عنوان طرح: اينورتر چند سطحي پل متوالي با قابليت تضعيف هارمونيك هاي معين تا مرتبه 40 ام زمينه فني: برق(الكترونيك و قدرت)، سلول هاي خورشيدي اينورترهاي چند سطحي نسل جديدي از اينورتهاي قدرت مي¬باشند كه براي كاربردهاي توان بالا بسيار مناسب مي¬باشند. اين اينورترها مي¬توانند در صنايعي مانند فولاد، سيمان، چوب و كاغذ، نيروگاه ها و معادن براي درايو موتورهاي AC توان بالا استفاده شوند. همچنين اين اينورترها به عنوان مبدل DC به AC براي انتقال توان توليدي سلول هاي خورشيدي(فتوولتائيك) به شبكه قدرت مورد استفاده قرار مي گيرند. اين اينورترها داراي مزايايي مانند بازده بالا، كاهش استرس ولتاژ و جريان وارد بر بارهاي الكتريكي، كاهش نويز الكترومعناطيسي و همينطور ايجاد قابليت كار در سطوح ولتاژ بالا را مهيا مي¬سارند. در دهه هاي اخير كه جهان با افزايش هزينه هاي ناشي از توليد انرژي مواجه مي باشد، ساخت سيستم¬ها و تجهيزات با بازده بالا در اولويت قرار دارد. در اين اختراع الگوريتم كليدزني فركانس پاييني (با فركانس 150 هرتز) براي اينورتر¬هاي چندسطحي پل متوالي معرفي مي¬شود كه قابليت تضعيف هارمونيك¬هاي ولتاژ خروجي را تا هارمونيك 40 ام دارد. با بكارگيري اين الگوريتم، ضمن دستيابي به اعوجاج كل كمتر از 3 درصد مي¬توان به بازده بيش از 98 درصد در اينورتهاي توان بالا رسيد. اين الگوريتم براي مبدل 7-سطحي پل متوالي پياده¬سازي شده است و زواياي كليدزني در محدوده وسيعي از انديس¬هاي مدولاسيون محاسبه و درجدولي جهت بكارگيري در بخش كنترل ذخيره¬ شده¬اند.

نياز روز افزون به انرژي در كنار محدود بودن منابع انرژي‌ حاصل از سوخت‌هاي فسيلي بشر را در سراسر جهان به جايگزيني اين منابع با منابع تجديدپذير ترغيب نموده است. انرژي خورشيدي به عنوان جايگزيني مطمئن و ارزان توجه بسيار زيادي را به خود جلب كرده است. بزرگترين چالش بر سر راه استفاده از سيستم‌هاي فتوولتائيك مشخصه جريان-ولتاژ غير خطي سلول است كه تنها يك نقطه توان بيشينه را بدست مي‌دهد، اين مسئله با وابستگي مشخصه‌هاي سلول خورشيدي به دما و تابش پيچيده‌تر نيز مي‌شود. با در نظر گرفتن هزينه بالاي اوليه منبع فتوولتائيك و بازده تبديل انرژي پايين، اين الزام بوجود مي‌آيد تا منبع فتوولتائيك حتماً در نقطه توان بيشينه كار كند. اما، رخداد پديده سايه جزئي ديگر مشكلي مي‌باشد كه مبدل‌هاي قبلي در مقالات و اختراعات موجود قادر به حل آن نيستند، چرا كه در اين حالت منحني توان-ولتاژ داراي چند قله مي‌شود و مبدل‌هاي معمول و مرسوم قادر به تشخيص سايه جزئي نيستند و نمي‌توانند نقطه توان بيشينه اصلي را پيدا كنند، از اين رو مقدار قابل توجهي از توان از هدر مي‌رود. مبدل اختراعي بر اين مشكل فائق آمده است و مي‌تواند شرايط تابشي اعم از شرايط تابشي يكنواخت و سايه جزئي را تشخيص داده و نقطه توان بيشينه را با سرعت و دقت بالا رديابي كند. اساس مبدل اختراع شده اين است كه با استفاده از نامساوي تحليلي ارائه شده مبتني بر منحني جريان-ولتاژ آرايه فتوولتائيك قادر به تشخيص شرايط تابشي تنها با دو نمونه‌گيري مي‌تواند مي‌باشد. اين مسئله منجر شده است كه مبدل اختراعي روشي بسيار سريع در مقايسه با مبدل‌هاي قبلي باشد و بازدهي بالاتري را نسبت به مبدل‌هاي معمول مانند مبدل مبتني بر روش اغتشاش و مشاهده ارائه كند. اين مبدل در تمام نيروگاه¬هاي خورشيدي مستقل از نوع سلول و سطح توان نيروگاه كاربرد داشته و به خصوص در شرايط جوي متغير مانند تغييرات تابش و دما و رخداد پديده سايه جزئي و در كاربرد¬هاي متحرك مانند ماشين¬هاي خورشيدي موجب افزايش بيشتر بازدهي سيستم خورشيدي مي‌شود.

