Romvektorteori har lenge vært en viktig metode for å forstå og kontrollere strøm i elektriske systemer, spesielt i tre-fase konvertere og vekselrettere. En av hovedkomponentene i denne teorien er strømmens romvektor, som kan representeres i et komplekst plan. Den ønskede posisjonen til romvektoren kan oppnås ved å kombinere ulike aktive tilstander i en gitt prøvetid. Dette gir en fleksibel tilnærming for å generere ønskede strømvektorer og kontrollere systemets ytelse.

I romvektor-teorien kan en hvilken som helst ønsket posisjon av strømvektoren alltid plasseres mellom to aktive strømvektorer, Ia og Ib, som representerer to aktive tilstander i bytteprosessen. Den gjennomsnittlige relasjonen for denne syntesen kan uttrykkes som:

Ia⋅ta+Ib⋅tb+I0⋅t0=I⋅TIa \cdot t_a + Ib \cdot t_b + I_0 \cdot t_0 = I \cdot T

Her representerer TT prøvetiden, mens tat_a, tbt_b og t0t_0 er tidene som er tildelt tilstandene IaIa, IbIb og I0I_0 henholdsvis. Det er også viktig å merke seg at en null-tilstand kan oppnås ved å aktivere bryterne på samme bein, slik at det alltid finnes en strømvei for utgangsstrømmen.

Når vi ser på kretser som den som er vist i figur 22.20, kan vi konvertere strømvektorstyring til spenningsvektorstyring. Dette gjør det mulig å bruke nettspenningen som en feed-forward-komponent som kan kompensere for harmoniske forstyrrelser eller andre forvrengninger i nettet. En viktig tilnærming i denne sammenhengen er å bruke romvektor-teorien i spenningstermer, og resultatene kan skrives som:

ta=T⋅kv⋅sin⁡(60∘−δ)t_a = T \cdot k_v \cdot \sin(60^\circ - \delta)

tb=T⋅kv⋅sin⁡(α)t_b = T \cdot k_v \cdot \sin(\alpha)
t0=T−ta−tbt_0 = T - t_a - t_b

Her representerer kvk_v en skaleringsfaktor for spenningen, og α\alpha og δ\delta er vinklene som definerer posisjonen til de aktive tilstandene. Denne tilnærmingen gjør det mulig å håndtere spenningens realtids-envelope EmE_m som kan kompensere for nettforvrengninger, og dermed forbedre systemets stabilitet og effektivitet.

En av fordelene med denne metoden er at den lar oss justere for eventuelle ubalanser i nettspenningen, og samtidig opprettholde ønsket kontroll over systemet. Denne kompensasjonsmetoden drar fordel av forskningsresultater som har vist seg effektive i praksis, som dokumentert i flere studier. Imidlertid har denne metoden en ulempe: den begrenser den maksimalt tilgjengelige spenningen til minimumsverdien av EmE_m, som kan være en utfordring under spesifikke driftsforhold.

I tilfelle av generaliserte vektortransformsjoner, kan man betrakte en generell sett med tre spenninger som må transformeres til et annet sett med spenninger. Dette er en nødvendig prosess for å knytte de konvensjonelle vektorstyringsteoriene med spesielle bølgeformer som er relevant for moderne vekselrettere og konverteringssystemer. I denne sammenhengen er det viktig å forstå at vektorrommet for tre-fase systemer har en dimensjon på tre, og at enhver base for dette rommet kan defineres ved hjelp av orthonormale vektorer, som sørger for at alle nødvendige vektorer i rommet kan beskrives som en lineær kombinasjon av disse basene.

Når vi bruker en ortonormalisert base, kan vektorene b1b_1, b2b_2, og b3b_3 representere de grunnleggende komponentene for et tre-fase system, og analysen kan fortsette ved å bruke matriseuttrykk for å håndtere den generelle transformasjonen mellom spenningene. For eksempel kan man bruke forskjellige modulerte signaler for å forbedre effektiviteten i vekselretterdrift.

