دانلود مقاله اینورترهای NPC بهبود یافته بدون مشکلات اتصال کوتاه
چکیده
مقدمه
II. اینورترهای سه سطحی با نقطه خنثی
III. اینورترهای گیره دار نقطه خنثی پیشنهادی
IV. عملکرد اینورتر سه سطحی NPC پیشنهادی
V. مقایسه اینورترهای پیشنهادی و معمولی
VI. نتایج تجربی
VII. نتیجه گیری
منابع
Abstract
I. Introduction
II. Three-Level Neutral Point Clamped Inverters
III. Proposed Neutral Point Clamped Inverters
IV. Operation of the Proposed Three-Level NPC Inverter
V. Comparison of the Proposed and Conventional Inverters
VI. Experimental Results
VII. Conclusion
References
چکیده
اینورتر سنتی با نقطه خنثی (NPC) دارای مشکل اتصال کوتاه است. خطر اتصال کوتاه را می توان با استفاده از زمان مرده در سیگنال های سوئیچینگ کاهش داد. با این حال، زمان مرده، ولتاژ خروجی قابل دستیابی را کاهش می دهد و باعث ایجاد اعوجاج در شکل موج می شود. برای غلبه بر مشکل اتصال کوتاه، اینورترهای NPC دو باک (DB-NPC) و NPC سلف تقسیم (SI-NPC) مورد بررسی قرار گرفته‌اند. با این حال، تنش ولتاژ دو دیود خارجی در اینورتر DB-NPC بیشتر است. از سوی دیگر، اینورتر SI-NPC با ایجاد نوک ولتاژ بزرگ در زمان مرگ مشکل دارد که می تواند دستگاه های نیمه هادی را از بین ببرد. علاوه بر این، اینورتر SI-NPC نمی تواند توان راکتیو را تامین کند. این مقاله خانواده ای از اینورترهای NPC متشکل از اینورترهای تک فاز، سه فاز و آبشاری را ارائه می دهد. اینورترهای پیشنهادی هیچ مشکل اتصال کوتاه و زمان مرده ندارند، بنابراین ولتاژ و جریان بالا ایجاد نمی شود. همچنین، زمان مرگ در سیگنال های سوئیچینگ را می توان به حداقل رساند. در نتیجه، بزرگی شکل موج خروجی را می توان افزایش داد، و کیفیت را می توان بهبود بخشید. بر خلاف اینورتر DB-NPC، تنش ولتاژ تمام نیمه هادی ها در اینورتر پیشنهادی کمتر است و برخلاف اینورتر SI-NPC، اینورتر پیشنهادی توان راکتیو را فراهم می کند. در این مقاله، اینورتر NPC سه سطحی پیشنهادی مورد تجزیه و تحلیل، طراحی و آزمایش قرار گرفته است. تنش ولتاژ دستگاه های نیمه هادی در اینورتر پیشنهادی نیمی از ولتاژ منبع است، در حالی که در اینورتر DB-NPC معمولی تنش ولتاژ دو دیود خارجی ولتاژ منبع است. علاوه بر مزایای ذکر شده، اینورتر آبشاری پیشنهادی تعداد کل سلف ها را کاهش می دهد. برای تایید تحلیل، شبیه سازی دقیق و نتایج تجربی اینورتر سه سطح پیشنهادی با ولتاژ ورودی 640 ولت، توان خروجی 1.2 کیلو وات و ولتاژ خروجی 220 Vrms ارائه شده است.
توجه! این متن ترجمه ماشینی بوده و توسط مترجمین ای ترجمه، ترجمه نشده است.
