Hva er fordelene og utfordringene med forskjellige typer multilevel-konvertere?

En viktig fordel med topologien for flytende kondensatorer er dens innebygde redundans. Samme spenningsnivåer kan oppnås med forskjellige kondensatorforbindelser. Denne fleksibiliteten representerer en betydelig fordel, da spenningen på de flytende kondensatorene kan kontrolleres ved å velge de riktige brytertilstandene. Dette gjør det mulig å tilpasse systemet etter ulike driftssituasjoner, som for eksempel varierende belastninger eller spenningsfluktuasjoner. Denne redundansen er avgjørende for å sikre at systemet fortsatt fungerer pålitelig selv ved endringer i betingelser eller komponenter.

Likevel er det et klart ulempe ved denne topologien: kontrollalgoritmen er relativt komplisert. For at systemet skal fungere optimalt, er det viktig at kondensatorene har riktig verdi og at de fungerer innenfor et smalt temperaturområde. Slitasje på kondensatorene, forårsaket av langvarig drift eller temperaturendringer, kan føre til at systemet mister effektiviteten, og kan til og med føre til feilfunksjoner hvis ikke vedlikeholdet er tilstrekkelig.

På den andre siden har diode-klampede multilevel-konvertere, som er blant de mest brukte strukturene, en enklere kontrollmekanisme sammenlignet med flytende kondensatorer. For disse kreves det en spenning som er delt på kondensatorer og klampes ved hjelp av dioder. For en tre-nivå konverter, som vist i Figur 21.5, kreves det kun to kondensatorer og et begrenset antall dioder. Dette gjør at denne strukturen er mer effektiv i applikasjoner der kostnader og enkelhet er viktigere enn høy grad av fleksibilitet.

En betydelig ulempe med denne topologien er imidlertid behovet for flere dioder, samt det utfordrende kontrollsystemet som er nødvendig for å opprettholde en konstant spenning på kondensatorene. Dette gjør at denne strukturen i hovedsak er begrenset til tre-nivå, fire-nivå eller fem-nivå konvertere, og er spesielt godt egnet for applikasjoner med middels høy effekt, som motorstyringer i mellomspenningssystemer.

Når det gjelder design og vurdering av komponenter, er en viktig fordel med multilevel-konvertere at de reduserer spenningen som hvert krafthalvlederelement må blokkere under drift. Dette gjør det mulig å bruke lavere klassifiserte halvlederkomponenter, som IGBTs med lavere spenningsrating, i mellom- og høyeffektapplikasjoner. Dette gir en betydelig kostnadsbesparelse, samtidig som ytelsen i systemet opprettholdes.

Ved design av slike systemer er det også viktig å ta hensyn til hvordan passive filtre brukes. Multilevel-konvertere har den fordelen at de bedre kan tilnærme en sinusformet bølge, og dermed redusere kravene til passive filtre i vekselstrømsstrømforsyninger eller i tilkoblede applikasjoner. Dette kan føre til enklere og mer kostnadseffektive systemer, samtidig som man unngår noen av de utfordringene som kan oppstå ved mer tradisjonelle systemer.

Hvordan kan harmonisk eliminering og styring av trefaseomformere optimaliseres?

For å forstå og forbedre ytelsen til trefaseomformere, må vi se nærmere på harmonisk eliminering og styringsprinsipper basert på matematisk modellering av bryterfunksjoner. Ved et gitt grunnleggende innhold (A1) er det N − 1 frihetsgrader til disposisjon for harmonisk eliminering. De ikke-lineære betingelsene for eliminering av harmoniske komponenter øker kompleksiteten i optimeringsberegningene betydelig. For eksempel stilles betingelser som A5 = 0, A7 = 0, A11 = V og A13 = 0, hvor 2M er antallet brytertidspunkter innenfor et 30° intervall og V er ønsket fundamentalt spenningsnivå. Løsning av dette systemet gir sett av verdier for brytevinklene αk for hvert V, noe som kan visualiseres grafisk for å vise hvordan femte, sjuende og andre harmoniske kan elimineres fra signalet.

Ulike bølgeformformer med og uten harmonisk eliminering illustreres i eksempler hvor modulasjon benyttes for å kansellere opp til den 13. harmoniske, og dermed redusere total harmonisk forvrengning (THD) og dreiemomentharmoniske betydelig. Avanserte optimeringskriterier, som minimering av THD eller harmonisk forvregningsfaktor (HCF), kan benyttes, men dette krever ofte omfattende dataprogrammer som Mathcad eller Mathematica på grunn av beregningsmessig kompleksitet.

En spesiell metode for harmonisk eliminering er binærprogrammert PWM (pulsbreddemodulasjon), der 30° intervallet deles inn i et fast antall like store segmenter. Ved hvert samplingstidspunkt defineres en variabel som optimaliseres til enten å være positiv eller null. Ved hjelp av symmetri bygges hele bølgeformen opp i mikrokontrollerens minne, noe som gjør det mulig å oppnå svært lave nivåer av høyere harmoniske – for eksempel under 0,45 % av den fundamentale komponenten – og redusere dreiemomentharmoniske til under 3 % av fundamentalt dreiemoment ved bruk i asynkronmaskiner.

Modellering av trefaseomformere gjøres effektivt ved bruk av bryterfunksjonskonseptet. Dette gir en matematisk beskrivelse av brytertilstander som periodiske funksjoner sammensatt av rektangulære pulser, som veksler mellom et begrenset antall tilstander. Denne fremgangsmåten reduserer behovet for komplekse kretsekvationer betydelig og muliggjør simulering av systemet uten å måtte inkludere alle transiente effekter i detaljer. Spenningene på belastningen kan uttrykkes som funksjoner av bryterfunksjonene, og også likestrømsstrømmen kan beregnes direkte fra disse funksjonene.

Et alternativ til aktiv bremsing er DC-bremsing, hvor likespenning påføres to av motorfasene for å generere et statisk magnetfelt i statoren som demper rotasjonen. Denne metoden lagrer bremseenergien i motoren og kan føre til overoppheting, derfor brukes den kun ved lave hastigheter.

DC-bussens kondensatorbank spiller en avgjørende rolle i trefaseomformere, spesielt ved å redusere ripple i likestrømmen som mates til omformeren. Valg av kondensatorer og vurdering av rippleegenskaper er viktig for stabil drift og levetid på systemet.

Det er vesentlig å forstå at harmonisk eliminering ikke bare forbedrer kvaliteten på utgangsspenningen, men også reduserer mekaniske belastninger og støy i motorapplikasjoner. Optimalisering av brytersekvenser og moduleringsteknikker krever en grundig kombinasjon av matematisk modellering og praktisk implementering i sanntidssystemer. Videre påvirker valg av bremsemekanismer systemets dynamiske respons og termiske stabilitet, noe som krever nøye vurdering av både elektriske og mekaniske parametere for å sikre pålitelig og effektiv drift.