Det er også verdt å merke seg at når den null-sekvensen utelates, kan analysen forenkles ytterligere ved å fokusere på de to første komponentene, som er tilstrekkelige for å beskrive mange praktiske tilfeller i tre-fase konvertere. Denne tilnærmingen har blitt brukt i ulike diskontinuerlige PWM-algoritmer for å oppnå høyere effektivitet og bedre kontroll i disse systemene.

For de som arbeider med avansert styring av elektriske systemer, er det essensielt å forstå hvordan man kan manipulere vektorene for å tilpasse seg endringer i systemdynamikk. Metodene som er beskrevet her gir et solid grunnlag for å utvikle kontrollsystemer som kan håndtere både harmoniske forvrengninger og spenningsubalanse i tre-fase systemer.

Hvordan Kontrollere Strøm og Spenning i Effektive Strømforsyningssystemer?

Moderne kraftsystemer, spesielt de som bruker vekselstrøm og likestrøm, krever presis kontroll av både strøm og spenning for å sikre optimal ytelse og stabilitet. Når man ser på spesifikke komponenter som strømforsyninger, invertere og omformere, blir det tydelig at detaljert forståelse av strømstyring og kontrollmetoder er avgjørende. Dette er spesielt viktig i systemer som benytter seg av regulerte hastighetsdrifter og resonante omformere som krever sofistikerte metoder for effektkontroll.

En grunnleggende komponent som brukes i slike systemer er den såkalte "current source converter" (CSC), eller strømforsyningsomformer. Denne enheten spiller en nøkkelrolle i mange industrielle og kommersielle applikasjoner, da den sørger for å konvertere strøm fra én form til en annen, enten det er fra vekselstrøm til likestrøm eller omvendt. En av de viktigste egenskapene ved disse omformerne er deres evne til å håndtere dynamiske variasjoner i strøm og spenning, og dermed opprettholde systemets stabilitet.

Når det gjelder kontrollmetoder, er det to hovedtyper av kontrollsystemer som ofte benyttes: åpne og lukkede kontrollsløyfer. Lukkede sløyfer, som innebærer kontinuerlig tilbakemelding av systemets ytelse, er spesielt viktige i strømforsyningssystemer for å sikre at utgangene forblir stabile selv når det skjer endringer i belastningen eller inngangene. De fleste moderne kontrollmetoder for strøm innebærer komplekse algoritmer som kan håndtere vektorisering av strøm og spenning, dekomponering av aktive vektorer og til og med inkludering av harmoniske strømmer for å forutse og justere systemets respons på uforutsette endringer.

En annen kritisk faktor er evnen til å håndtere og kontrollere høyfrekvente fenomen som aktiv strøminnsprøytning og høyfrekvent harmonisk forvrengning. Aktiv strøminnsprøytning refererer til metoden der systemet aktivt injiserer strøm inn i nettet for å motvirke negative effekter som kan oppstå på grunn av ikke-lineære belastninger eller frekvensavvik. Dette kan i stor grad forbedre kvaliteten på strømmen som leveres til systemet, men det stiller også høye krav til kontrollalgoritmenes presisjon og hastighet.

Effektiv styring av spenning og strøm krever at man er i stand til å analysere og forstå komplekse dynamiske systemer. Bruken av modelleringsteknikker som vektorial analyse, PI-regulatorer og switching-funksjoner er sentral i denne sammenhengen. For eksempel kan en vektorrepresentasjon av aktive vektorer hjelpe til med å forstå hvordan strøm og spenning interagerer i sanntid og tillate mer presis kontroll over systemets respons på endringer.

Når man ser på fremtidens teknologi, er det viktig å merke seg at utviklingen av silisium-karbid (SiC) og gallium-nitrid (GaN) enheter har revolusjonert måten disse strømforsyningssystemene opererer på. Disse enhetene er mer effektive ved høye spenninger og temperaturer, og gjør det mulig for systemene å håndtere høyere strømmer uten å overopphetes. Dette kan føre til betydelige forbedringer i både ytelse og levetid for disse systemene, noe som igjen reduserer driftskostnader og behovet for vedlikehold.

