Den faktiske banen til fluxen oppnådd gjennom PWM-operasjon viser både radielle og vinkelfeil. Radielle feil innebærer variasjoner langs radius i den sirkulære banen, mens vinkelfeil representerer variasjoner fra en konstant rotasjonshastighet. I en motorstyring har enhver feil i fluxbanen direkte innvirkning på dreiemomentets pulsasjoner. Forskjellen mellom referansefluxen λ₀, som har en sirkulær bane i det komplekse planet, og den faktiske banen λ produsert av en PWM-inverter, skaper svingninger i dreiemomentet.

Analyser av sammenhengen mellom dreiemomentets pulsasjoner og de radielle og vinkelfeilene i fluxen viser at dreiemomentet er mer følsomt overfor vinkelfeil enn radielle feil. Vinkelfeilene kan reduseres ved å opprettholde en jevnere rotasjonshastighet, noe som oppnås ved å bruke flere nulltilstander (zero states) i fluxbanen. Radielle feil kan på sin side minimeres ved å optimalisere polygonformen til fluxbanen slik at kantene ligger så nært som mulig den ideelle sirkulære banen.

Siden vinkelfeil har større betydning enn radielle feil, vil dreiemomentpulsasjonen bli lavere ved bruk av høyere bærefrekvens (flere nullvektorstater), selv om dette fører til at den polygonale fluxbanen får færre kanter. Samtidig er det ønskelig å begrense brytefrekvensen av helt andre årsaker, som for eksempel å redusere brytetap.

Metoden for Space Vector Modulation (SVM) gir et teoretisk grunnlag for å bestemme tidsintervallene tilknyttet aktive og nulltilstander gjennom en gjennomsnittlig tilnærming. En tre-fase inverter produserer et symmetrisk system av spenninger på lasten som idealisert gir en sirkulær bane med konstant radius. Det er imidlertid umulig å generere en perfekt sirkulær bane med en bryteromformer som kun kan oppnå seks diskrete posisjoner for spenningsromvektoren.

For å syntetisere en ønsket posisjon på den sirkulære banen, brukes en gjennomsnittlig kombinasjon av to nabovektorer og nullvektorer innenfor et gitt samplingsintervall. Nullvektorer er nødvendige for å opprettholde konstant samplingsperiode. Symmetriegenskapene i systemet gjør at analysen kan begrenses til en generalisert sektor på 60°, som repeteres seks ganger.

Utregningene for tidsintervallene til de aktive vektorene baserer seg på trigonometriske funksjoner innen denne sektoren og gir dermed grunnlaget for generering av PWM-pulser med ønskede egenskaper. Moderne mikrocontrollere benytter minnetabeller eller sanntidsinterpolasjon for å beregne pulsbreddene effektivt, noe som muliggjør implementering av SVM innenfor hardware for center-aligned PWM.

Maksimal modulasjonsindeks for SVM tilsvarer en sirkulær bane med radius 0,866 ganger DC-spenningen, noe som er omtrent 15 % høyere enn den maksimale modulasjonsindeksen oppnådd ved sinusformet modulasjon. Dette gir en teoretisk økt utnyttelse av DC-spenningen i inverteren.

Ved å variere samplingsperioden kan man oppnå frekvensmodulasjon som forbedrer egenskaper som redusert harmonisk forvrengning og mindre dreiemomentoscillasjoner. Konvensjonell PWM har konstant samplingsperiode, mens optimaliserte metoder modulerer denne slik at samplingsperiodene varierer innenfor 60°-sektorer for å minimere vinkelfeil og harmoniske forstyrrelser. Randomisert SVM er en spesiell variant av slik frekvensmodulasjon.

Det er verdt å merke seg at den gjennomsnittsprinsippet som ligger til grunn for SVM ikke setter krav til hvordan nullvektorene genereres i løpet av samplingsperioden. Sekvensen av aktive og nullvektorer kan variere, og denne fleksibiliteten er kjernen i flere alternative SVM-metoder.

