I styringen av parallellkoblede effektomformere er forståelsen av småsignalmodellen i (d, q)-koordinater avgjørende for å kunne designe robuste kontrollere og sikre stabil drift. En PI-regulator kan ha ulik intern struktur, og gevinstene samt begrensningene til hver strømregulator må defineres ut fra ekvivalente kretser på (d, q)-aksene. Disse ekvivalente kretsene korresponderer avhengig av kraftretningen enten til buck- eller boost DC/DC-omformere, noe som endrer plante- og reguleringsstrukturen vesentlig.

I småsignalanalysen skiller man på hver akse med hensyn til tilstandsvariablene som strøm i induktorer og spenning over kondensatorer, alle målt i kraftoverføringsretningen. Modulasjonsindeksen m og duty-cyklene Dd og Dq er knyttet gjennom forholdet Dd2+Dq2=m2D_d^2 + D_q^2 = m^2. Når flere omformerstadier kobles parallelt, påvirker induktansene fra de andre konverterne systemets dempning, noe som gir en integrerende karakter ved lave frekvenser. Denne integrerende egenskapen er en betydelig forskjell fra enkeltstående omformere og må tas i betraktning ved modellering og regulering.

Overføringsfunksjonen mellom duty cycle og induktorkursstrøm avhenger både av topologien og antall parallellkoblede enheter. For buck-omformere introduserer induktansene en dempende effekt som stabiliserer systemet, mens boost-omformere viser lignende egenskaper, men med en mer kompleks vekselvirkning mellom lastspenning og induktorspenninger. Denne vekselvirkningen fører til at endringer i duty cycle først påvirker induktorkurstrømmen i en konverter, som deretter påvirker spenningen på lasten og videre induktorsstrømmen i de andre konverterne, noe som skaper en intern feedbacksløyfe.

En vesentlig utfordring i parallellkobling er håndtering av nullsekvensstrømmer som kan oppstå ved ulik switching i de forskjellige fasene mellom omformerne. Disse nullsekvensstrømmene representerer en integrerende komponent som kan vokse til farlige nivåer dersom det oppstår spenningsvariasjoner over interfasinduktorene. Vanlig (d, q)-kontroll, som ofte ikke inkluderer en nullsekvenskontroller, kan kompensere for feil på (d, q)-aksene, men ignorerer denne integrerende nullsekvenskomponenten. Derfor er det i systemer med parallellkoblede omformere nødvendig å implementere nullsekvenskontrollere for å begrense slike sirkulasjonsstrømmer. Siden nullsekvensstrømmen er del av differensialmodellen, krever et system med N parallellomformere kun N−1 uavhengige regulatorer.

Videre bidrar interleaving – det vil si faseforskyvning av PWM-signaler i parallellkoblede omformere – til å redusere ripple i inngangs- og utgangsstrømmer. Ved å forskyve PWM med 2π/N mellom hver konverter, reduseres ripple amplitude med en faktor N, mens ripplefrekvensen øker tilsvarende, noe som gjør filtrering enklere. Dette har vært en velkjent teknikk i DC/DC-omformere og får nå økt betydning også i trefaseapplikasjoner.

Det er avgjørende å forstå hvordan parallellkobling og interleaving endrer både den matematiske modellen og dynamikken i systemet. Disse effektene påvirker regulatorutformingen og stabilitetsanalysen fundamentalt. Manglende hensyn til nullsekvenskomponenter kan føre til oppbygging av farlige sirkulasjonsstrømmer, mens riktig bruk av interleaving kan forbedre systemets effektivitets- og harmoniske egenskaper betraktelig.

I tillegg til selve kontrollmodellen bør leseren være oppmerksom på at de småsignalanalytiske modellene, til tross for sin kompleksitet, bygger på lineære tilnærminger. Reelle systemer kan ha ikke-lineariteter og ikke-minimumsfasekarakteristikker som utfordrer stabilitetsanalysen. Derfor må småsignalmodeller suppleres med grundige simuleringer og eksperimentelle studier for å sikre sikker og pålitelig drift under alle driftsforhold.

Hvordan kan resonans i LC-filtre dempes effektivt i strømkildeomformere?