En annen viktig vurdering for design av strømforsyningssystemer er elektromagnetisk interferens (EMI). Denne typen interferens kan føre til alvorlige problemer i følsomme elektriske systemer, som de som brukes i medisin, telekommunikasjon og romfart. Effektiv skjerming og filtrering er nødvendige for å minimere disse forstyrrelsene, samtidig som systemets effektivitet opprettholdes.

I tillegg til de tekniske spesifikasjonene, er det også viktig å vurdere de økonomiske og miljømessige aspektene ved designen av strømforsyningssystemene. De siste årene har det vært et sterkt fokus på energieffektivitet og bærekraft, spesielt i bransjer som automotive og fornybar energi. Innovasjoner som kan redusere energitap og øke systemets levetid uten å kompromittere ytelsen, er derfor av stor interesse.

I tillegg bør man også være oppmerksom på den betydningen som den digitale transformasjonen har på design og drift av strømforsyningssystemer. Bruken av digitale tvillinger (digital twins) og avanserte simuleringsteknikker gjør det mulig å forutse problemer og optimalisere systemytelse på en måte som var umulig for bare noen få år siden.

Hvordan dimensjoneres og beskyttes effektomformere i motor- og nettapplikasjoner?

Når effektomformere anvendes i motorstyringer, avhenger deres dimensjonering i stor grad av motorens egenskaper. Det er avgjørende å forstå lastkarakteristikkene, spesielt maksimalt tilgjengelig dreiemoment. Ofte tas det høyde for en overbelastning på omtrent 60 % utover nominelt dreiemoment, enten ved direkte dimensjonering for denne belastningen eller ved å redusere det nominelle dreiemomentet. Maksimal fase-strøm kan utledes fra motorens nominelle effekt, men det er viktig at effektomformeren kan håndtere hele tilsynelatende effekt, som inkluderer både aktiv effekt som genererer dreiemoment og reaktiv effekt som sirkulerer i systemet. Beregning av maksimal aktiv effekt som effektomformeren må prosessere, er mulig dersom virkningsgrad og effektfaktor er kjent ved en gitt driftstilstand, men siden disse parameterne varierer sterkt med driftsmodus, er dette en usikker metode.

Etter at motorens data er analysert for maksimal fase-spenning og strøm, må valg av effektbrytere inkludere tilleggsmarginer for overspenning og overstrøm. Disse marginene er viktige for å sikre pålitelig drift under transienter og kortvarige belastninger. I nettapplikasjoner, hvor strømmen hovedsakelig overføres ved fundamentalfrekvensen, kan effektbryterne dimensjoneres etter aktiv effekt og tillatt effektfaktor. Spenningen på nettet setter automatisk en maksimal grense for spenningen på effektbryterne, og begge parametrene vurderes med hensyn til overstrøm og overspenning. Moderne effektomformere uten snubber-kretser krever ofte ikke overdimensjonering av spenningsklasse utover driftsspenningen, noe som gir en mer effektiv design.

Kjølesystemet spiller en kritisk rolle i dimensjoneringen av effektomformere. Tap forårsaket av brytings- og ledningstap må estimeres nøyaktig, enten gjennom modellering eller fra datablad. For eksempel tilbyr produsenter som Powerex detaljerte data om brytingstap for ulike driftsbetingelser. Disse tapene sammen med ledningstapene bestemmer kjølebehovet. Informasjon om kjølesystemets type (luft eller væske), samt temperatur og trykk på kjølemediet, må integreres i termiske beregninger for å sikre at semikonduktorens skjøte-til-kapsling temperatur ikke overskrider grensene. I krevende situasjoner, som ved høy inntakstemperatur på kjølemediet i bilapplikasjoner, kan det være nødvendig å velge effektbrytere med høyere strømkapasitet som teknologisk tåler høyere termisk belastning. Dette kan ofte være en mer kostnadseffektiv løsning enn å forbedre kjølesystemet.