I tillegg kan adaptive SVM-metoder kompensere for DC-bussens spenningsripple, som kan skyldes utilstrekkelig filtrering i inngangsfasen til en konverter. Ved å måle DC-spenningen i hvert samplingsintervall kan tidsintervallene justeres for å bevare utgangsspenningens harmoniske egenskaper til tross for variasjoner i DC-bussen.

Det er viktig å forstå at nøyaktigheten i fluxbanen og dermed motorens dreiemomentavvik ikke bare avhenger av valg av modulasjonsstrategi, men også av praktiske begrensninger som brytefrekvens, belastningsforhold og systemets dynamiske respons. Optimalisering av PWM-algoritmer må derfor balansere ønsket om lavt dreiemomentripple med hensyn til effektive tap, elektromagnetisk interferens og hardwarekapasiteter.

Hvordan redusere brytnings tap i tre-fase invertere med SVM-algoritmer

For å redusere antallet brytningshendelser i tre-fase invertere kan sekvensen av brytingshendelser organiseres på en spesiell måte, slik at kun ett bryt i hver inverterben utføres under overgangen fra én tilstand til den neste. Når begge tilgjengelige nulltilstander fra figur 6.11 benyttes, vil én nulltilstand starte sekvensen, mens den andre avslutter den. For eksempel kan brytingssekvensen være _ _ _ 0 1 2 7 2 1 0 _ _ _. Den eneste gjenværende friheten er mengden t0 som deles mellom vektorene V0 og V7.

I den originale metoden deles t0 likt mellom de to nullvektorene, men dette er ikke den mest optimale løsningen. Selv om det finnes en algoritme med lavt samplingsfrekvens som analyserer forskjellige måter å dele nullvektorene på, viser resultatene at høyytelses SVM-systemer kan forbedres ytterligere ved å endre plasseringen av nullvektorene i samplingintervallet. Det er to ekstreme situasjoner for delingen av null-tilstandsintervallene:

  • Metode D-I-H (direkte-invers-halv): Her deles nullvektorintervallene likt i hvert samplingsintervall (t0 = t7). Dette er en av de enkleste måtene å generere en pulsbølgeform på, og den resulterende faseden er en enkel periodisk sekvens. Denne metoden kan benyttes når høy presisjon er nødvendig i genereringen av utgangspulsen.

  • Metode D-I-O (direkte-invers-én): Her benyttes kun ett nullvektorintervall i hvert samplingsperioden (f.eks. t0 = 0, t7 = Ts - ta - tb). Denne metoden brukes ofte ved høyere samplingsfrekvenser. Når lavere brytningsfrekvenser benyttes, kan det oppstå ujevnheter i den utgående faseden, som igjen kan skape liknende harmoniske forstyrrelser.

Metode D-I-O er spesielt nyttig når det gjelder systemer med høy samplingsfrekvens, da symmetrien til bølgene kan utelates uten stor feilmargin. På den annen side, ved lavere samplingsfrekvenser, vil en slik tilnærming føre til uønskede effekter som økte harmoniske forstyrrelser i det genererte spenningssignal.

Simpel direkte SVM eller S-D-H metode innebærer at alle bryterne tilkoblet samme DC-linkpotensial aktiveres først i samplingssyklusen, og de deaktiveres sekvensielt i løpet av intervallet. Dette kan være en rask måte å implementere en enkel modulasjon på, men denne løsningen kan føre til mer kompliserte strømsignaler som kan føre til ineffektiv drift i inverteren ved lavere samplingsfrekvenser.

En annen interessant tilnærming er symmetrisk generert SVM (S-G-H), der modulasjonen baseres på en symmetrisk sekvens. Dette gir en bølgeform som ligner på D-I-H-metoden, men med en direkte-invers sekvens innenfor det samme samplingsintervallet. En viktig egenskap ved denne metoden er at den genererer lavere harmoniske ved hjelp av en "center-aligned" PWM-teknikk.

