هر آنچه باید درباره اینورتر دو سطحی بدانید
در این مقاله آموزشی قصد داریم در رابطه با اینورتر دوسطحی و نحوه کار آن و همچنین تفاوت آن با اینورترهای چند سطحی باهم به گفتگو بپردازیم. پس باما همراه باشید.
اینورترها بر اساس سطوح خروجی به دو دسته تقسیم می‌شوند که عبارت‌اند از:
اینورتر دوسطحی
اینورتر چند سطحی
اینورتر دو سطحی
یک اینورتر دوسطحی دو ولتاژ متفاوت برای بار ایجاد می‌کند، یعنی فرض کنید Vdc را به‌عنوان ورودی به یک اینورتر دوسطحی ارائه می‌کنیم، سپس + Vdc/2 و – Vdc/2 را در خروجی ارائه می‌دهد. به‌منظور ایجاد ولتاژ AC، این دو ولتاژ جدید تولیدشده معمولاً سوئیچ می‌شوند.
برای سوئیچینگ بیشتر از PWM استفاده می‌شود. اگرچه این روش ایجاد AC مؤثر است، اما اشکالات کمی دارد زیرا باعث ایجاد اعوجاج هارمونیک در ولتاژ خروجی می‌شود و همچنین دارای dv/dt بالایی در مقایسه با یک اینورتر چند سطحی است.
به‌طورمعمول این روش کار می‌کند، اما در برنامه‌های معدودی مشکلاتی را ایجاد می‌کند، به‌ویژه در مواردی که اعوجاج کم در ولتاژ خروجی موردنیاز است.
ویژگی های اینورتر دو سطحی و دلیل نیاز به آن
میزان سیستم‌های تولید و توزیع انرژی در سال‌های اخیر افزایش چشمگیری داشته است. بر اساس آمار انرژی جهانی، مصرف انرژی الکتریکی در جهان به‌طور مداوم در حال افزایش است که این امر نیاز به تولید برق بیشتری به‌ویژه از منابع انرژی تجدید پذیر (بادی و خورشیدی) دارد.
بر اساس آمار جهانی کل مصرف برق در سال ۲۰۳۰ ۶۱ درصد بیشتر از سال ۲۰۱۱ خواهد بود. علاوه بر این، انرژی‌های تجدید پذیر تا سال ۲۰۳۰ به سهم ۶ درصدی از تولید انرژی جهانی می‌رسد که نسبت به ۲ درصد در سال ۲۰۱۱ افزایش‌یافته است.
منابع انرژی تجدید پذیر نقش مهمی ایفا می‌کنند. نقش در تولید برق به دلیل انرژی سبز و اثرات زیست‌محیطی کم. بااین‌حال، خروجی آن‌ها برای مصرف‌کنندگان قابل‌استفاده نیست و باید تقویت شود و به شکل موج AC صاف تبدیل شود تا توان موردنظر را به شبکه با هارمونیک کم که نیاز به اینورتر صنعتی توان بالا با راندمان بالاتر دارد، برساند.
علاوه بر این، صنایع نیازمند تجهیزات توان بالاتری هستند که بیش از سطح مگاوات هستند، مانند درایوهای AC پرقدرت که معمولاً به ولتاژ متوسط متصل هستند. شبکه‌های (۲.۳، ۳.۳، ۴.۱۶ و ۶.۹ کیلوولت).
خروجی یک اینورتر ۲ سطحی معمولی فقط +Vdc یا -Vdc از یک خازن DC با مقدار ولتاژ Vdc است که دارای هارمونیک‌های زیادی است که برای فیلتر شدن حیاتی است. با توجه به این مقادیر، سوئیچ‌ها در صورت استفاده از این نوع اینورتر در کاربردهای باقدرت بالا مانند کاربردهای معدنی، درایوهای موتور باقدرت بالا، سیستم‌های تبدیل انرژی PV یا مزرعه بادی و غیره باید ولتاژ و جریان بالایی را متحمل شوند.
محدودیت های اینورتر دو سطحی
عملکرد فرکانس بالا نیز برای کاربردهای توان بالا به دلیل افزایش تلفات توان در اینورتر دو سطحی محدود است. علاوه بر این، لازم است از کلیدهای ولتاژ بالا استفاده شود که توسط فناوری‌های موجود محدودشده است. یک‌راه حل برای غلبه بر این محدودیت، استفاده از کلیدها و خازن‌های بیشتر به‌صورت سری است که می‌تواند ولتاژ را بین کلیدها تقسیم کند.
برای رفع مشکلات فوق، فناوری جدیدی از اینورترها به نام اینورترهای چند سطحی (MLI) با استفاده از ترکیب سوئیچ‌ها معرفی‌شده است. که در ادامه تفاوت آن‌ها را با اینورتر دوسطحی بیان خواهیم کرد.
مقایسه اینورترهای دوسطحی و چند سطحی
در اینورتر دوسطحی، بازده کل سیستم تحت تلفات یکسو کننده در بارهای سبک است. در اینورتر چند سطح راندمان در بار کامل بهتر از اینورتر ۲ سطحی است. این به معنای جذب بهتر انرژی سیستم است. راندمان بهتر در توان نامی به معنای سینک کوچک‌تر و قابلیت اطمینان بهتر است.
در اینورتر دوسطحی شکل موج ولتاژ خروجی با استفاده از PWM با دو سطح ولتاژ تولید می‌شود. این باعث می‌شود ولتاژ و جریان خروجی به هم بخورد و THD ولتاژ ضعیف باشد. همچنین در اینورتر چند سطح ولتاژ و جریان خروجی سینوسی‌تر است و THD بهتر است.
کلیدهای ولتاژ پایین را می‌توان در اینورترهای چند سطحی استفاده کرد. این سوئیچ‌ها سریع‌تر، کوچک‌تر و ارزان‌تر از کلیدهای ولتاژ بالا هستند که در اینورترهای دوسطحی استفاده می‌شوند. وقتی کلیدها به صورت سری هستند، ولتاژهای بالاتری را تحمل می‌کنند.
اینورترهای چند سطحی شکل موج ولتاژ سینوسی بهتری را نسبت به اینورترهای ۲ سطحی ارائه می‌دهند، زیرا ولتاژ خروجی را می‌توان با استفاده از بیش از دو سطح ولتاژ تشکیل داد. این باعث می‌شود THD کمتر شود.
تلفات سوئیچینگ کاهش می‌یابد زیرا فرکانس سوئیچینگ می‌تواند کمتر از اینورتر ۲ سطحی باشد و همچنین سرعت سوئیچینگ با کلیدهای ولتاژ پایین نسبت به کلیدهای فشارقوی که معمولاً در اینورترهای ۲ سطحی موردنیاز هستند سریع‌تر است. تلفات رسانایی نیز به دلیل افت ولتاژ رو به جلو کم است. هنگامی که چندین سطح ولتاژ استفاده می‌شود، dv/dt ولتاژ خروجی کوچک‌تر است، بنابراین تنش در کابل‌ها و موتور کمتر می‌شود.