De Silicon Carbide-gebaseerde Voltage Boost Matrix Converter (MxC) biedt aanzienlijke voordelen in de controle en efficiëntie van elektrische machines. Dit wordt mogelijk door de toepassing van geavanceerde vectorregelingen en krachtige modulatietechnieken, die de conversie van de spanning optimaliseren, vooral bij toepassingen met hoge vermogens en wisselende belastingstoestanden.

Een belangrijk aspect van de werking van de MxC is de manier waarop de spanning en stroomvectoren worden beheerd en aangepast om de gewenste prestaties van de elektrische machine te bereiken. De vector van de spanning vABCv_{ABC} wordt gedemonstreerd in de synchrone referentiekader ee, waarbij de hoek θABC\theta_{ABC} wordt gegenereerd door een functieblok, afhankelijk van de referentiefrequentie fABCf_{ABC} en de aanvankelijke hoek ϕABC\phi_{ABC}. Door deze methode wordt de controle van de spanningsvector geoptimaliseerd, wat belangrijk is voor het correct aansteken van de converter en het behouden van de stabiliteit van het systeem, vooral bij grote belastingveranderingen.

Wanneer de MxC wordt gestart, is de spanning in eerste instantie lager dan de terugemf eABCe_{ABC} van de generator. Dit veroorzaakt een verzadiging van de PWM, wat kan leiden tot gedeeltelijk verlies van de stroomregeling. Om dit te compenseren, wordt een start-up generatorblok gebruikt, dat de initiële stroomreferentie aanpast om te helpen bij de opstart. Gedurende deze opstartfase wordt een reactieve stroom gecreëerd die een extra spanningsval veroorzaakt, wat de vraag naar de spanning vABCv_{ABC} verlaagt en de stabiliteit van het systeem verbetert.

Daarnaast speelt de desaturatieregulator een cruciale rol bij het handhaven van de PWM-modulatie buiten verzadiging. Het systeem monitort de modulatie-index via de modulatiesignalen die naar de PWM worden gestuurd. Wanneer de amplitude van deze signalen de piekwaarde overschrijdt, begint de desaturatieregulator de afwijking tussen de norm en amplitude van de modulatiesignalen te integreren, wat resulteert in een extra stroomreferentie om de PWM buiten de verzadigingszone te houden.

De interne stroomregelingslus van de MxC maakt gebruik van PI-regelaars voor zowel de q- als d-stroomcomponenten, die op de traditionele manier werken door de stroom van bijvoorbeeld een permanente magneetgenerator (PMG) te regelen via de spanning vABCv_{ABC}. Dit maakt de interne regeling onafhankelijk van de snelheid van de generator, aangezien de referentiehoek θABC\theta_{ABC} kan worden afgeleid van een positiesensor op de as van de generator, of via een PLL-systeem wanneer de generator wordt vervangen door een driefasige spanningsbron.

De MxC is ontworpen met de mogelijkheid om zowel net- als netonafhankelijke systemen aan te sturen, wat de flexibiliteit van de converter aanzienlijk vergroot. De positie van de uitgangsspanning is echter van cruciaal belang voor netparallelle operaties, waar het essentieel is om de synchronisatie en de verbinding met het externe elektriciteitsnet te waarborgen. Voor autonome werking is de fase van de uitgangsspanning minder belangrijk, maar in netparallellisatie moet deze nauwkeurig worden gecontroleerd.

Bij simulaties, bijvoorbeeld uitgevoerd in Matlab/Simulink, werden de prestaties van de MxC getest onder verschillende belastingomstandigheden. De simulatie toonde aan dat het systeem in staat is om de uitgangsspanning snel naar de gewenste waarde te brengen, zelfs bij opstart met een lage belasting van 0,2 pu (20% van het nominale vermogen). Deze snelle respons is cruciaal voor de betrouwbaarheid van de converter onder dynamische omstandigheden.

Daarnaast, door de PWM-frequentie te verhogen, kan de spanningstrilling verder worden verminderd. Een verhoging van de frequentie van 10 kHz naar 40 kHz kan de rimpel in de uitgangsspanning verminderen, wat resulteert in een schonere en stabielere energielevering voor de elektrische machine.

Het gebruik van modelpredictieve controle (MPC) in de MxC biedt een pragmatische benadering van de regeling, waarbij een optimalisatie-algoritme wordt gebruikt om de juiste controlevector voor de vermogenschakelaars te selecteren. Deze methode biedt voordelen voor verschillende convertertopologieën en draagt bij aan de verdere optimalisatie van de werking van het systeem.