For alle disse metodene er det nødvendig å finne en god balanse mellom antallet brytingshendelser og ønsket spenning/strømprofil for systemet. Når man benytter seg av en direkte-invers sekvens, kan det føre til harmoniske forstyrrelser ved halvparten av pulsens frekvens. Dette må vurderes når man prøver å optimalisere inverterens ytelse ved lavere frekvenser.

Frekvenskomponentene og harmoniske

SVM-algoritmene har et viktig kjennetegn ved at de kan kontrollere frekvenskomponentene i den genererte spenningen. Bruken av en direkte-invers sekvens introduserer harmoniske som er dobbelt så store som pulsens grunnfrekvens, og dette bør tas i betraktning ved design av systemet. Sammenlignende eksperimentelle resultater viser hvordan modulasjonsmetodene som D-I-O og S-D-H skaper forskjellige bølgeformer, og hvilke effekter disse har på spenningens spektrum.

Når man arbeider med lave samplingsfrekvenser, blir spektrene av pulsbølgene merkbart forskjellig, og det er viktig å vite hvordan man kan tilpasse modulasjonsmetoden for å minimere støy og forvrengning. Å bruke S-G-H-metoden kan bidra til å redusere slike effekter, men det er viktig å være klar over de ekstra harmoniske som kan oppstå ved lavere frekvenser.

Tapt brytning og effektivitetsforbedringer

Ved å benytte en discontinuous reference function kan vi redusere brytings tapet ytterligere, som vist i tidligere kapitler om regulære samplede PWM-algoritmer. I SVM-algoritmene brukes den samme ideen for å minske inverterens brytingstap. Teorien om gjennomsnittligberegning som benyttes i SVM-algoritmen gir fleksibilitet i sekvensen av brytingshendelser, og det er mulig å tilpasse sekvensen til den spesifikke applikasjonen. For eksempel kan vi alltid velge nullvektoren som ikke forårsaker bryting på det relevante inverterbenet, noe som ytterligere minimerer brytningsforluster.

En viktig faktor i utviklingen av et effektivt system er å forstå hvordan man kan utnytte forskjellige nullvektorer for å redusere tapet, og hvordan man kan tilpasse sekvenser for å oppnå optimal ytelse. De fleste systemer drar nytte av å minimere antallet brytningshendelser i hver sektor av det komplekse planet for å oppnå den mest effektive energigjenvinningen.

Hvordan resonant snubber fungerer i kraftomformere

Resonante snubbere er en teknologi som ble utviklet på 1980-tallet og har siden blitt en viktig metode for å redusere tap og forbedre effektiviteten i kraftomformere. Hovedprinsippet bak resonante snubbere er å kontrollere bryterens overgang ved null strøm eller null spenning, noe som gjør det mulig å redusere de tapene som vanligvis oppstår under switching-prosesser i halvlederbrytere.

Den enkleste implementeringen av resonant snubber består av et kretsløp med en kondensator som er parallelt koblet med en effektbryter og en økt induktans i serie. Et slikt system kan finnes i en buck-konverterer eller som en del av en benk-kobling i en omformer. Kondensatoren kan for eksempel være den parasittiske kondensatoren over en MOSFET-enhet. Når bryteren Sw1 er av, går lasten gjennom kondensatoren Cr og induktoren Lr og begynner å lade kondensatoren.

Spenningsøkningen over kondensatoren skjer lineært, mens spenningen over dioden D2 reduseres, og til slutt aktiveres dioden. Dette resulterer i at kondensatoren begynner å lade, og bryteren Sw1 kan operere som en vanlig bryter uten tap ved null spenning.

Viktig å merke seg er at den hastigheten som spenningen øker over bryteren Sw1 ideelt sett er begrenset av resonansen, og dette skjer ved en definert laststrøm IL over kondensatoren Cr. Den tid det tar før dioden D1 aktiveres, og strømmen gjennom Lr begynner å reduseres, er også en viktig parameter i denne prosessen. Når strømmen gjennom Lr går til null, holdes spenningen over bryteren Sw1 på null, og enhver påslagshandling av bryteren skjer ved null spenning.