Beskyttelse mot ekstreme driftsforhold og feil er en standardisert del av alle moderne effektomformere. Overstrøm kan oppstå av flere årsaker, blant annet isolasjonsfeil, feilkoplinger og jordfeil. Disse feilene kan føre til kortslutninger mellom faser eller mot jord, noe som krever at systemet kan oppdage og reagere raskt. Måling av fase-strømmer er et vanlig virkemiddel, men det er viktig å måle alle tre faser for å kunne oppdage jordfeil i alle ledninger, da noen systemer kun måler to faser og beregner den tredje, noe som kan gjøre dem blinde for enkelte feil.

En annen kilde til overstrøm er shoot-through eller kryssledning, hvor en feil i styringen av effektbryterne fører til at to brytere i samme ben leder samtidig, og dermed kortslutter DC-bussen. For å beskytte mot dette brukes overvåkning av spenningsfallet over hver bryter. Desat-beskyttelse er en vanlig metode hvor spenningen over transistoren sammenlignes med en referanse fastsatt av en zener-diode. Dersom transistoren ikke er fullstendig mettet, øker spenningsfallet og bryteren stenges av umiddelbart. Dette hindrer skade på komponentene ved feil.

Ved utløsing av overstrømsbeskyttelse stenges normalt alle seks porter i en trefase inverter samtidig. Dette kan føre til store spenningsspisser på grunn av induktive komponenters forsøk på å opprettholde strømmen. For å dempe dette kan en myk nedstengning brukes, hvor portene slås av med høyere portmotstand for å redusere avkoblingshastigheten. Dette reduserer spenningsspissene, men krever mer kompleks styring og synkronisering, og anvendes derfor primært i lavere effektnivåer hvor integrert kretsteknologi kan implementeres.

Viktigheten av riktig dimensjonering og beskyttelse kan ikke overvurderes, da feil kan føre til alvorlige skader på både effektomformer og tilknyttet utstyr. Derfor må alle aspekter av strøm, spenning, termisk belastning og feiltilstander vurderes samlet i en helhetlig designprosess.

Hvilke fordeler gir resonante høy-effekts omformere i dag?

Historisk sett var det første mye brukte halvlederkomponenten for kraftomformere silisium-kontrollerte rektifiserere (SCR), også kjent som thyristorer. Denne komponenten kunne slås på ved hjelp av et kontrollsignal og fungere som en diode før de eksterne kretsbetingelsene slo den av. Bruken av SCR i inverterapplikasjoner krevde spesielle kretsløp for å slå av komponenten, og noen av disse kretsene ble bygget med resonante L-C-nettverk.

Videre utvikling av gate-turn-off (GTO) enheter for høy-effekt omformerkretser forenklet byggingen av invertere. GTO-enhetene hadde en stor hale-strøm ved avstengning, og for å optimalisere effektiviteten ble behovet for resonante kretser gjenopprettet. I løpet av 1980-årene ble IGBT-er (Insulated Gate Bipolar Transistor) den dominerende enheten for kraftomformere. I 1982 kunngjorde både RCA og General Electric oppdagelsen av denne enheten, og i de tidlige 1990-årene var nesten all produksjon av kraftomformere i 10-100 kW området basert på IGBT-er. Første generasjon IGBT-er hadde imidlertid fortsatt store svitsjetap, og reduksjon av svitsjetap i IGBT-er ble ett av de viktigste forskningsområdene på 1990-tallet. Mange forskere, i en eller annen form, ble involvert i utviklingen av nye resonante omformere for høy-effekt applikasjoner.