Resonans i LC-filtre utgjør en kritisk utfordring i strømkildeomformere (CSC), spesielt når frekvensen for resonans faller sammen med spektrale komponenter i inngangsstrømmen. Et effektivt tiltak er derfor å dimensjonere PWM-strategien slik at lavordens harmoniske – særlig femte og sjuende – kanselleres direkte gjennom riktig valg av modulasjon. Samtidig må komponentene i filteret (Lf + Cf) velges slik at resonansfrekvensen flyttes bort fra disse spektrale toppene, gjerne opp mot 4,6 ganger den fundamentale frekvensen.

De mest raffinerte og akademisk krevende løsningene på resonansproblemet er basert på reguleringssystemets utforming. Et sentralt prinsipp her er å introdusere en virtuell motstand gjennom styring, som implementeres i den digitale styringssløyfen og virker som en dempningsmekanisme direkte i resonansfilterets struktur. Når utgangen fra omformeren er en strøm, må det regulerte signalet være spenningen over belastningen, typisk målt over kondensatoren Cf. I anvendelser der belastningen er et motordrivverk, må den elektromotoriske spenningen (EMF) også inkluderes i kretsligningen. Ettersom motorens driftsforhold varierer med hastighet og dreiemoment, vil også resonansfrekvensen endres dynamisk. Dette gjør bruk av en virtuell motstand enda mer relevant, da den tilpasser seg slike variasjoner bedre enn passive dempningsløsninger.

Den virtuelle motstanden etableres i programvaren og avhenger av tilbakemeldingen fra spenningen Vc over kondensatoren. For å unngå at fundamentale komponenter forstyrrer dempningen, filtreres signalet gjennom et høypassfilter (HPF). Deretter kalkuleres strømmen som ville ha gått gjennom denne virtuelle motstanden, og den inkluderes i referansestrømmen Iref. HPF-konfigurasjonen skaper imidlertid en kompromisssituasjon: lav grensefrekvens gir treg respons, mens høy grensefrekvens gir forvrengning i høye frekvenser. Dermed reduseres transient dempningseffektivitet, spesielt under plutselige forstyrrelser i tilbakemeldingsspenningen fra kondensatoren. En rekke varianter av dette prinsippet er rapportert i litteraturen.

Et beslektet konsept går ut på å generere en virtuell negativ induktans i tillegg til den virtuelle motstanden. Fordelen ved denne tilnærmingen er redusert effektap i selve strømomformeren, ettersom den negative induktansen fungerer som en aktiv kompensator for reaktive svingninger uten behov for fysisk energilagring.

Alternativer til virtuelle komponenter inkluderer bruk av feedforward-kompensasjon basert på en nøyaktig modell av LC-filteret, samt kontrollformer som benytter harmoniske kompensatorer. En velkjent metode er Posicast-regulering, hvor en steppekommando deles opp i to trinn med et tidsintervall mellom dem. Ved å justere dette intervallet slik at responsen fra det andre steget kansellerer resonansen fra det første, oppnås en fri respons uten svingninger. Dette gjør metoden attraktiv i presisjonssystemer hvor hurtig og stabil respons er avgjørende.

Valg av effektkomponenter har også innvirkning på resonans og dempning. Spesielt i CSC-kretser kreves komponenter med evne til å blokkere spenning i revers. Slike komponenter – kjent som Reverse Blocking IGBTs (RB-IGBTs) – kombinerer lav konduktans, hurtig avslag og toveis strømflyt. I høyenergibruksområder anvendes ofte IGCT-enheter (Integrated Gate Commutated Thyristors), som gir høy pålitelighet og hurtig kobling, men med ulemper i form av høyt gate-slukkestrømkrav. For lavere effektnivåer anvendes MOSFET-er eller IGBT-er i seriekoblede oppsett med dioder, eller spesialiserte RB-IGBT-er. Disse reduserer totalt volum og parasittisk induktans,

Hvordan håndtere og beskytte mot reaktiv energi i matriseomformere

I tradisjonelle IGBT-beskyttelseskretser kreves spesielle hensyn ved håndtering av restenergi fra belastningen, særlig i matriseomformere, hvor det ikke finnes noen naturlig friflytningsbane for energien. Dette er avgjørende for å sikre pålitelig drift og beskytte komponentene i systemet. En vanlig løsning er å bruke en kondensator i kombinasjon med en diode-rektifiserer på nettsiden, som etablerer et spenningsnivå å begrense til. Kondensatoren som benyttes er vanligvis svært liten, og størrelsen er avhengig av lastens natur. For eksempel, i en 3 kW matriseomformer brukt i luftfartsapplikasjoner med en maksimal utgangsstrøm på 30 A og en maskininduktans på 1,15 mH, er kondensatoren ofte på 2 μF. Kondensatoren kan enten tømmes gjennom en ekstra motstand eller brukes til å drive andre hjelpesystemer, som sensorer, målinger og mikrokontrollerne.

