اینورتر چند سطحی چیست؟ مزایا و کاربرد‌ها

اینورتر‌های چند سطحی یکی از موضوعات نوظهور در اتوماسیون صنعتی است که ویژگی‌های سودمند زیادی را برای کاربرد‌هایی با توان خروجی بالا و متوسط ارائه می‌دهد. در این مقاله از پینیون می‌خواهیم به این سوال پاسخ دهیم که اینورتر چند سطحی چیست و چه نیاز‌هایی را برطرف می‌کند؟

اینورتر چند سطحی چیست؟

اینورتر‌های چندسطحی یا Multilevel Inverters یک ساختار مدرن از اینورتر‌های معمولی است که متشکل از منابع و کلید‌های DC بوده و برای کاربرد‌های توان بالا در صنایع به کار می‌رود. این اینورتر می‌تواند ولتاژ AC را که به موج سینوسی نزدیکتر است، سنتز کند و به این ترتیب اعوجاج هارمونیک کمتر و حداقل تلفات به وجود خواهد آمد. بر این اساس می‌توان در پاسخ به سوال اینورتر چند سطحی چیست؟ گفت که یک سیستم الکترونیک قدرت است که ولتاژ خروجی را از چندین ولتاژ ورودی DC به دست می‌آورد؛ به این ترتیب می‌تواند ولتاژ خروجی بالایی را ایجاد کند که میانگینی از چندین منبع ولتاژ است.

این صفحه را هم ببینید: خرید انواع اینورتر صنعتی

تفاوت اینورتر معمولی و اینورتر چند سطحی چیست؟

سوال اصلی اینجا است که چرا باید از اینورتر چند سطحی به جای اینورتر‌های معمولی استفاده کنیم؟ اینورتر معمولی تنها دو سطح ولتاژ V+ و V- را ارائه می‌دهد و در فرکانس سوئیچینگ بالا کار می‌کند؛ این موضوع می‌تواند منجر به ایجاد تلفات سوئیچینگ بسیار زیاد شده و محدودیت‌های کاربرد در توان‌های بالا را ایجاد کند. از سوی دیگر اینورتر‌های معمولی با اعوجاج‌های هارمونیک هم مواجه هستند که به دلیل آن، دچار استرس زیاد و تداخل‌های الکترومغناطیسی می‌شوند.

به دلیل این مشکلات، اتصال کلید‌های الکترونیکی قدرت به طور مستقیم به شبکه‌های فشار قوی و متوسط دشوار است. با توجه به این مشکلات، اینورتر‌های چند سطحی به یک حوزه جالب در موضوعات صنعتی برای کاربرد‌های توان بالا و متوسط تبدیل شده اند. به عبارت بهتر تمام موانعی که اینورتر‌های معمولی دارند، با استفاده از ویژگی‌های جذاب اینورتر چند سطحی قابل برطرف شدن هستند. در جدول زیر اینورتر معمولی و چند سطحی را با هم مقایسه کرده ایم.

مزایای اینورتر چند سطحی چیست؟

از مهمترین مزایای استفاده از اینورتر چند سطحی می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

• کاهش اعوجاج هارمونیک
• دستیابی به سطح ولتاژ بالاتر
• بهبود شکل موج مربعی و نزدیکی بیشتر به امواج سینوسی
• کاهش تلفات سوئیچینگ
• فرکانس سوئیچینگ بالای PWM
• کیفیت توان بالاتر
• سازگاری الکترومغناطیسی بهتر
• امکان افزایش رتبه قدرت

انواع اینورتر چند سطحی

یکی از سوالات مهم این است که انواع اینورتر چند سطحی چیست و چه ویژگی‌هایی دارند؟ به طور عمده سه نوع اینورتر چند سطحی وجود دارد که عبارتند از:

• اینورتر چند سطحی گیره دار دیودی (DCMLI) یا اینورتر چند سطحی با نقطه خنثی (NPC)

