Deutsch
Francais
Nederlands
Svenska
Norsk
Dansk
Suomi
Espanol
Italiano
Portugues
Magyar
Polski
Cestina
Русский
Modulering av pulsbredde (PWM) er en viktig teknikk for effektiv styring av elektriske drivsystemer. For å optimalisere ytelsen og sikre korrekt drift av invertere, må man forstå flere parametere som påvirker effektiviteten og påliteligheten til systemet. Generelt finnes det tre grunnleggende pulsbredder: min PW, PWMA og maks PW, og de er viktige i å definere hvordan en inverter opererer under forskjellige forhold. Når spesifikke verdier for driftsfrekvens og minimumspulsbredde er valgt, kan den maksimalt aksepterte pulsbredde beregnes automatisk.
Matematisk sett kan vi beskrive forholdet mellom modulering og pulsbredde ved hjelp av komplekse polynomligninger. For et spesifikt sett av operasjonsparametere, for eksempel en byttefrekvens på 12 kHz og en moduleringindeks på 1,0, finnes det tre løsninger for minimumspulsbredde. For å unngå at inverteren får høyere belastning enn nødvendig, foretrekkes den minste løsningen. En detaljert analyse av slike løsninger kan presenteres i en tabell som viser hvordan ulike minimumspulsverdier påvirker moduleringen og resultatene.
En ytterligere utfordring i PWM-systemer med lav modulering er behovet for å injisere tredje harmoniske komponenter. Dette kan virke vanskelig, spesielt i systemer med vektorkontroll, hvor koordinater (x, y) er lett tilgjengelige, men ikke nødvendigvis fase-referansene. Injeksjonen av tredje harmonisk er imidlertid mulig ved å beregne den ut fra de tilgjengelige koordinatene, og dermed forbedre fasekurvene for motorens strøm og redusere uønsket forvrengning. Denne tilnærmingen kan betydelig forbedre signalformene for motoren, spesielt i systemer som håndterer pulsbreddebegrensninger.
I tillegg til de matematiske og tekniske aspektene ved PWM-modulering, er det viktig å ta hensyn til de fysiske og praktiske utfordringene knyttet til driften av en inverter. Et slikt aspekt er dødtiden, en forsinkelse som introduceres for å unngå kortslutning mellom halvlederbryterne når de bytter tilstander. Denne forsinkelsen er nødvendig for å gi tid til at en bryter kan slutte å lede før den andre begynner å lede. Hvis dødtiden er for kort, kan det føre til kortslutninger, mens en for lang dødtid kan forvrenge pulsen og dermed endre strømkurven til lasten, noe som kan resultere i tap av effektivitet og økt varmeutvikling.
For å bestemme den optimale dødtiden, kan praktiske tester utføres, for eksempel ved å måle den DC-strømmen ved inverterens inngang når ingen last er tilkoblet. Dette kan gi innsikt i effekten av kortslutninger og bidra til å justere dødtiden for å minimere både strømforstyrrelser og varmeutvikling.
Det er også viktig å merke seg at de ulike halvlederkomponentene, som IGBT-er, har forskjellige egenskaper når det gjelder svitsjetransienter. IGBTs, som er vanlige i invertere, kan ha problemer med "hale-strømmer", som er et resultat av lading i den p-n-junksjonen i den bipolare transistoren. Dette fenomenet kan føre til ekstra tap og forsinkelser, spesielt ved høye temperaturer, noe som gjør det nødvendig å velge IGBT-er som er optimalisert for raskere avkjøling.
Ved å bruke de riktige algoritmene for å injisere harmoniske og velge passende dødtider, kan man oppnå mer effektive og pålitelige inverterdriftsystemer som gir bedre ytelse uten unødvendige tap. Når disse parameterne justeres riktig, kan systemet utnytte sine ressurser bedre og redusere ineffektivitet forårsaket av forvrengte strømkurver og høy temperatur.
Hvordan kan optimal PWM forbedre transientresponsen i høyhastighets trefaseomformere?
I høyhastighetsmotorer stilles det krav om raske transientresponser, noe som oppnås ved å utnytte maksimalt tilgjengelig spenning i aktuatoren. Tradisjonelle PWM-metoder har begrensninger, som vist ved eksemplet med et 24-pulsmønster hvor harmoniske komponenter ikke reduseres effektivt. Ved å fokusere på harmonisk eliminering eller global harmonisk minimalisering innenfor et 30° sektor kan man definere optimale tidskonstanter som i praksis reduserer både 5. og 7. harmoniske til under 3 % av grunnfrekvensen, noe som forbedrer spenningskvaliteten.
For å forbedre transientresponsen i høyhastighetsomformere, spesielt i trefasemotorer med kortsluttet rotor, benyttes en modell hvor statorspenningen og strømmen uttrykkes som komplekse variabler. Gjennom denne modellen kan vi skille mellom aktiv og reaktiv effekt, hvor effektenes avhengighet av fasvinkelen mellom statorspenningen og mot-spenningen (back-EMF) forklares. Under raske endringer i turtallsreferansen oppstår det midlertidige strømmer av reaktiv effekt mellom mekanisk last og inverter, som påvirker transientresponsen. Høyere tilgjengelig spenning på statorsiden reduserer denne reaktive effekten, og inverteren absorberer raskere den reaktive energien, noe som gir en raskere transient.
Moderne innebygde kontrollere implementerer metoder for å tillate overmodulasjon og kontroll av maksimal spenning, men disse er ofte begrenset av programvarehastighet og samplingsintervaller. En alternativ metode foreslår bruk av tobryteroperasjon i nulltilstandene, hvor to brytere holdes aktive for å kontrollere spenningen mer effektivt. Denne metoden tar i bruk at summen av fasestrømmene i et trefasesystem med isolert nøytral alltid er null, og at kun to faser trenger aktiv styring mens den tredje følger automatisk.
Inverterens brytertilstander bestemmes basert på fasestrømmenes retning og størrelse, og dette gir mulighet til å generere ekte nullspenningsvektorer eller aktive spenningsvektorer under nulltilstander. Slik oppnås en PWM-algoritme som utnytter faseinformasjonsbasert kontroll av brytertilstander, noe som optimaliserer både spenningsutnyttelse og dynamisk respons. Figuren over viser hvordan ulike sektor- og fasetilstander bestemmer hvilke vektorer som genereres i systemet.
Denne forståelsen av effektflyt, faservinkler og inverteroperasjon med to aktive brytere i nulltilstand åpner for betydelig forbedring av transientresponsen i høyhastighetskonvertere. Det er viktig å merke seg at kontrollstrategiens hastighet og nøyaktighet i styringen av disse bryterne direkte påvirker systemets evne til å reagere på raske lastendringer.
Det som også er essensielt å forstå utover dette er hvordan implementeringen av slike optimaliserte PWM-algoritmer i praksis krever en balansegang mellom teoretiske forbedringer og praktiske begrensninger som bryterrespons, kontrollsystemets samplingsfrekvens og belastningsvariasjoner. Videre bør leseren være oppmerksom på at harmonisk innhold ikke bare påvirker motorens effektivitet, men også dens elektromagnetiske kompatibilitet og levetid. Derfor bør design av PWM-metoder alltid integreres i en helhetlig vurdering av systemets dynamiske krav, termiske belastninger og elektriske støyforhold.