Hvordan påvirker faseforskyvning mellom strøm og spenning den ekstra spenningen i trefase invertere?

Når man analyserer trefase invertere, spesielt under drift med vektorbasert pulsbreddemodulering (PWM), spiller faseforskyvningen mellom strøm og spenning en avgjørende rolle for den ekstra spenningen som tilføres systemet. Denne ekstra spenningen, som oppstår naturlig uten bruk av kompliserte algoritmer, påvirker den totale spenningen vektorens amplitude og retning, noe som har betydning for effektkontroll og stabilitet i systemet.

I intervallet fra 90° til 150° faseforskyvning (φ) kan man observere at når vinkelen α er mindre enn (φ − 90°), vil strømkomponenten (Ia, Ib, Ic avhengig av sektor) være positiv, og den tilsvarende spenningen (V1, V2, V4, V6) blir aktiv. For α større enn (φ − 90°) men mindre enn 60°, blir strømmen negativ og den ekstra spenningen settes til null. Når faseforskyvningen overstiger 150°, forblir strømmen positiv og ekstra spenningen aktiv. Dette mønsteret gjentar seg for de forskjellige sektorene i trefaseinverteren.

Den ekstra spenningen ΔV kan beregnes ved hjelp av gjennomsnittlige formler som tar hensyn til fasevinkelen α og modulajonsindeksen m. For eksempel, i det første sektoren (0°–60°), vil den ekstra spenningen avhenge av om fasen til strømmen er over eller under 90°, og regnes som en funksjon av cosine og sinus av vinkelparametere, justert med modulasjonsindeksen. Resultatet er en spenning som superponeres på den forventede spenningen og dermed justerer inverterens utgangsspenning.

Denne dynamikken har praktiske implikasjoner: under transient drift vil faseforskyvningen endre seg, og dermed også den ekstra spenningen. Dette må tas hensyn til i design og styring av invertere for å sikre optimal ytelse uten overbelastning. Metoden basert på romvektormodulasjon (Space Vector Modulation, SVM) tillater en naturlig utnyttelse av denne effekten uten behov for spesielle justeringer av algoritmen, så lenge faseforskyvningen holdes under 90°.

Forståelsen av sammenhengen mellom faseforskyvning, ekstra spenning og modulajonsindeks er derfor kritisk for å kunne utnytte inverterens fulle potensiale, og for å sikre at kraftomformere opererer effektivt i industrielle applikasjoner. Dette innebærer at det ikke bare er nødvendig å mestre de matematiske modellene, men også å kjenne til hvordan de fysiske fenomenene reflekteres i den praktiske driften.

Viktig å merke seg er at denne ekstra spenningen ikke kun er et matematisk artefakt, men en fysisk realitet som påvirker kraftkvalitet, varmeutvikling i komponenter, og muligheten til å oppnå høy dynamisk respons i motorstyring. En dypere forståelse av faseforskyvningens effekt på inverterspenningen gir derfor ingeniører og teknikere bedre verktøy til å optimere design og implementering av trefase kraftelektroniske systemer.

Hvordan Multi-Optimal PWM-teknologi Forbedrer Effektivitet og Reduserer Hverdagens Tap i Invertere

Den utviklede multi-optimale PWM-teknologien introduserer en innovativ tilnærming for å håndtere harmoniske strømmer og forbedre effektiviteten til invertere, spesielt de som er basert på Gbit-størrelse flashminne. Dette konseptet bygger på en tilpasning av den tradisjonelle romvektormodulasjonsmetoden, hvor en virtuell romvektor genereres for å tildele tid til aktive og nulltilstander, samtidig som designeren får muligheten til å velge sekvensen av tilstandene. I den multi-optimale metoden som er foreslått, er tilstandene delt på en ny måte basert på de forskjellige varighetene til tidene tₐ, tᵦ og t₀.

For å optimalisere frekvensen av bytter, spesielt ved lav modulasjonsindeks, benyttes en reduksjon av antall bytteprosesser. Dette oppnås ved å endre mønsteret fra den tradisjonelle romvektormodulasjonen. Denne prosessen benytter seg av den senterjusterte romvektormodulasjonen (CA-SVM), som har som mål å redusere antall bytteprosesser samtidig som den bevarer det samme samplingsfrekvensnivået som i høy-modulasjonsindeksområdet. Med denne tilnærmingen oppnås et mer effektivt og pålitelig system som samtidig bidrar til lavere harmoniske forstyrrelser og energitap.

For en mer detaljert evaluering ble det gjort sammenligninger mellom flere PWM-metoder: den nye løsningen "My10bit-256", løsningen i seksjon 7.5 "MOPWM-256", og den konvensjonelle romvektormodulasjonen "CASVM-256". Resultatene som ble innhentet for effektivitet, basert på en fast belastning og variasjon i modulasjonsindeks, indikerte en betydelig forbedring i effektivitet, oppnådd ved å redusere tap i inverteren med den nye modulasjonsmetoden.

Når det gjelder pålitelighet, er det avgjørende å merke seg at forbedringene som oppnås i effekttap og harmonisk reduksjon også har en direkte effekt på inverterens pålitelighet. Ved å redusere tap og varmeutvikling kan levetiden og påliteligheten til systemene økes betydelig. For eksempel viser beregninger av sviktfrekvenser for ulike modulasjonsindekser, at den foreslåtte metoden har lavere sviktfrekvenser både ved lav og høy modulasjonsindeks, noe som indikerer at inverterens komponenter vil tåle høyere belastning over lengre tid.

Ytterligere vurderinger bør tas ved analyse av temperaturpåvirkninger og deres forhold til komponentenes levetid. For å forstå de reelle implikasjonene av tap og pålitelighet i systemet, er en termisk analyse, etterfulgt av en beregning av pålitelighet, viktig. Dette kan gjøres gjennom spesifikke modeller for termisk styring som beregner sviktfrekvenser for systemer med ulike modulasjonsindekser, temperaturfaktorer og andre stressfaktorer, som for eksempel påvirkningen av miljøfaktorer.

I den relaterte analysen ble temperaturer på semikonduktorer som IGBT-er i tre-fase invertere vurdert under forskjellige driftsforhold, og resultatene viser hvordan temperaturer i komponentene kan påvirke sviktfrekvenser, spesielt ved høy-modulasjonsindeks. Denne informasjonen er kritisk for å forstå hvordan invertere med høy ytelse kan forbedres for å oppnå både høyere effektivitet og bedre pålitelighet.

Det er viktig å merke seg at selv om metoden for å redusere harmoniske strømmer og tap er lovende, er det ikke uten utfordringer. Det er nødvendig med grundige simuleringer og tester for å vurdere ytelsen under ulike driftsforhold og modulasjonsindekser. I tillegg kan tilpasningene til forskjellige inverterkonfigurasjoner og bruksområder kreve ytterligere finjusteringer for å maksimere både effektivitet og pålitelighet i praksis.