To viktige forskningsretninger har oppstått fra disse aktivitetene. Den første retningen omfatter utvikling av nye resonante omformerkretser. Disse kan klassifiseres på flere måter: etter plasseringen av den resonante kretsen (i DC-bussen, på hver ben av omformeren, rundt hver halvlederbryter eller i utgangen), etter typen signal som reduserer tapene (null spenning eller null strøm ved svitsjing), og etter kompleksiteten til den resonante kretsen (kontinuerlig resonant drift eller synkron resonans før ønsket svitsjing). Denne forskningen har også inkludert matematisk modellering av resonante kretser, valg av komponenter, og forståelse av hvordan variasjoner i passive komponenter påvirker kretsens ytelse.

Den andre retningen har vært rettet mot systemaspektene ved resonante kretser og forbedringer i effektivitet. Flere viktige temaer har blitt analysert, som forståelsen av reduksjon i svitsjetapene på nivået til strømbryteren, evaluering av ekstra tap introdusert av den resonante kretsen og styringen av resonanssvingningene, samt implikasjonene for påkjenninger på halvlederkomponentene. Denne retningen har også sett på implementering av digitale styringer som optimaliserer timingen av svitsjingen.

Det største bidraget fra denne forskningen har vært anerkjennelsen av de potensielle ulempene ved resonante omformere, og å etablere en korrekt sammenligning av tap på systemnivå i stedet for på bryternivå. Noen forskere hevder at resonante omformere gir fordeler ved å spre tapene over flere komponenter, noe som kan hjelpe kjølesystemene. Dette er en sannhet som utvider bruken av resonante omformere til et mer generelt spekter av applikasjoner. På 1990-tallet ble det rapportert at omformere med myk svitsjing kunne spare opptil 10 % av svitsjetapene, men nyere implementeringer hevder en reduksjon i tap på 2-5 %. Det er viktig å forstå hvordan slike besparelser er estimert.

I løpet av 1990-tallet utviklet halvlederteknologien seg kontinuerlig, og de nyeste generasjonene IGBT-er har nå svært raske svitsjetider og betydelig reduksjon i tap. Første generasjon IGBT-er hadde en stor ulempe med en lang avstengingstid — opptil 2 ms, men teknologiske fremskritt har redusert dette til under 200 ns. De nyeste IGBT-ene, spesielt designet for omformere og UPS-applikasjoner, kan nå stenge av på under 100 ns, noe som reduserer tapene og gjør IGBT-er konkurransedyktige med MOSFET-er i høyspentapplikasjoner som opererer på frekvenser over 100 kHz. Den maksimale svitsjefrekvensen har også økt fra 10 kHz til mer enn 100 kHz.

Når man vurderer utviklingen i IGBT-teknologi, er det viktig å merke seg at på grunn av de høyere svitsjetapene i hardt svitsjede omformere, ble bruken av resonante kretser redusert i stor-skala produksjon av omformere i området 10-100 kW. De fleste produsenter av kraftomformere valgte en konservativ tilnærming og fortsatte produksjonen av hardt svitsjede omformere, samtidig som de jobbet for å optimalisere gate-driverkretser og redusere parasittiske tap.

Imidlertid er det fortsatt mange applikasjoner der resonante kretser er det beste valget. Høyspennings- og høy-effektomformere som bruker SCR, GTO eller eldre generasjons IGBT-er kan fortsatt dra nytte av resonante teknikker. I tillegg kan omformere som opererer i svært høye temperaturer ha fordeler av resonante kretser, da disse kan bidra til å redusere varmetapene og forbedre den generelle effektiviteten i slike utfordrende miljøer.

Hvordan fungerer desentraliserte børser og plattformene for samlet handel?
Hvordan lage en smaksrik grønnsaksgryte med aubergine og sveitsisk chard
Hvordan de klassiske bilene ble ikoner og deres rolle i motorsportens historie
Hvordan Lineær Respons Funksjonerer i Fysiske Systemer
Hvordan integrering av menneskelig tilsyn og sikkerhetsbarrierer styrker autonome systemer