علي‌رغم اينكه اينورتر چندسطحي پل متوالي گزينه مناسبي براي كابردهاي فتوولتائيك است (به دليل دارا بودن باس‌هاي dc مجزا)، اما مسائل فني آن به طور كامل حل نشده است. يكي از مهم‌ترين چالش ها مربوط به حاشيه پايداري كم اينورتر در شرايط تابشي نامتقارن است. در اين اختراع، بر اساس روابط رياضي كه براي حاشيه پايداري اينورتر استخراج ميشود، مدار كنترلي جديدي طراحي و پياده سازي ميشود كه ضمن رديابي نقطه حداكثر توان آرايه‌هاي خورشيدي در حالت متقارن، پايداري اينورتر را در شرايط نامتقارن و بسيار ناهمگون تضمين ميكند. در اين روش، از ضريب مدولاسيون پل ها به عنوان يك درجه آزادي استفاده شده و با جا‌به‌جايي نقطه كار ماژول‌هاي پر توان در شرايط شديدا نامتقارن، تزريق توان با اعوجاج كم و پايدار به شبكه ادامه مي‌يابد. در صورت عدم استفاده از روش پيشنهادي، اينورتر خورشيدي بايد در شرايط ناهمگون از شبكه جدا شده و تزريق توان متوقف شود. اين بمعني كاهش بازده و از دست دادن بخشي از ظرفيت قابل بهره برداري اينورتر است. صحت ايده و مدار پيشنهادي بر روي اينورتر 7-سطحي پل متوالي (اينورتر متصل به شبكه 230 ولت با توان نامي 1/7 كيلووات) كه براي اين منظور ساخته شده است، تست شده است.

يكي از مهم‌ترين چالش‌هاي موجود در ريز شبكه‌هاي دوقطبي ولتاژ مستقيم، نياز به متعادل ساز ولتاژ مركزي است كه وظيفه آن متعادل نمودن ولتاژ دو ترمينال خروجي در ريزشبكه‌ي دوقطبي است. در اين اختراع، با ارائه يك مبدل دوقطبي دوطرفه جديد، كنترل ولتاژ دو ترمينال ريزشبكه‌ي دوقطبي و انتقال انرژي بين دو ترمينال ريزشبكه‌ و منبع ورودي، انجام خواهد شد. عمل متعادل‌سازي ولتاژ مي‌تواند به‌صورت توزيع‌شده انجام شود، كه در اين حالت مبدل پيشنهادي، ذخيره‌سازهاي انرژي را به ريزشبكه متصل مي‌كند. در هركدام از ترمينال‌هاي ريزشبكه‌ي دوقطبي، امكان مصرف و يا توليد انرژي وجود دارد كه با توجه به وضعيت هر ترمينال، تبادل انرژي بين منبع ورودي و ريزشبكه‌ي ولتاژ مستقيم متفاوت خواهد بود. زماني كه هر دو ترمينال ريزشبكه مصرف انرژي داشته باشند، منبع ورودي انرژي مصرفي دو ترمينال ريزشبكه را تأمين مي‌كند. در حالت‌هايي كه توليد انرژي در يك ترمينال ريزشبكه كمتر از مصرف انرژي در ترمينال ديگر باشد، مبدل پيشنهادي بخشي از انرژي مصرفي در يك ترمينال را با انتقال انرژي از ترمينالي كه توليد انرژي دارد، تأمين مي‌كند و بقيه انرژي از منبع ورودي تأمين مي‌شود كه اين نوع عملكرد باعث مي‌شود تا از منبع ورودي انرژي كمتري نسبت به حالت قبل دريافت شود. همچنين هنگامي‌كه هر دو ترمينال ريزشبكه توليد انرژي داشته باشند و يا توليد انرژي در يكي از ترمينال‌هاي ريزشبكه‌ي بيشتر از مصرف انرژي در ترمينال ديگر باشد، انرژي توليدي از ريزشبكه ولتاژ مستقيم به منبع ورودي منتقل مي‌شود.

