I medium- og høy-effektnivåer skjer energitransport og distribusjon innenfor trefasesystemer, og konvertering fra trefase vekselstrøm (AC) til likestrøm (DC) benyttes. De grunnleggende designaspektene for dioderektifiserne er grundig behandlet i universitetslitteratur om kraftelektronikk og vil ikke bli gjentatt her. En kort gjennomgang av mulige dioderektifiserløsninger og relevante faktorer som påvirker kvaliteten på bølgeformene finnes i Tabell 17.1. Det er viktig å merke seg at den høye harmoniske innholdet i nettet strøm kan være i strid med moderne standarder for strømnettets kvalitet på visse høyere effektivitet nivåer. Tidligere kapitler har vist noen av de viktigste kravene som forventes fra effektkonvertere i ulike land, og det er lett å observere at over et visst nivå på nettstrømmen, vil denne klassen av topologier ikke møte strømnettets kvalitetskrav.

For å gi en praktisk demonstrasjon av de forskjellige topologiene som benyttes i dioderektifisering, viser Figur 17.1 en rekke alternativer: fra enkeltfase dioderektifiser med én diod, til mer avanserte trefase brorektifiser. Uavhengig av topologi er det en felles utfordring at den høye harmoniske innholdet i strømmen som tas fra nettet kan føre til problemer med strømnettsystemenes stabilitet og effektivitet.

En åpenbar ulempe ved de enklere topologiene er mangelen på kontroll over utgangsspenningen. Dette ble opprinnelig taklet med tyristorbryter (SCR)-baserte konvertere. Deres operasjon forutsetter en fasekontroll og en utgangsspenning som er lavere enn spenningen fra en dioderektifiser. Driftsbølgeformene som karakteriserer denne kraftstasjonen, illustrerer lav effektfaktor og stor reaktiv effekt som sirkulerer i systemet. Med fremveksten av kraftige halvlederkomponenter med mulighet for å slå av (som GTO-enheter), har kvaliteten på nettet strøm og de elektriske parametrene som bestemmer effektfaktorene blitt betydelig forbedret. Bruken av GTO-enheter i dioderektifiserne har åpnet for nye klasser av effektkonvertere, som skaper en utgangsspenningsbølge som består av pulser med både en likestrømskomponent og en høyfrekvent vekselstrømsswitchingkomponent.

Strømnettet genererer dermed en summert strømstrøm bestående av flere strømmer som følge av kontrollen av den ønskede pulsbølgeformen. Et viktig aspekt ved denne tilnærmingen er muligheten for å redusere total harmonisk forvrengning (THD), eller mer spesifikt, det harmoniske innholdet i strømmen som tas fra nettet. For å oppnå dette benyttes en kontrollstrategi som kan eliminere de lavere harmoniske komponentene (som 5., 7., 11., 13. harmoniske osv.). Når det benyttes PWM-teknologi med høyere switchingfrekvens, kan en sinusoidal PWM-algoritme benyttes for å oppnå en mer ideell sinusformet strøm. En kontroll av to brytere på en gang, der pulsbredde bestemmes i henhold til en sinuslov, gjør det mulig å redusere harmoniske effekter i systemet.

En annen viktig utfordring i de fleste kretsene som benytter slike løsninger er induktansen i linjen, som kan føre til overspenning ved switching. For å håndtere dette effektivt benyttes snubber-kondensatorer på tvers av de aktive halvlederkomponentene for å beskytte kretsene og redusere effekten av disse overspenningene. Dette aspektet blir kritisk når det gjelder høyere effektnivåer, der overgangen mellom ulike driftsfaser må håndteres på en robust og kontrollert måte.

I systemer som benytter høy effekt, som i tilfeller av DC-maskindrift eller forsyning av magneter i industrielle applikasjoner, er det behov for konstant DC-spenning på lastens side. I slike tilfeller er det vanlig å bruke en stor kapasitor som dominerer DC-siden, som gjør at systemet kan fungere stabilt selv under varierende belastninger.

Kretsene som benytter induktorer på DC-siden av en dioderektifiser fungerer etter prinsippet om at en spenning som er på en AC-gridside, opprettholdes med en konstant verdi på DC-busskapasitoren. Figur 17.5 viser en typisk konfigurering der induktoren fungerer som et filter, og gir en stabil konstant DC-spenning på tross av variasjoner i gridet. Når induktoren plasseres på AC-siden, blir konduksjonstiden for diodene kortere, og dette gir en mer dynamisk regulering av DC-spenningen, der den følger variasjonene på nettet.

Når det gjelder moderne strømomformere som kobles til AC-nettet, er det å forstå den dynamiske effekten som skjer ved fasevinkelen og målingene av spenningsendringer på tvers av nettet og DC-busskapasitoren, avgjørende. Man må ta hensyn til høyere strømkurver på AC-siden av konverteren og analysere hvordan disse påvirker det elektriske systemets effektivitet.

