مبدل توان پایه فرضی نشان داده شده در شکل ۱-۳ اگرچه یک وسیله عملی نیست ولی وسیله آموزش مفیدی برای نمایش اصول تبدیل و کنترل توان الکتریکی است این وسیله یک شبکه دو دهانه شامل پنج کلید است. کلیدهای S1 و S2 اتصال مستقیم به ترتیب بین سرهای ورودی (تغذیه) یعنی I1 و I2 و سرهای خروجی (بار) یعنی O1 و O2 ایجاد می‌کند در حالی که کلیدهای S3 و S4 اتصال ضربدری بین سرهای ورودی و خروجی ایجاد می‌کند.

( اینجا فقط تکه ای از متن درج شده است. برای خرید متن کامل فایل پایان نامه با فرمت ورد می توانید به سایت feko.ir مراجعه نمایید و کلمه کلیدی مورد نظرتان را جستجو نمایید. )

منبع تغذیه که نوعاً یک منبع ولتاژ خواه dc، خواه ac است توان الکتریکی را از طریق مبدل به بار می‌رساند. بارهای واقعی معمولاً مؤلفه القای قابل توجهی دارند و بنابراین در ملاحظات بعدی باری از نوع مقاومتی ـ القایی (بار RL) در نظر گرفته می‌شود برای حفظ یک مسیر بسته برای جریان بار یک کلید S5 بین سرهای خروجی مبدل وصل می‌شود و هنگامی که کلید‌های S1 تا S4 باز باشند بسته می‌شود. فرض می‌شود که کلیدها به صورت لحظه‌ای و همزمان باز و بسته می‌شوند. بنابراین برای مبدل پایه تنها سه حالت زیر را می‌توان درنظر گرفت.
حالت (۰): کلیدهای S1 تا S4 باز بوده و کلید S5 بسته است، که در نتیجه سرهای خروجی اتصال کوتاه می‌شوند و مسیری برای جریان خروجی، در صورت وجود، ایجاد می‌شود. ولتاژ خروجی صفر است سرهای ورودی از سرهای خروجی مجزا هستند به گونه‌ای که جریان ورودی هم صفر است.
حالت (۱): کلیدهای S1 و S2 بسته و بقیه باز است ولتاژ خروجی با ولتاژ ورودی و جریان ورودی با جریان خروجی برابر است.
حالت (۲): کلیدهای S3 و S4 بسته به بقیه باز می‌باشند. حال ولتاژ و جریان خروجی، به ترتیب منفی ولتاژ و جریان ورودی‌اند.
حال با توجه به این مبدل پایه می‌توان تمامی حالات مبدلهای توان را پیاده سازی کرد و چون مدنظر ما در این بحث اینورترها است به طرح این موضوع بسنده می‌کنیم. اگر تولید ولتاژ ac موردنظر باشد و مبدل پایه از یک مبدل dc تغذیه شود بطوری که ولتاژ ورودی مانند شکل ۴-۱ باشد.
شکل ۱-۴٫ شکل موج ولتاژ ورودی dc
کلیدها برای هر نیم دوره فرکانس خروجی موردنظر حالتهای ۱ و ۲ با هم جابجا می‌شوند. به این ترتیب سرهای ورودی به طور متناوب، به طور مستقیم و ضربدری به سرهای خروجی وصل می‌شوند و شکل موج ac را اگرچه مطابق شکل ۱-۵ غیر سینوسی بدست می‌آورند. جریان خروجی از قسمتهایی با تابع افزایشی و با تابع کاهشی تشکیل شده است که خاص شرایط‌گذاری یک مدارRLدر معرض تحریک dc است در اینجا هم به علت تضعیف ناشی از اندوکتانس بار شکل موج جریان نسبت به شکل موج ولتاژ به سینوسی مطلوب نزدیک‌تر است. در عمل، تبدیل توان dc به ac بوسیله اینورترهای الکترونیک قدرت صورت می‌گیرد. در موردی که تشریح شد گفته می‌شود که اینورتر پایه در حالت موج مربعی کار می‌کند. واضح است که اگر قرار باشد ولتاژ ورودی یا خروجی ولتاژ ac سه فاز باشد شکل‌بندی مبدل‌توان پایه به صورت مناسبی گسترش می‌یابد.