For lavere effektbehov er det også mulig å bruke varistorer for å begrense spenningen som kan oppstå over inngangs- og utgangslinjene. Denne løsningen gir en rimelig beskyttelse mot overspenning uten behov for større passive komponenter.

En annen viktig utfordring i matriseomformere er genereringen av passende modulasjonsbølger, som sørger for at strømmen og spenningen håndteres effektivt. Spesielt er det nødvendig å bruke spesifikke PWM-algoritmer for å kontrollere spenningsbølgeformen i systemet. En av de mest vanlige metodene er sinusoidal carrier-based PWM, som ligner den tradisjonelle PWM-konverteren, men som er tilpasset matrisens spesifikke krav. Modulasjonsfunksjonen er tilordnet til hver bryter, og en konstant tidsintervall velges for å matche ønsket bærefrekvens.

For å unngå at inngangslinjene kortsluttes, er det essensielt at bryterne i samme rad aldri leder samtidig. Hver utgang skal kobles til en inngang for å sikre at strømmen kan fortsette. Dette leder til spesifikke forhold som må oppfylles for at systemet skal fungere effektivt, for eksempel at summen av modulasjonsfunksjonene for de tre inngangene alltid skal være lik 1.

Matrisen [M] som beskriver systemet, kan dekomponeres i to deler: en som representerer frekvensomformeren og en annen som håndterer statiske VAR-kompensatorer. Dette gir systemet muligheten til å håndtere både energioverføring og kompensasjon for eventuelle spenningsforskjeller som kan oppstå på utgangssiden. Matrisen som beskriver frekvensomformeren kan også benyttes til å sikre at systemet håndterer spenningen på en optimal måte ved å bruke ønskede frekvenser og faser.

En alternativ tilnærming for å generere en optimal utgangsspenning er ved å bruke romvektor-modulasjon (SVM), som kan bidra til å øke den tilgjengelige utgangsspenningen fra 0,5 til 0,866 av inngangsspenningens toppverdi. Dette kan være spesielt nyttig i applikasjoner der spenningene kan variere eller der maksimal effektuttak er kritisk.

Modulasjonsbølgene genereres ved å sammenligne de referansebølgene med en trekantet bære-frekvens. For å redusere svitsjeprosessen, kan man benytte seg av en dobbelsidig symmetrisk pulsgenerering, i stedet for den tradisjonelle enveis-svitsjeprosessen. Dette gjør at systemet kan operere mer effektivt og med færre skift per tidsenhet, noe som minsker tap og forbedrer ytelsen over tid.

En annen viktig detalj som er avgjørende for systemets pålitelighet, er at enhver av modulasjonsformene som benyttes – enten de er konjugerte eller ikke – sikrer at utgangsspenningen har et begrenset maksimalt spenningsnivå. Dette er spesielt viktig for å hindre at systemet blir overbelastet og for å opprettholde stabiliteten i lange perioder av drift.

Når det gjelder de tekniske aspektene ved matematisk modellering av matriseomformeren, er det viktig å merke seg at mens mange av de tidligere metodene for spenningsmodulering kan være tilstrekkelige for vanlige applikasjoner, vil spesifikke justeringer og forbedringer være nødvendige for å håndtere mer komplekse systemer eller applikasjoner som krever høyere presisjon og mer nøyaktig energioverføring.

Endelig, når man velger mellom ulike PWM-algoritmer, er det viktig å ta hensyn til både lastens krav og systemets effektivitet. Alle beslutninger om modulasjon bør derfor være basert på en grundig analyse av både lastens dynamikk og systemets muligheter for å håndtere variasjoner i spenning og strøm.

Hvordan litterære priser former Canadas boklandskap: Giller, GG og Sunburst
Hvordan oppnå dybde og dramatisk lys i kulltegning på tonet papir?
Hvordan kunstig intelligens og IoT kan forbedre tidlig oppdagelse og fjernovervåking i helsesektoren