يكي از چالشهاي مهم در اينورترهاي فتوولتاييك رخداد كليدزني سخت در آنهاست. در اين اختراع با استفاده از پيوند ac فركانس بالا به جاي پيوند dc متداول، كليدزني نرم در سوييچ هاي قدرت ايجاد ميشود. با ايجاد شرايط كليدزني نرم ميتوان فركانس كليدزني را بالا برد و سايز فيلتر خروجي را كوچك تر نمود. ضمنا چگالي توان اينورتر بيشتر شده و كيفيت شكل موج جريان بهبود مي يابد. همچنين آرايش معرفي شده داراي قابليتي است كه در صورت زمين شدن استاركچر صفحات خورشيدي، اجازه برقرار شدن جريان هاي مد مشترك را نمي دهد. به منظور دسترسي به توان بيشينه صفحات خورشيدي در شرايط مختلف تابشي، الگوريتم رديابي ابداع شده است كه متفاوت از الگوريتم هاي قبلي جستجوي نقطه توان بيشينه است.

رشد روزافرون توليد و مصرف برق و افزايش تعداد انشعابها در سيستم قدرت، موجب شده كه سطح جريان اتصال كوتاه در بعضي از نقاط شبكه افزايش يابد كه در صورت عدم اصلاح ساختار شبكه باعث خسارات شديدي در سيستم قدرت ميشود. بنابراين به تجهيزاتي نياز است تا سطح جريان اتصال كوتاه را در اين نقاط به مقادير مطلوب برساند. از سوي ديگر مسئله كنترل سيلان توان و استفاده بهتر از خطوط انتقال از اهميت به سزايي برخوردار است. كنترل كننده توان ميان فاز (IPC) يكي از اعضاي جديد خانواده ادوات FACTS است كه داراي قابليتهايي از جمله كاهش سطح جريان اتصال كوتاه، كنترل سيلان توان و همچنين مجزا سازي دو شبكه را دارا ميباشد. در اين طرح يك نمونه IPC ، كه در ساختارش از مبدلهاي چند سطحي منبع ولتاژي با باس DC مشترك مورد استفاده قرار گرفته، طراحي شده است. ساختار طراحي شده به خوبي سيلان توان را در خط انتقال با ديناميك مناسب كنترل ميكند. همچنين يك نمونه تكفاز در مقياس آزمايشگاهي بر اساس مبدلهاي پل H متوالي كه داراي لينكهاي DC مشترك ميباشند ساخته شده است.

