Hvordan bygge effektive AC/AC-matriseomformere med IPM-moduler og deres anvendelser

Utfordringer ved implementering av AC/AC-matriseomformere er godt dokumentert, spesielt når det gjelder realiseringen av bidireksjonale brytere, som ikke er lett tilgjengelige på markedet og krever spesialtilpasset innpakning. En mulig løsning for å omgå dette problemet innebærer bruk av tre trefase strømforsyningsomformere (CSC), som er koblet sammen som vist i figur 22.7. Denne tilnærmingen gjør det mulig å bygge en matriseomformer ved hjelp av eksisterende teknologi og kompetanse, samtidig som man unngår de tekniske utfordringene som følger med bidireksjonale brytere.

En viktig hensikt med denne løsningen er at den tillater modulene å opprettholde en nesten sinusformet enhetsfaktor strøm på inngangssiden. Dette blir oppnådd ved å redusere størrelsen på utgangskondensatoren, som gir bedre kontroll over omformeren og gjør det mulig å følge et sinusformet bølgeformmønster. Figur 22.8 viser en implementering med IPM-moduler, som viser hvordan de nødvendige enhetene kan kobles sammen på en måte som sikrer høy ytelse med minimal kompleksitet.

Videre er dyadiske matriseomformere, som ble introdusert i teorien i [18], en annen lovende tilnærming. I denne tilnærmingen benyttes unidireksjonale brytere for å lage et forhold mellom inngang og utgang som kan uttrykkes som:

Denne formelen kan brytes ned i to deler: en frekvensomformer og en statisk VAR-kompensator. Dette gjør det mulig å utvikle mer effektive PWM-algoritmer for matriseomformere som opererer direkte mellom AC-til-AC.

Et viktig poeng i utviklingen av disse omformerene er kontrollalgoritmene. De vanligste metodene for å kontrollere matriseomformere er basert enten på en skalar sinusformet PWM-tilnærming eller ved bruk av en vektorbasert modell for AC/DC-konvertering. Begge metodene gir muligheten til å oppnå ønsket utgangsspenningsbølgeform, enten gjennom en sinusformet referanse eller ved å injisere tredje harmoniske komponenter for å forbedre effektiviteten.

En annen viktig innovasjon er bruken av multilevel-konvertere, som er spesielt egnet for høyere spenninger på DC-bussen. Multilevel-konvertere gjør det mulig å produsere flere spenningsnivåer i utgangen, noe som gir en jevnere spenningsoverføring og reduserer spenningstoppene. Ved hjelp av IPM-enheter kan multilevel-konvertere bygges med flere effektmoduler som gir høyere pålitelighet og lavere tap, noe som er avgjørende for kraftige industrielle applikasjoner som høyspente motorer og strømningsstyring i store maskiner.

Cycloconvertere, en gammel, men fortsatt relevant teknologi, er også et alternativ for kraftige applikasjoner, spesielt i områder som sementproduksjon, skipsdrift, og jernverksprosesser. Til tross for utfordringene med passive komponenter, tilbyr cycloconvertere en direkte løsning for å generere et bølgeformsmønster som inneholder mye av den fundamentale frekvensen, noe som gjør dem ideelle for motorstyringsapplikasjoner.

Når man designer disse avanserte omformerene, er det avgjørende å forstå forholdet mellom spenningsnivåene, harmoniske effekter, og hvordan de påvirker systemets ytelse. Spesielt er det viktig å vurdere hvilke filtre som er nødvendige for å oppnå ønsket kvalitet på utgangsspenningen. Både sinusformede referanser og tredje harmoniske referanser kan brukes for å forbedre systemeffektiviteten, men det krever presis kontroll over både aktive og passive komponenter.

Effektiviteten til disse systemene kan forbedres ytterligere med lukket sløyfe PWM-kontroll, som gir mer presis regulering av utgangsspenningen og reduserer tap i systemet. Dette gjør det mulig å bruke omformerne med lavere spenning på kondensatorbankene og reduserer samtidig spenningshoppene, noe som forlenger levetiden til de aktive komponentene.

Endelig er det viktig å merke seg at utviklingen av nye omformerteknologier og kontrollmetoder er et kontinuerlig felt for forskning, og disse løsningene vil være avgjørende for fremtidens energieffektive og pålitelige strømforsyningssystemer.

Hvordan fungerer høy-effekt halvlederkomponenter i moderne kraftsystemer?

Power MOSFETs fungerer ved at en elektrisk feltstyrt port kontrollerer strømmen mellom drain og source, noe som gir rask og effektiv switching med lavt tap ved lave til middels spenninger. Kontroll av disse enhetene krever presise gate-signaler, hvor riktig valg av gate-motstand og beskyttelsesmekanismer er essensielt for å unngå overspenning og overstrøm. Forståelsen av synkron likeretting er avgjørende for å utnytte Power MOSFETs i moderne omformerkretser, da dette minimerer effekttap og forbedrer systemets samlede effektivitet.

IGBT-er kombinerer egenskapene til både MOSFET og bipolare transistorer, noe som muliggjør håndtering av høyere spenninger og strømmer med en relativt enkel gatekontroll. Drift av IGBT krever nøye tilpasning av gate-driverkretser, spesielt med tanke på tidskonstanter og beskyttelse mot kortslutning. Valg av gate-motstand er en finbalanse mellom rask switching og minimal oversvingning i gate-spenningen, og beskyttelse mot termisk overstress må integreres for å sikre lang levetid.

Estimering av effekt-tap i disse komponentene er en kompleks oppgave, som involverer både statiske tap under ledningstilstand og dynamiske tap under switching. Effektiv gate-driverdesign spiller en sentral rolle i å optimalisere disse tapene ved å minimere overgangstiden uten å introdusere oversving eller EMI-problemer.

GTOs, som er mindre vanlige i dagens applikasjoner, tilbyr fordelen av kontrollert avstengning gjennom gate, men krever betydelig mer komplekse drivkretser og beskyttelse. Utviklingen av avanserte effektkomponenter, inkludert spesialiserte enheter for høyfrekvente og høyspenningsapplikasjoner, åpner stadig nye muligheter innen kraftelektronikk. Disse enhetene drar nytte av materialinnovasjoner og forbedret chip- og pakningsteknologi for å nå høyere effektivitet og pålitelighet.

Det er også viktig å forstå de utfordringer som oppstår i praktisk bruk, som termisk håndtering, elektromagnetisk kompatibilitet, og livslengdebegrensninger på grunn av termisk og elektrisk stress. En helhetlig tilnærming til design av kraftsystemer må derfor inkludere ikke bare komponentvalg, men også optimalisert kjøling, nøye styring av spennings- og strømbelastninger, samt implementering av robuste beskyttelsesmekanismer.

Videre har utviklingen av nye halvledermaterialer som wide-bandgap-materialer (for eksempel SiC og GaN) revolusjonert feltet, ved å muliggjøre enheter med høyere brytespenning, raskere switching og lavere tap. Disse teknologiene krever tilpassede målemetoder for strøm og spenning, samt spesifikke applikasjonsvurderinger for å oppnå optimale resultater. En grundig forståelse av disse aspektene er avgjørende for ingeniører som ønsker å utnytte de nyeste innovasjonene i effektkomponenter.

Endelig er det viktig å se hvordan disse komponentene opererer i samspill med invertertopologier, særlig i trefase-omformere der kontrollalgoritmer som pulsbredde-modulasjon (PWM) og vektorbaserte metoder styrer effektflyten. Her spiller både enhetens elektriske egenskaper og drivkretsens kvalitet avgjørende roller for systemets dynamiske ytelse og effektivitet.