Hvordan fungerer interleaving og parallellkobling i trefaseomformere, og hvilke utfordringer og fordeler gir dette?

Interleaving, eller faseforskyvning av pulsbredde-modulasjon (PWM), benyttes i trefaseomformere for å redusere strømvariasjoner (ripple) og forbedre effektiviteten i strømforsyningen. I høy-effekt AC-applikasjoner velges gjerne lavere brytefrekvenser, noe som setter begrensninger på kontrollbåndbredden. Ved å bruke interleaving i tre-faseomformere som består av seksbrytermoduler, oppnår man betydelige forbedringer i strømformen og tap. Dette gjelder også for andre konvertertopologier som buck-deriverte tre-faseomformere eller B4 invertermoduler.

Den mest sentrale fordelen ved interleaving er at man kan anvende kunnskap og metoder fra enkeltenhetsomformere til å bygge, styre og beskytte parallelle systemer. Strømmen i faselederne får et redusert ripple når den totale spenningen over induktorer eller faser minimeres i pulsbredde-modulasjonen, noe som direkte reduserer både ledningstap og filtertap. Parallellkobling øker også påliteligheten ved at redundans oppnås, og den elektroniske koblingen (elektronisk giring) mellom enhetene forbedrer systemets dynamiske respons.

Zero-sekvens sirkulerende strømmer oppstår når forskjellige nullvektorer benyttes samtidig i de parallelle omformerne, noe som kan unngås ved å bruke spesielle PWM-metoder som eliminerer nullvektorbruk, eller ved å sørge for at alle omformere bruker samme nulltilstand når nullvektor er nødvendig. Dette forhindrer dannelse av null-sekvens sirkulerende strømmer som ellers kunne forårsaket ekstra tap og varmeutvikling.

Valget av PWM-algoritme har stor betydning for systemets harmoniske innhold, strømform og sirkulerende strømmer. Symmetrisk PWM gir lavere harmonisk innhold i inverterstrømmene sammenlignet med asymmetrisk PWM, men kan føre til større null-sekvensstrømmer. Reduserte tap PWM-metoder kan produsere store null-sekvensstrømmer ved lave frekvenser dersom det ikke benyttes null-sekvenskontroll. Av denne grunn blir sinusformet PWM ofte foretrukket i interleaving-applikasjoner for å oppnå den beste balansen mellom effektivitet og styring av sirkulerende strømmer.

Systemkontrollen i parallelle omformersystemer bygger på samme prinsipper som i enkeltomformere, men med tillegg av styring for jevn fordeling av strøm over de parallelle enhetene. Effektiv lastdeling kan oppnås via master-slave, sentralgrensekontroll eller sirkulær kjedekontroll. Alle disse krever et robust kommunikasjonsgrensesnitt mellom enhetene for å sikre riktig strømdistribusjon, feilovervåking og synkronisering av styringssignaler. Toveis kommunikasjon er essensielt: en kanal for koordinering mellom omformerne og en kanal for ekstern overvåking og kontroll.

Det er viktig å forstå at parallellkobling ikke bare handler om å sette sammen flere identiske enheter, men også om hvordan de styres og samkjøres for å unngå uønskede effekter som sirkulerende strømmer og overoppheting. Videre er valg av riktig PWM-algoritme og systemkontroll avgjørende for at et parallelt omformersystem skal fungere optimalt over tid, med stabil strømfordeling og minimalt tap. Også designet av kommunikasjonsprotokoller mellom omformerne har stor innvirkning på systemets robusthet og evne

Hvordan fungerer og kontrolleres matrixomformere med romvektormodulasjon?

Ved bruk av romvektormodulasjon (Space Vector Modulation, SVM) styres omformeren slik at to inngangsfaser til enhver tid kobles til to utgangsfaser, mens den tredje utgangsfasen kobles til en annen inngangsfase. Dette resulterer i en kontinuerlig rotasjon av vektorer i lastreferanserammen, og sikrer dermed en effektiv utnyttelse av inngangsspenningen og mulighet for regulering av både amplitude og frekvens på utgangsspenningen.

Den indirekte matrixomformeren, også kalt "sparse converter," utvider dette prinsippet ved å betrakte matrixomformeren som en kombinasjon av en seks-puls likeretter etterfulgt av en konvensjonell seksbryter inverter. Denne topologien krever imidlertid bruk av to-veis brytere i inngangsseksjonen for å sikre full energiretur og firekvadrant operasjon, noe som gir mulighet for å kompensere reaktiv effekt og håndtere ubalanser i inngangsspenningen.

Implementeringen av PWM-styring for matrixomformere krever sofistikerte kontrollalgoritmer som omfatter dedikert logikk for valg av brytersekvenser og sikker kommutasjon av strømmen gjennom bryterne. En vanlig tilnærming benytter en mikrokontroller som, i kombinasjon med en PLL-modul for nett-synkronisering, kalkulerer de nødvendige tidsintervallene for hver brytertilstand basert på ønsket utgangsfase og -amplitude samt den aktuelle inngangsstrømvektoren. Disse tidsintervallene styres ved hjelp av tellere og logikk, hvor blant annet lookup-tabeller eller betingede programsekvenser genererer bryterkommandoene for de ni to-veis bryterne.

Romvektormodulasjonsalgoritmen gjør det mulig å simulere en kontinuerlig roterende vektor ved å gjennomsnittlig aktivere de tilgjengelige tilstandene, noe som gir en høy kvalitetsutgangsspenning med lav harmonisk forvrengning. Likevel står matrixomformere overfor utfordringer som begrenset maksimal utgangsspenning (maksimalt modulasjonsindeks på cirka 0,866), kompleks kommutasjon, uregelmessig topologi som vanskeliggjør volumproduksjon, samt begrensede muligheter for reaktiv effektkompensasjon og drift under ubalanserte inngangsspenninger.

Til tross for disse utfordringene utgjør matrixomformere et lovende forskningsfelt med stor betydning for fremtidens effektomformerløsninger, spesielt når alternative direkte konvertertopologier utforskes som kan overkomme de nevnte begrensningene.

Det er vesentlig å forstå at riktig implementering av PWM-kontroll og kommutasjonslogikk ikke bare påvirker effektiviteten og påliteligheten til matrixomformere, men også deres evne til å håndtere dynamiske forhold i strømnettet. Spesielt for applikasjoner med krav til firekvadrants drift og høy kvalitetsutgangsstrøm er det nødvendig å integrere omfattende kontrollstrategier som sikrer stabilitet og minimal forvrengning.

Videre bør leseren være oppmerksom på viktigheten av to-veis brytere i implementeringen for å muliggjøre full energiretur og unngå tap i kommutasjon, samt betydningen av nøye koordinering mellom inngangs- og utgangsvektorene via PLL-synkronisering for å oppnå optimal drift. Forståelsen av de grunnleggende begrensningene i topologi og modulasjon gir også innsikt i hvorfor alternative konverterstrukturer utvikles parallelt med matrixomformere.