I praktiske systemer som moderne MOSFET-baserte omformere, kan man utnytte den innebygde parallellkondensatoren til MOSFET-enheten. Når parasittisk induktans er estimert, kan ytterligere induktans være nødvendig for å oppnå den ønskede resonansfrekvensen. Resonansfrekvensen påvirker både spenningens svinghastighet og forsinkelsen før den krysser null, og dermed spiller valget av resonansfrekvens en kritisk rolle i systemets ytelse.

Den eksplosive utviklingen av IGBT-teknologi på 1990-tallet førte til en videreutvikling av resonante omformere, som i dag er en standard teknologi i mange applikasjoner som krever høy effektivitet og lavt energitap.

Når det gjelder aktive snubber-systemer, er det også mulig å beskytte mot overspenning ved å inkludere et ekstra trinn i gate-driveren. Denne metoden reduserer ikke bare overspenningen, men halverer også strømforbruket under switching. Ved å bruke en beskyttelsestransistor Qp, som aktiveres ved avstengning, kan man effektivt kontrollere spenningens stigning og redusere risikoen for at komponentene blir utsatt for skadelige overspenninger.

Det er også viktig å forstå hvordan resonante snubbere påvirker den totale strømforsyningens dynamikk. Når strømmen gjennom Sw1 øker langsomt, kan dioden D2 forbli aktiv for en kort periode, og dette kan bidra til ytterligere justering av strømmen for å sikre at de nødvendige forholdene for effektiv switching blir opprettholdt. Denne prosessen skjer i samspill med induktansens egenskaper og resonanskretsens tidsparametre.

Resonante snubbere og aktive snubber-systemer gir betydelig fordeler i situasjoner med høye switching-frekvenser, spesielt i høyspente omformere som brukes i industriell kraftomforming. Med de riktige designparametrene kan slike systemer dramatiske redusere de tapene som oppstår ved switching, og dermed øke den totale effektiviteten og påliteligheten til systemet.

Endelig er det viktig å merke seg at resonante systemer krever nøye design og implementering. For å maksimere fordelene, må man ta hensyn til alle systemkomponenter, inkludert induktorer, kondensatorer og halvlederbrytere, samt deres påvirkning på systemets resonans og effektkonverteringseffektivitet.

Hvordan implementere digitale kontrollere for PWM og dødtid i effektomformere?

I moderne effektomformere, spesielt innen strømstyring og konvertering, er implementeringen av digitale kontrollere og algoritmer som PWM (Pulse Width Modulation) avgjørende for å oppnå ønsket ytelse og effektivitet. Spesielt krever styring av dødtid og valg av mikrokontroller- eller mikroprosessorløsninger stor oppmerksomhet for å sikre pålitelig drift. Dette kapittelet utforsker hvordan ulike digitale løsninger kan brukes i effektomformere, med fokus på dødtidgeneratorer og mikroprosessorer tilpasset industrikontroll.

Dødtid i effektomformere spiller en viktig rolle i å forhindre kortslutninger og ineffektivitet ved å sikre at transistorene i kraftelektronikken ikke slår på samtidig. Den dødtidsintervallen kan styres gjennom en rekke teknologier, hvor hovedprinsippet er å forsinke kantene på kontrollering av signalene som styrer transistorene. I dette kapittelet refereres det til et eksempel på en dødtidgenerator fra IXYS, som ble brukt sammen med digitale kontrollsystemer. Generelt sett har denne teknologien blitt stadig mer integrert i FPGA-plattformer, som gir fleksibilitet i programmerbarheten av dødtid-intervallet og tilhørende styringssignaler.

En viktig egenskap ved dødtidgeneratorene er deres mulighet til å justere dødtiden til en spesifikk verdi gjennom ekstern klokke, enten en krystall eller en omvendt ledende oscillator. Dødtiden blir typisk fastsatt til å vare åtte klokkesykluser. Den digitale løsningen er i stand til å generere dødtid på alle tre fasene separat, og dette muliggjør presis styring av de elektriske komponentene. Tilleggsfunksjoner som output enable-signaler gjør det mulig å slå av individuelle utganger, hvilket kan være nyttig i visse applikasjoner som krever ekstra kontroll over spesifikke faser eller kretser.