شکل ۱-۵٫شکل موجهای ولتاژ و جریان خروجی در اینورتر پایه
به طور مشابه مبدلهای الکترونیک قدرت, شبکه‌ای از کلیدهای قدرت نیمرسانا هستند که دیودهای قدرت را نیز شامل می‌شوند. از عناصر دیگری مانند القاگرها. خازنها، فیوزها و مدارهای کمکی علاوه بر کلیدها, به منظورهای مختلف در مدارهای قدرت مبدلهای الکترونیک قدرت استفاده می‌شود با وجود این در اکثر این مبدلها اصول کار بنیادی همان است که در مورد مبدلهای پایه مطرح شد.
۱-۲-۱ مبدلهای dc به ac “inverter”
تبدیل dc به ac توسط اینورتر تحقق می‌یابد. اینورتر از یک منبع dc تغذیه می‌شود ولی ولتاژ و جریان خروجی ac مؤلفه‌های بزرگی با دامنه و فرکانس قابل تنظیم دارند. بسته به نوع منبع اینورترهای ولتاژ (IVSI) و اینورترهای جریان (ICSI)، مشخص می‌شوند علاوه بر یکسوکننده‌ها اینورترهای ولتاژ متداول‌ترین مبدلهای الکترونیک قدرت به شمار می‌روند. ولتاژ ورودی dc برای اینورتر ولتاژ از یک یکسوکننده معمولاً کنترل شونده دیویدی یا از دیگر منابع dc (مانند باطری و…) تأمین می‌شود.
اینورترها را می‌توان با هر تعداد فاز خروجی ساخت. در عمل اینورترهای تکفاز و سه فاز بیشتر به کار می‌روند. اخیراً ساخت موتورهای ac با بیشتر از سه فاز به منظور بالا بردن قابلیت اطمینان در بعضی کاربردهای خاص پیشنهاد شده است. چنین موتورهایی از اینورترهای چندفاز مناسب تغذیه می‌شوند.
امروزه تقریباً تنها از کلیدهای قدرت نیمرسانای تمام کنترل شونده عمدتاً IGBT (در اینورتر با توان متوسط) و GTO (در اینورترهای با توان بالا) استفاده می‌شود.
کلیدهای هر ساق اینورتر نباید همزمان روشن باشد چون باعث اتصال کوتاه شدن منبع می‌شود. این حالت اتصال کوتاه ساق نامیده می‌شود.
کلیدهای نیمرسانا حتی کلیدهای سریع برای رفتن از یک حالت هدایت به حالت دیگر به زمان های گذاری معینی نیاز دارند بنابراین در عمل برای اجتناب از اتصال کوتاه ساق هر کلید کمی قبل از روشن شدن کلید دیگر همان ساق خاموش می‌شود بازه زمانی میان سیگنالهای خاموش و روشن کلیدها ، زمان تهی یا زمان مرده نامیده می‌شود.
وقتی که جهت جریان خروجی، io به گونه‌ای است که نمی‌تواند در کلیدی که روشن شده است جریان یابد دیود آزاد چرخ موازی ، با کلید یک مسیر بسته برای جریان فراهم می‌کند.
اگر بار کاملاً مقاومتی باشد وجود دیود آزاد چرخ لزومی ندارد اما در غیراینصورت قطع جریان در اندوکتانس بار باعث اضافه ولتاژهای خطرناک می‌شود.
گفته می‌شود که دیودهای آزاد چرخ جریان راکتیو یعنی مؤلفه‌ای از جریان خروجی را که نود درجه نسبت به مولفه اصلی ولتاژ خروجی تأخیر دارد هدایت می‌کند.
۲٫۲٫۱ هارمونیک ها در سیستم های الکتریکی
یکی از بزرگترین مشکلاتی کیفیت توان وجود مشخصه های هارمونیکی در سیستم های الکتریکی است. به طور کلی هارمونیک ها به دو دسته تقسیم می شوند:

1. 1. هارمونیک های ولتاژ

1. 1. هارمونیک های جریان

هارمونیک های جریان معمولا” به دلیل وجود هارمونیک در منبع ولتاژ تولید می شوند و به نوع بار که خازنی مقاومتی و یا سلفی است بستگی دارند. هر دو نوع هارمونیک به وسیله ی منبع یا بار تولید می شوند. هارمونیک هایی که به وسیله ی بار تولید می شوند به دلیل وجود رفتارهای غیرخطی تجهیزات هستند که شامل مبدل های توان ، ابزارهای تفکیک نور دشارژ گازی و… می باشد.
اکثر بارهای عملی دارای اندوکتانس اند. از آنجایی که چنین باری یک فیلتر پایین گذر تشکیل می دهد هارمونیک های مرتبه ی بالای ولتاژ خروجی مبدل ، نسبت به هارمونیک های مرتبه ی پایین اثر کمتری بر روی جریان خروجی می گذارند. بنابراین ، کیفیت جریان به شدت به دامنه های هارمونیک های مرتبه ی پایین در طیف فرکانسی ولتاژ خروجی بستگی دارد. از طرف دیگر هارمونیک های منبع اساسا” به وسیله ی منبع تغذیه با شکل موج ولتاژ غیرسینوسی تولید می شود. هارمونیک های ولتاژ و جریان منبع باعث ایجاد اتلاف های توان و تداخل الکترومغناطیسی می شوند. هر شکل موج متناوب را می توان به صورت یک مؤلفه ی اصلی و تعداد نامتناهی از هارمونیک ها نشان داد. این هارمونیک ها را با بهره گرفتن از سری فوریه بدست می آوریم. اعوجاج هارمونیکی کل (THD) برحسب دامنه ی هارمونیک ها(H_n) در فرکانس nω_۰ تعریف می شود. ω_۰فرکانس مؤلفه ی اصلی با دامنه ی H₁ است. N عدد صحیح است و THD با فرمول زیر بیان می شود.
(۱٫۱)
۳٫۲٫۱ اینورتر منبع ولتاژ دو سطحی و سه سطحی
اینورترهای کلیددار dc به ac در منابع توان ac وگرداننده های موتور های ac به منظور تولید یک خروجی ac سینوسی با دامنه و فرکانس قابل تنظیم ، استفاده می شوند. در واقع ما یک اینورتر را در سیستم های ac تکفاز و سه فاز استفاده می کنیم. بسته به نوع منبع ، اینورترهای ولتاژ (VSI) و اینورترهای جریان (CSI) مشخص می شوند . یک پل نیمه^[۱] ساده ترین ساختار است که برای تولید یک شکل موج مربعی دو سطحی استفاده می شود. در این ترکیب به یک منبع تولید ولتاژ با سر وسط نیاز داریم و می توانیم آن را با بهره گرفتن از یک منبع ساده که با دو خازن کاملا” همسان که به طور سری به هم متصل شده اند نیز ایجاد کنیم. یک اینورتر پل نیمه تکفاز در شکل ۶٫۱ نشان داده شده است:

شکل ۶٫۱ ساختار پل نیمه
در اینورتر پل نیمه تکفاز فقط به دو سوییچ نیاز داریم. برای جلوگیری از اتصال کوتاه شدن منبع دو سوییچ نباید همزمان روشن شوند. S₁ روشن و S₂ خاموش است تا ولتاژ دو سر بار (V_AO) برابر +V_s/2 شود. برای کامل شدن یک سیکل S₁ خاموش و S₂ روشن می شوند و ولتاژ V_AO برابرV_s/2 می شود. وقتی ترانزیستور خاموش است ولتاژ معکوس روی آن V_S است.
ولتاژ لحظه ای خروجی توسط سری فوریه به صورت زیر بیان می شود.
(۲٫۱)
مقدارمؤثر ولتاژ خروجی از رابطه زیر بدست می آید.
(۳٫۱)
شکل موج خروجی پل نیمه اینورتر ولتاژ تکفاز در شکل ۷٫۱ نشان داده شده است.

شکل ۷٫۱ شکل موج خروجی پل نیمه
ساختار پل^[۲] برای ایجاد یک شکل موج خروجی مربعی سه سطحی بکار می رود. که در شکل ۸٫۱ نشان داده شده است.

شکل ۸٫۱ ساختار پل
در پل روشن شدن S₁ و S₄ و هم چنین خاموش شدن S₂ و S₃ ولتاژ را در دو سر بار ایجاد می کند و وقتی S₁ و S₄ خاموش شوند و S₂ و S₃ روشن شوند ولتاژ V_AB برابر می شود .
برای تولید ولتاژ صفر در پل باید S₁ و S₂ روشن و S₃ و S₄ خاموش باشد و یا برعکس. سه حالت ممکن که در بالا بحث شد در جدول ۱٫۱ نشان داده شده است.