Naast deze technische benaderingen is het belangrijk voor de lezer te begrijpen dat de keuze van de componenten, zoals de Silicon Carbide-schakeleenheden en de nauwkeurige regeling van de stroom- en spanningsvectoren, de algehele efficiëntie van de converter sterk beïnvloeden. De gebruikte PI-regelaars en de precisie van de feedbacksystemen zijn essentieel voor het behouden van stabiliteit, vooral bij variabele belasting en fluctuaties in de netfrequentie. De keuze van de juiste frequenties, de respons van de desaturatieregulator en de instellingen van de PI-regelaars moeten zorgvuldig worden afgestemd om de prestaties in verschillende scenario’s te waarborgen.

Hoe Werkt de Capacitive-Link Universele Omvormer in AC-DC Systemen?

De capacitive-link universele omvormer is een geavanceerd type omvormer dat gebruikmaakt van een schakelcapacitor in plaats van een traditionele DC-link. Dit biedt voordelen in termen van capacitieve prestaties en efficiëntie, maar vereist een grondig begrip van de werking van het systeem om zijn volledige potentieel te benutten. Het fundament van dit systeem wordt gevormd door de schakeling van de linkcondensator, die de energie over verschillende fasen van de omvormer overbrengt. De werking is een complex proces dat verschillende modi doorloopt waarbij de spanning van de linkcapacitor toeneemt en afneemt, afhankelijk van de fasestroom en het wisselstroomnetwerk.

In de capacitive-link omvormer wordt de spanning van de linkcapacitor geregeld door een gecontroleerd laad- en ontladingsproces. Dit proces begint in fase 1, waarbij de stroom van fase A (IA_i) de linkcapacitor oplaadt. De schakelaars S7 en S11 aan de uitgangszijde worden ingeschakeld op basis van de uitgangsspanningsreferenties. Doordat de linkstroom positief is, wordt de linkcapacitor opgeladen en neemt de spanning toe. Aangezien de schakelfrequentie veel hoger is dan de frequenties van de ingang- en uitgangsstromen, blijven deze stromen tijdens het opladen of ontladen vrijwel constant. Zodra de gemiddelde spanning over het ingangspaar van de fasen de referentie bereikt, wordt schakelaar S2 ingeschakeld om modus 2 te initiëren.

In modus 2 wordt fase B verantwoordelijk voor het opladen van de linkcapacitor. De linkspanning blijft toenemen en wanneer de gemiddelde spanning over het fasepaar AB overeenkomt met de referentie, wordt schakelaar S6 ingeschakeld om modus 3 te starten. In modus 3 is de linkstroom negatief en gelijk aan de stroom van fase B_o (IB_o). De linkcapacitor begint nu zijn energie af te geven, wat resulteert in een daling van de linkspanning. Zodra de spanning over het uitgangspaar BC overeenkomt met de referentiespanning, wordt modus 4 ingeschakeld door S12. In modus 4 wordt de resterende energie in de linkcapacitor naar de uitgang afgegeven, waarbij de linkstroom gelijk is aan de stroom van fase A_o (IA_o).

Het gebruik van de capacitive-link omvormer biedt de mogelijkheid om de linkcapacitor op de grens van de continue geleidende modus (CCM) en de discontinu geleidende modus (DCM) te laten opereren. Hierdoor kan de frequentie van de link, en daarmee de schakelfrequentie, variëren in een lijncyclus. Om echter een vaste schakelfrequentie te behouden, kan de omvormer zodanig worden ontworpen en gecontroleerd dat de linkcapacitor in de DCM werkt. In dit geval moet een extra modus (modus 5) worden toegevoegd aan de schakeling, waarin geen energie wordt overgedragen en de linkspanning en -stroom nul blijven.