مهمترين چالش پيش‌رو در مبدلهاي ولتاژ بالا، محدود بودن حداكثر ولتاژ خاموشي قابل تحمل در كليدهاي نيمه هادي است. راه حل پيشنهادي به منظور برطرف نمودن مشكل مذكور، سري كردن كليدهاي نيمه‌هادي است. علاوه بر مبدل‌هاي ولتاژ بالا، در مبدلهاي ولتاژ پايينتر ولي با فركانس كاري بالا نيز ميتوان از سري سازي كليدهاي نيمه هادي براي دستيابي به فركانس كليدزني مطلوب بهره برد. مهمترين چالش پيشرو براي سري سازي كليدها، تقسيم متعادل ولتاژ روي كليدها در زمان خاموش بودن كليدها و همچنين در بازه ي زماني روش و خاموش شدن آنها است. در صورتي كه ولتاژ كلي به صورت مساوي ميان كليدها تقسيم نشود، كليدها سريعاً آسيب ديده و عملكرد مبدل مختل مي‌شود. هدف اصلي از اين اختراع، معرفي و ساخت يك مدار تحريك كننده‌ي گيت براي يك مجموعه كليدهاي نيمه‌هادي سري‌شده است. وظيفه‌ي اين مدار، علاوه بر تحريك پايه‌ي گيت كليدها، فراهم آوردن ساز و كاري براي تقسيم متعادل ولتاژ ميان كليدهاي سري‌شده به صورت استاتيكي و ديناميكي است. به عبارت ديگر هدف از اين اختراع، ساخت يك كليد ولتاژ بالا با استفاده از سري كردن كليدهايي با ولتاژ پايين‌تر است. از مهم‌ترين ويژگي‌هاي اين اختراع مي‌توان به سادگي، قابليت اطمينان بالا، قيمت پايين، تلفات توان قابل قبول و قابليت سري‌سازي تعداد مطلوبي كليد اشاره كرد. در مدار پيشنهادي با استفاده از يك درايور گيت عمل كليدزني انجام مي‌شود. اين امر سبب مي‌شود بخشي از عوامل توليد المان‌هاي پارازيتي كه عامل ايجاد عدم تعادل ولتاژي كليدها است، وجود نداشته باشد. همچنين متعادل‌سازي استاتيكي و ديناميكي ولتاژ كليدهاي سري‌شده توسط مدار پيشنهادي تضمين مي‌شود.

ﻧﻴﺎز ﺑﻪ ﺳﻴﺴﺘﻢﻫﺎي اﻧﺘﻘﺎل ac اﻧﻌﻄﺎفﭘﺬﻳﺮ ﺑﺎ ﻫﺪف ارﺗﻘﺎي ﻛﻴﻔﻴﺖ ﺗﻮان و ﺑﺮآوردن اﺳﺘﺎﻧﺪاردﻫﺎي ﺟﺪﻳﺪي ﻛﻪ ﻗﻮاﻧﻴﻦ ﺳﺨﺖ ﮔﻴﺮاﻧﻪﺗﺮي ﺑﺮاي ﭘﺎراﻣﺘﺮﻫﺎي ﻛﻴﻔﻴﺖ ﺗﻮان وﺿﻊ ﻛﺮده اﻧﺪ؛ در ﺣﺎل اﻓﺰاﻳﺶ اﺳﺖ. در ﻣﻴﺎن ﺳﻴﺴﺘﻢ ﻫﺎي اﻧﺘﻘﺎل ac اﻧﻌﻄﺎفﭘﺬﻳﺮ، ﺟﺒﺮاﻧﺴﺎزﻫﺎي ﻣﻮازي در ﻃﻴﻒ وﺳﻴﻌﻲ از ﻛﺎرﺑﺮدﻫﺎ، ﺷﺎﻣﻞ ﺗﺰرﻳﻖ ﺗﻮان راﻛﺘﻴﻮ، ﺑﻬﺒﻮد ﺗﻮان ﻗﺎﺑﻞ اﻧﺘﻘﺎل در ﺧﻄﻮط، ﺑﻬﺒﻮد ﭘﺮوﻓﺎﻳﻞ وﻟﺘﺎژ، ﺟﺒﺮاﻧﺴﺎزي ﺑﺎر ﻫﺎرﻣﻮﻧﻴﻜﻲ و ﺑﻬﺒﻮد ﭘﺎﻳﺪاري ﮔﺬرا ﻣﻮرد اﺳﺘﻔﺎده ﻗﺮار ﻣﻲﮔﻴﺮﻧﺪ. يكي از چالش‏هاي اصلي در ﺳﻴﺴﺘﻢ ﻫﺎي اﻧﺘﻘﺎل ac اﻧﻌﻄﺎفﭘﺬﻳﺮ، ساختار مبدلهاي الكترونيك قدرت مورد استفاده و هزينه ساخت آنها است، به نحوي كه جنبه اقتصادي آن نيز توجيه داشته باشد. در اين اختراع با ارائه يك ساختار هيبريدي جديد كه مبتني بر مبدل مهار ديودي تمام پل است ميتوان كيفيت توان مطلوب در كاربردهايي مانند جبرانساز ايستاي موازي را در كنار كاهش تعداد ادوات كليدزني و به تبع آن كاهش هزينه تمام شده مبدل، تامين نمود. مبدل چندسطحي ولتاژ مستقيم به متناوب هيبريدي مبتني بر مبدل مهارديودي تمام پل تركيب سري از مبدل پل سري H با مبدل مهارديودي تمام پل است.

