافقي الكلي (THD) الذي يخضع لمعايير (IEEE).