De capaciteit van de linkcondensator is een belangrijke factor in het ontwerp van de omvormer. Deze capaciteit hangt af van het vermogen van het systeem, de piekspanning van de link en de frequentie van de link bij nominale vermogens. De relatie tussen deze parameters kan worden uitgedrukt met de volgende formules:

Vlink peak=2×Vll in peak+Vll out peakV_{\text{link peak}} = 2 \times V_{\text{ll in peak}} + V_{\text{ll out peak}}
C=2×Ptotaalflink×Vllink peak2C = \frac{2 \times P_{\text{totaal}}}{f_{\text{link}} \times V_{\text{llink peak}}^2}

Dit betekent dat de capaciteit van de linkcondensator omgekeerd afhankelijk is van de frequentie en de spanningsrimpels. Bij gebruik van de capacitive-link omvormer kan de linkcapacitor echter veel kleiner zijn dan bij een traditionele DC-link omvormer, terwijl de prestaties niet worden aangetast. Bijvoorbeeld, in een 1 MW systeem met ingangsspanningen van respectievelijk 2300 V en 3000 V, kan de capaciteit van de linkcondensator zo klein zijn als 0,6 μF bij een schakelfrequentie van 15 kHz. Dit is aanzienlijk lager dan de minimale capaciteit die nodig is voor een DC-link omvormer voor hetzelfde systeem, die 266 μF zou bedragen bij dezelfde frequentie.

Bij een driefasige omvormer komt de werking grotendeels overeen met die van een AC-AC omvormer, maar met één belangrijk verschil: er is slechts één modus voor het opladen van de linkcapacitor, in plaats van twee. De piekspanning van de link, die bepaalt hoe groot de spanningsbelasting is voor de schakelaars, kan als volgt worden berekend:

Vlink peak=2×(Vin+Vll out peak)V_{\text{link peak}} = 2 \times (V_{\text{in}} + V_{\text{ll out peak}})

De capaciteit van de linkcondensator voor de driefasige omvormer wordt bepaald door de volgende formule:

C=Prated2×f×(Vin+Vll out peak)2C = \frac{P_{\text{rated}}}{2 \times f \times (V_{\text{in}} + V_{\text{ll out peak}})^2}

Naast de beschreven werking van de capacitive-link universele omvormer, kan het systeem ook profiteren van zachte schakeling, wat wordt bereikt door een kleine inductor in serie met de linkcapacitor. Dit zorgt ervoor dat de schakelaars optimaal werken zonder te worden blootgesteld aan hoge piekspanningen en -stromen. Dit is vooral voordelig voor het verminderen van de verliezen die optreden tijdens het schakelen. Het toevoegen van resonantie- en zachte schakelfasen in de werking van de omvormer maakt het mogelijk de efficiëntie te verhogen en de levensduur van de componenten te verlengen.

In systemen met zachte schakeling wordt de linkcapacitor continu opgeladen en ontladen in verschillende fasen van de werking. Elke schakelcyclus is verdeeld in acht fasen, waarvan er vier worden gebruikt voor de energieoverdracht en vier voor resonantie die zachte schakeling mogelijk maakt. In modus 1 wordt de linkcapacitor opgeladen door fase A, waarna in modus 2 een resonantie-optie wordt toegepast. Dit proces wordt herhaald in modus 3 en 4, waarbij de capacitors weer opladen en ontladen, met resonantie in de intermediaire fasen.

Het belangrijkste dat bij de werking van de capacitive-link omvormer van belang is, is de keuze van de juiste schakelfrequentie en linkcapaciteit. De verhouding tussen deze parameters bepaalt niet alleen de efficiëntie van de energieoverdracht, maar ook de duurzaamheid van het systeem. In systemen waar een lagere linkcapaciteit mogelijk is, zoals in een soft-switching configuratie, wordt het mogelijk om de prestaties van de omvormer te verbeteren zonder extra belasting voor de schakelaars.

Wat maakt de verschillende eendensoorten uniek in hun uiterlijk, gedrag en habitat?
Wat gebeurt er als dromen snel vervagen? Het tragische lot van de Blue Moon
Hoe de macht van de heerser zich ontvouwt: De politieke spelletjes van de hertog in Shakespeares Measure for Measure
Rekenmethode voor het oplossen van sommen als 26 + 7 in groep 4 van de basisschool
Regeling voor de verstrekking van maaltijden aan leerlingen van Openbare Middelbare School Nr. 2 in de stad Makarjev, district Makarjev, regio Kostroma
Bevel d.d. "31" januari 2015 nr. 54/v Goedkeuring van de regeling voor het afnemen van examens in de Russische taal, de geschiedenis van Rusland en de basiswetgeving van de Russische Federatie
Lesrooster voor Chemie: Overzicht van de Belangrijkste Concepten en Wetenschappen
Fasen van het werk aan het project