محركه چندسطحي مدولار خازن شناور يكي از آخرين فناوري هاي محركه هاي الكتريكي توان بالا به شمار ميرود. براي استفاده از اين محركه در كاربردهاي سرعت پايين، ريپل ولتاژ خازن سلول ها براي پرهيز از قرار گرفتن اضافه ولتاژ بر روي كليدهاي قدرت بايد به كمك روش هاي كنترلي جبران سازي و محدود شود. جبران سازي ريپل ولتاژ خازن سلول ها با توليد جريان چرخشي فركانس بالا در ساق هاي مبدل انجام ميشود. روش هاي كنترلي پيشين اين محركه ريپل ولتاژ خازن سلول ها را به صورت كامل جبران سازي ميكنند. روش كنترل ابداعي قادر است تا با جبران سازي و محدود كردن ريپل ولتاژ خازن سلول ها متناسب با حداكثر ولتاژ مجاز اجزاي مبدل به جاي جبران سازي كامل، تلفات الكتريكي محركه را به شكل قابل توجهي كاهش دهد. كاهش تلفات الكتريكي علاوه بر افزايش بازده محركه، هزينه و پيچيدگي سيستم خنك كننده مورد نياز براي دفع گرماي ناشي از تلفات را نيز كاهش خواهد داد و استفاده از آن در كاربردهاي صنعتي را مقرون به صرفه تر خواهد كرد.

يكي از روش هاي كارآمد در جداسازي و شناسايي اسيدهاي نوكلئيك (DNA) روش الكتروفورز يا جداسازي مولكول ها با حركت دادن ذرات معلق باردار در محيطي مناسب تحت اعمال ميدان الكتريكي است. در اين طرح، يك دستگاه ژل الكتروفورز نوع ميدان پالسي شرح داده مي شود كه در آن جهت و شكل ميدان الكتريكي از طريق كلمپ سطوح ولتاژ بر روي يك منحني بسته ايجاد مي شود. در واقع 24 الكترود ولتاژ بشكل خاصي بر روي محيط يك شش ضعلي منتظم در محفظه تانك الكتروفورز چيدمان مي شوند. سپس در مدت زمان پالس اوليه، يك جفت از مجموعه الكترودهاي موازي ( الكترودهاي درايو) فعال شده و در مقدارφ0 كلمپ مي شوند تا جهت اصلي ميدان الكتريكي را تعيين نمايند. ولتاژ ساير الكترودها در مقدار مياني كلمپ مي شود تا شكل ميدان الكتريكي ايجاد شده بوسيله الكترودهاي درايو را كنترل و يكنواخت نمايند. در زمان پالس بعدي، دسته دومي از الكترودها فعال شده به طوري كه دامنه ميدان الكتريكي جديد با ميدان قبلي برابر بوده و با آن زاويه 120 درجه مي سازد. اين مكانيزم در زمانهاي پالس بعدي مجددا تكرار مي شود. در اثر اعمال ميدان الكتريكي در جهت هاي مختلف، مولكولهاي پيچيده و طويل DNA از هم باز شده و وادار به حركت در جهت هاي مختلف مي شوند. نتيجه اين فرايند حركت مولكول ها به شكل زيگزاگ در ژل بوده كه به جداسازي آن ها مي انجامد. مولكول هاي بزرگتر به علت كندي حركت (نسبت به مولكول هاي كوچك تر) جباجايي كمتري در ژل داشته و با اعمال ميدان الكتريكي در زمان طولاني تر تفكيك كامل صورت مي پذيرد.