Abstract
The traditional neutral point clamped (NPC) inverter has short-circuit problem. The risk of short-circuit can be decreased by using dead-time in the switching signals. However, the dead-time decreases the achievable output voltage and causes distortion in the waveforms. To overcome the short-circuit problem, dual-buck NPC (DB-NPC) and split-inductor NPC (SI-NPC) inverters have been researched. However, the voltage stress of the two external diodes in the DB-NPC inverter is higher. On the other hand, the SI-NPC inverter has a problem of generating huge voltage spikes in the dead-time, which can destroy the semiconductor devices. In addition, the SI-NPC inverter cannot provide reactive power. This article presents a family of NPC inverters consisting of single-phase, three-phase, and cascaded inverters. The proposed inverters have no short-circuit and dead-time issues, therefore no high voltage and current spikes are caused. Also, the dead-time in the switching signals can be minimized. As a result, the magnitude of the output waveforms can be increased, and quality can be improved. Unlike the DB-NPC inverter, the voltage stress of all the semiconductor in the proposed inverter is lower, and unlike the SI-NPC inverter the proposed inverter provides reactive power. In this article, the proposed three-level NPC inverter is analyzed, designed, and tested. The voltage stress of the semiconductor devices in the proposed inverter is half of the source voltage, whereas in the conventional DB-NPC inverter the voltage stress of the two external diodes is the source voltage. In addition to the aforementioned benefits, the proposed cascaded inverter reduces the total number of inductors. To verify the analysis, detailed simulation, and experimental results of the proposed three-level inverter with input voltage 640 V, output power 1.2 kW, and output voltage 220 Vrms are provided.
Introduction
T HE traditional H-bridge inverter is shown in Fig. 1. The voltage stress on its switches is the input voltage Vdc. Therefore, the H-bridge inverter is well suitable for low-voltage applications. In high-voltage applications [1] such as HVdc transmission [2], large motor drive [3], locomotive [4], solid-state transformers [5], and reactive power compensation [6], the multilevel inverters are preferred. Flying capacitor [7], neutral point clamped (NPC) [8], and cascaded inverters [9], [10] are the famous multilevel inverter topologies.
The flying capacitor inverters synthesize output voltage by adding voltages of the flying and dc-link capacitors. The NPC inverters synthesize output voltage by adding voltages of the dc-link capacitors. The cascaded inverters synthesize output voltage by adding voltages of the series-connected H-bridge cells. The cascaded inverters are highly modular and can reach a higher output voltage [11]. Also, they can bypass faulty cells [12]. The multilevel inverters have the advantages of lower switch voltage stress, lower switching losses, smaller output filter, better output waveforms, and lower electromagnetic interference (EMI) noise issues.
The multilevel inverters are also getting popular in lowvoltage and low-power applications due to the possibility of obtaining lower common-mode voltage and higher efficiency over the H-bridge inverter. In [13], multilevel inverters have been discussed for the photovoltaic (PV) systems. In [14], a half-bridge three-level NPC inverter is compared with a halfbridge two-level inverter for PV applications. It is found in [14] that a lower leakage current and higher efficiency can be realized with the NPC inverter.
Conclusion
This article presented new types of single-phase, three-phase, and cascaded NPC inverters. The proposed inverters have no short-circuit risk. The dead-time in the switching signals can be reduced. As a result, the distortion in the output waveforms can be decreased, higher switching frequencies can be used for the passive components size reduction and maximum available output voltage gain can be reached. Unlike the conventional SI-NPC inverters, the proposed inverters do not generate high-voltage spikes in the dead-time and provide reactive power. Unlike the DB-NPC inverters, the voltage stress of all the external diodes in the proposed inverter is lower. The proposed cascaded inverter inherits all the features of the proposed three-level inverter. In addition, it reduces the number of inductors by sharing the inductors between the cascaded units.
A 1.2-kW hardware prototype was fabricated and tested with various loads at the input voltage 640 V, output voltage 110/220 Vrms, output power 1.2 kW, line-frequency 60 Hz, and switching frequency 30 kHz. The experimental results verified that the proposed inverter could generate good output waveforms, provide reactive power, works with dead and overlap-times, and obtains higher efficiency.