Ανάλυση και σχεδίαση μιας νέας τοπολογίας υβριδικού αντιστροφέα πολλαπλών επιπέδων με πηγή τάσης
Authors: Περαντζάκης Γεώργιος 
Published: August 2021

Ο σκοπός της Διδακτορικής Διατριβής ήταν η σχεδίαση και η μελέτη μιας νέας τοπολογίας αντιστροφέα πολλαπλών επιπέδων τάσης με πηγή συνεχούς ρεύματος, ο οποίος είναι κατάλληλος για εφαρμογές μετατροπής ηλεκτρικής ισχύος υψηλής τάσης και μεγάλης ισχύος. Αρχικά, στα τρία πρώτα κεφάλαια παρουσιάστηκαν αναλυτικά οι επικρατέστερες τοπολογίες αντιστροφέων πολλαπλών επιπέδων τάσης και προσομοιώθηκε η λειτουργία τους με την τεχνική της ημιτονοειδούς διαμόρφωσης εύρους παλμών. Από την ανάλυση, προέκυψαν τεχνικά χαρακτηριστικά όπως, το πλάτος της θεμελιώδους αρμονικής, το συνολικό περιεχόμενο αρμονικών, το πλάτος και η συχνότητα της επικρατούσας ανώτερης αρμονικής, καθώς και η κατανομή των αρμονικών γύρω από τις διακοπτικές συχνότητες, τα οποία είναι χρήσιμα τόσο για την κατανόηση και αξιολόγηση της λειτουργικής συμπεριφοράς των αντιστροφέων αυτών όσο και για τον υπολογισμό των φίλτρων καταστολής ανώτερων αρμονικών, όταν αυτό κρίνεται αναγκαίο. Στο τέταρτο κεφάλαιο παρουσιάστηκε και αναλύθηκε η τοπολογία του προτεινόμενου υβριδικού αντιστροφέα. Με τον προτεινόμενο αντιστροφέα επιτυγχάνεται πιο ομοιόμορφη κατανομή απωλειών ισχύος μεταξύ των ημιαγωγών στοιχείων από ότι συμβαίνει με τον αντίστοιχο συμβατικό αντιστροφέα με διόδους περιορισμού. Κατ’ αυτόν τον τρόπο, εξασφαλίζεται καλύτερη αξιοποίηση και μεγαλύτερη διάρκεια ζωής των ημιαγωγών στοιχείων, ιδιαίτερα σε εφαρμογές μεγάλης ισχύος. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι σε αντίθεση με το συμβατικό αντιστροφέα, ο προτεινόμενος αντιστροφέας διαθέτει περισσότερες από μία εναλλακτικές διακοπτικές στρατηγικές για την υλοποίηση των ενδιάμεσων επιπέδων τάσης. Επιπλέον, ο προτεινόμενος αντιστροφέας είναι αποδοτικότερος για φορτία υψηλής ισχύος με υψηλό συντελεστή ισχύος και υψηλό συντελεστή διαμόρφωσης, αφού για αυτή την περιοχή λειτουργίας εμφανίζει έως και 30% χαμηλότερες απώλειες ισχύος συγκριτικά με τον αντίστοιχο συμβατικό αντιστροφέα. Παρουσιάστηκε θεωρητική μέθοδος υπολογισμού των απωλειών ισχύος των ημιαγωγών στοιχείων του υβριδικού αντιστροφέα, η καταλληλότητα της οποίας επιβεβαιώθηκε με αποτελέσματα προσομοίωσης. Η τεχνική αυτή μπορεί να εφαρμοστεί σε αντιστροφείς πολλαπλών επιπέδων με πηγή τάσης με περισσότερα από τέσσερα επίπεδα τάσης. Προτάθηκε αλγόριθμος υλοποίησης της τεχνικής διαμόρφωσης εύρους παλμών με βάση τα διακριτά διανύσματα τάσης του αντιστροφέα, ο οποίος απαιτεί μικρό υπολογιστικό φόρτο για τον υπολογισμό των βαθμών χρησιμοποίησης των διανυσμάτων τάσης, η εφαρμογή του οποίου μπορεί να επεκταθεί σε αντιστροφείς με περισσότερα από τέσσερα επίπεδα τάσης. Η καταλληλότητα του αλγορίθμου επιβεβαιώθηκε με αποτελέσματα προσομοίωσης για όλες τις περιοχές γραμμικής λειτουργίας του αντιστροφέα εντός του εξαγώνου. Προτάθηκαν πρωτότυπες τεχνικές για τη σταθεροποίηση των τάσεων των πυκνωτών του ζυγού ΣΡ του προτεινόμενου αντιστροφέα, υπό οποιοσδήποτε συνθήκες φορτίου. Για τη σταθεροποίηση των τάσεων του αντιστροφέα σε τριφασική λειτουργία, αναπτύχθηκε κατάλληλος αλγόριθμος διαμόρφωσης με βάση τα φανταστικά διανύσματα τάσης του αντιστροφέα. Για μονοφασική λειτουργία του αντιστροφέα, σχεδιάστηκε πρωτότυπη διάταξη σταθεροποίησης, αποτελούμενη από βοηθητικούς ημιαγωγούς και πυκνωτές. Η αποτελεσματικότητα των προτεινόμενων μεθόδων σταθεροποίησης επιβεβαιώθηκε με αποτελέσματα προσομοίωσης. Οι τεχνικές αυτές μπορούν να εφαρμοστούν και στον αντίστοιχο συμβατικό αντιστροφέα, ο οποίος εμφανίζει βασική αδυναμία σταθεροποίησης των τάσεων των πυκνωτών, ιδιαίτερα για φορτία με υψηλό συντελεστή ισχύος. Τέλος, οι κυματομορφές εξόδου του προτεινόμενου αντιστροφέα που ελήφθησαν με προσομοίωση επιβεβαιώθηκαν και με πειραματικά αποτελέσματα. Στο πέμπτο κεφάλαιο παρουσιάστηκε πρωτότυπη τεχνική προβλεπτικού ελέγχου ρεύματος, η οποία μπορεί να εφαρμοστεί σε οποιοδήποτε αντιστροφέα πολλαπλών επιπέδων με πηγή τάσης, συμπεριλαμβανομένου και του προτεινόμενου υβριδικού αντιστροφέα. Με την προτεινόμενη τεχνική ελέγχου επιτυγχάνεται ταχύτατη δυναμική απόκριση στις μεταβολές του ρεύματος αναφοράς, πλήρης αποσύζευξη των συνιστωσών ρεύματος φορτίου και μεγάλη ακρίβεια προσέγγισης ρεύματος φορτίου και ρεύματος αναφοράς. Η αποτελεσματικότητα της προτεινόμενης τεχνικής ελέγχου επιβεβαιώθηκε με πειραματικά αποτελέσματα, τα οποία συγκλίνουν με τα αποτελέσματα προσομοίωσης.