اینورتر چند سطحی DCMLI یا Diode Clamp از دیود برای به دست آوردن سطوح مختلف ولتاژ استفاده می‌شود که به صورت سری به بانک خازن متصل شده است. هدف اصلی دیود در این ساختار، محدود کردن تنش ولتاژ در دستگاه‌های الکترونیک با قدرت ولتاژ در مدار‌ها است. در این نوع اینورتر‌ها، حداکثر ولتاژ خروجی می‌تواند برابر با نیمی‌ از ولتاژ ورودی DC باشد. اشکال اصلی این مدل از اینورتر‌های چند سطحی هم همین است که باعث شده برای مبدل‌های پرقدرت چندان مناسب نباشد. البته برای افزایش سطح می‌توان از دیود‌ها، خازن‌ها و سوئیچ‌های بیشتر استفاده کرد؛ اما این کار باعث پیچیدگی مدار شده و مشکلات بالانس خازن را در پی دارد.

• اینورتر چند سطحی خازن‌های پرنده (FCMLI)

اینورتر‌های چند سطحی FCMLI یا Flying Capacitor از یک خازن به جای دیود استفاده می‌کنند که ولتاژ را محدود کرده و تنش ولتاژ را در دستگاه‌های الکتریکی کنترل می‌کنند. در این نوع از اینورتر‌ها، تعداد خازن‌ها متناسب با سطوح اینورتر متفاوت است؛ برای مثال اینورتر‌های 3 سطحی دارای 3 خازن و اینورتر‌های 5 سطحی دارای 5 خازن هستند. با این حال باید بدانید که راه اندازی این نوع از اینورتر‌ها پیچیده بوده و راندمان سوئیچینگ پایینی هم دارند.

• اینورتر چند سطحی پل H آبشاری (CHB-MLI)

اینورتر‌های چند سطحی CHB-MLI یا Cascaded به هیچ خازن متعادل کننده یا دیودی نیاز ندارند و به همین دلیل بسیار رایجتر هستند. این نوع از اینورتر‌ها سه سطح مختلف ولتاژ صفر، DC مثبت و DC منفی را ارائه می‌دهند که به صورت ستاره مثلث به هم متصل خواهند شد. همچنین این محصولات هارمونیک کمتر را با فرکانس سوئیچینگ بیشتر ایجاد می‌کنند. از این نوع اینورتر‌ها می‌توان در ارتباط با منابع تجدیدپذیر، زیست توده، فتوولتائیک و … هم استفاده کرد.

روش‌های مدولاسیون اینورتر چند سطحی چیست؟

به دلیل اینکه ساختار اینورتر‌های چند سطحی در مقایسه با اینورتر‌های معمولی پیچیده‌تر است، الگوریتم‌های مدولاسیون مختلفی هم در این دستگاه‌ها استفاده می‌شود. این الگوریتم‌ها با توجه به میانگین فرکانس سوئیچینگ تقسیم بندی می‌شوند و عبارتند از:

• مدولاسیون تغییر فاز عرض پالس
• مدولاسیون اغییر سطح عرض پالس
• مدولاسیون هیبریدی عرض پالس
• مدولاسیون برداری فضا

سخن پایانی

اینورتر چند سطحی یکی از مفاهیم جدید در دنیای اتوماسیون صنعتی است که برای کاربرد‌های توان بالا و متوسط استفاده می‌شود. در این مقاله به این سوال پاسخ دادیم که اینورتر چند سطحی چیست و ویژگی‌های آن را بررسی کردیم. همچنین انواع آن را معرفی کرده و گفتیم که این محصول چه تفاوت‌هایی با اینورتر معمولی دارد.

سوالات متداول

• مهمترین ویژگی‌های اینورتر چند سطحی چیست؟

امکان اصلاح تغییرات بزرگ ولتاژ، تولید جریان ورودی دقیق، کار با فرکانس سوئیچینگ کم و تغییرات بسیار کم در ولتاژ

• مهمترین کاربرد‌های اینورتر چند سطحی چیست؟

از انواع اینورتر چند سطحی در سیستم‌های انتقال قدرت، کانوایر‌ها و سیستم‌های حمل و نقل استفاده می‌شود.

• معایب اینورتر چند سطحی چیست؟

اینورتر‌های چند سطحی دارای ساختار پیچیده ای هستند و نیاز به منابع ورودی بیشتری دارند.