Når man ser på de digitale prosessorsystemene som benyttes til slike kontrollformål, er det to hovedretninger å merke seg: bruken av generelle mikroprosessorer og mikrocontrollere spesielt designet for industriell applikasjon. Mikroprosessorene har utviklet seg betydelig over tid og har tidligere bestått av enklere bit-slice enheter som INTEL 3000 eller AMD 2900. Deretter har det vært en gradvis overgang til mer sofistikerte 16- og 32-bits mikroprosessorer som INTEL i8086 og Motorola 68000, som integrerte flere beregningsmoduler og forbedret hastigheten til beregninger.

Mikroprosessorene, spesielt i sin tidlige form, var ofte avhengig av separate periferi-enheter for å håndtere oppgaver som I/O-behandling, kommunikasjon og timerfunksjoner. Dette førte til at effektomformerne som benyttet disse enhetene, måtte implementere flere eksterne komponenter på hovedkretskortet for å oppnå ønsket ytelse.

Et alternativ til mikroprosessorbaserte systemer har vært bruken av mikrocontrollere som er spesielt designet for industriell bruk. Disse enhetene integrerer ikke bare prosessoren, men også minne, I/O-grensesnitt, ADC, PWM-kanaler og andre nødvendige komponenter i én enhet. Eksempler på slike mikrocontrollere inkluderer INTEL 8051 og 8096, som både har minne og spesialiserte moduler for å generere PWM-signaler, håndtere tidsintervall og utføre boolske operasjoner. De har også flere timer/counter-moduler som er avgjørende for presis timing i PWM-kontroll.

I moderne effektomformere, spesielt de som opererer med høy effekt, er det også utviklet spesialiserte digitale løsninger som gir høyere hastigheter på PWM-genereringen, for eksempel gjennom bruk av ROM-basert oppslagstabeller. Disse tabellene gjør det mulig å lagre forskjellige PWM-algoritmer på forhånd og hente dem raskt ut under drift, noe som øker systemets responstid og pålitelighet.

Når man ser på bruken av digitale prosessorer i effektomformere, er det viktig å merke seg at det ikke bare er valg av prosessor som har betydning, men også hvordan den implementeres sammen med andre digitale komponenter for å oppnå ønsket kontrollytelse. For eksempel er hastigheten på tilgang til minne, kvaliteten på PWM-genereringen og presisjonen på dødtidkontrollen sentrale faktorer som påvirker den samlede effektiviteten og stabiliteten til konverteren.

I tillegg til de tekniske aspektene, må man også forstå de praktiske utfordringene ved implementeringen. Utvikling av programvare som kan styre disse digitale enhetene effektivt, krever ikke bare teknisk kompetanse, men også et godt valg av verktøy og programmeringsspråk. Tidligere ble programvare skrevet direkte i assembler, men med utviklingen av mer avanserte mikrokontrollere har det blitt mulig å bruke høynivåspråk som C eller spesifikke kontrollbiblioteker for å gjøre utviklingen mer effektiv.

Som et resultat er forståelsen av den teknologiske utviklingen innen både mikroprosessorer og mikrocontrollere essensiell for å kunne implementere effektive digitale kontrollsystemer i moderne effektomformere. De valgte komponentene må kunne håndtere høye hastigheter på PWM-signalene og tillate nøyaktig styring av dødtider for å unngå uønskede effekter som tap og kortslutninger.

Hvordan kan biologisk nedbrytning bidra til effektiv fjerning av kortkjedede klorerte parafiner (SCCP)?
Hvordan tradisjonelle amerikanske folke- og cowboylåter har formet landemusikkens utvikling
Hvor langt kan lojalitet strekkes før den bryter?
Hva er de siste fremskrittene innen nanopapirteknologi og deres anvendelser?
Hvordan livet i Banaras formet vår barndom
Hvordan oppleve vestlige Honshu: En reise gjennom tid og kultur