En annen kritisk forståelse som kreves er hvordan kombinasjonen av dioderektifisering og PWM-kontroller fungerer i praksis. Ved å benytte høyfrekvente switchinger, kan en nøyaktig kontroll av den gjennomsnittlige DC-spenningen oppnås, og dette gir en betydelig reduksjon i harmoniske forvrengninger som kan forringe systemets ytelse. Dette er et sentralt aspekt ved konstruksjonen av effektkonvertere, og et viktig mål er å sørge for at AC-strømmen som kommer inn i systemet, er så nær en ideell sinuskurve som mulig.

Hvordan IGBT-RB Teknologi Forbedrer Effektiviteten i Strømkretser

Den økende bruken av kraftelektroniske omformere i energiprosessering har ført til utvikling av nye topologier som Current Source Inverter (CSI), Matrix Converter, og Neutral Point Clamped Inverter (NPC). Disse topologiene krever vekselstrømsbrytere og lover høyere effekttetthet for ulike applikasjoner. En av de tradisjonelle metodene for å forhindre revers ledeevne har vært å koble en diode i serie med den vanlige IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor). Dette øker spenningsfallet under ledning, noe som igjen fører til høyere tap.

En alternativ løsning ble foreslått på begynnelsen av 2000-tallet med utviklingen av IGBT med revers blokkering (IGBT-RB). Denne teknologien har evnen til å blokkere spenning av begge polariteter uten å legge til noen ekstra seriediode. Dette gjør at IGBT-RB-enhetene tilbyr et bedre kompromiss mellom slått-av energi og spenningsfall under ledning, noe som resulterer i lavere totale tap og forbedret energieffektivitet.

Utviklingen av IGBT-RB har ført til forbedringer i flere områder. Spesielt har den redusert behovet for ekstra komponenter, som dioder, i kraftelektroniske kretser, noe som gir både økonomiske og plassbesparende fordeler. Figur 2.26 i kildedataene viser hvordan bruk av IGBT-RB i stedet for en konvensjonell IGBT-diode kombinasjon forbedrer ytelsen. Dette kan spesielt observeres ved en reduksjon i energitap under slått-av tilstand og spenningsfall under ledning, noe som er avgjørende for applikasjoner som motorstyringer, UPS-systemer og kraftforsyninger.

Når man vurderer bruken av forskjellige IGBT-teknologier, kan vi se at spesifikasjonene varierer avhengig av applikasjonens krav. For eksempel, i applikasjoner med lave bryterfrekvenser som motorstyringer, kan en IGBT med lavt spenningsfall under ledning være ideell. I slike tilfeller vil IGBT-enheten sitte i den øverste venstre delen av ytelseskurven, som representerer et kompromiss mellom effektivitetsforbedring og lavere bryterfrekvenser.

På den andre siden, for applikasjoner med høyere bryterfrekvenser, som UPS-systemer og strømforsyninger, kan en annen IGBT-teknologi være mer egnet. Dette er en enhet som er optimalisert for å redusere kravene til filtre, og den vil derfor sitte i den nedre høyre delen av ytelseskurven, hvor effektiviteten oppnås gjennom høyere frekvenser.

Når det gjelder designvalg, er det viktig å vurdere hvordan disse forskjellige teknologiene passer inn i det totale systemet. Valget av IGBT-teknologi kan ha stor innvirkning på både den totale systemkostnaden og energieffektiviteten, noe som gjør det avgjørende for designeren å forstå de spesifikke kravene til applikasjonen og tilpasse valget av komponenter deretter.

I tillegg til de tekniske spesifikasjonene som finnes i databladene for disse komponentene, er det viktig å være klar over hvordan forskjellige enheter påvirkes av testforhold og miljøfaktorer. For eksempel, de absolutte maksimale elektriske vurderingene i databladene kan være nyttige for å vurdere hvor mye en enhet kan tåle i ulike driftssituasjoner. Det er imidlertid viktig å merke seg at operasjon utenfor disse spesifikasjonene kan ugyldiggjøre garantien, og derfor bør designere være ekstremt forsiktige med å bruke disse dataene som referanse.

En annen kritisk faktor er de termiske vurderingene som følger med enhetsdataene. Det er viktig å forstå forskjellen mellom driftstemperaturen, som er den maksimale temperaturen en enhet kan operere ved, og junction-temperaturen, som refererer til den høyeste temperaturen det interne halvlederkretselementet kan oppnå. Å drive en enhet på eller over disse grensene kan føre til redusert levetid eller til og med svikt, noe som kan ha katastrofale konsekvenser for systemet.

For å sikre pålitelig drift over tid, bør designere vurdere både minimums- og maksimumsverdier for ulike parametere i stedet for bare å bruke de typiske verdiene som er oppgitt i databladene. Dette er spesielt viktig i applikasjoner som krever høy pålitelighet, som innenfor luftfart og medisinsk teknologi, hvor feil kan føre til alvorlige konsekvenser. En mer realistisk designprosedyre vil inkludere testing av komponentene under de mest ekstreme forholdene de kan oppleve i drift, og ikke bare stole på fabrikkens spesifikasjoner.

Videre, for de som designer kraftelektroniske omformere, kan det være nødvendig å forstå hvordan parasitære komponenter som induktans og kapasitans i både kretselementene og selve kretskortet påvirker den totale ytelsen. Når switching-frekvenser økes, for eksempel til 250 kHz, som i noen høyfrekvente applikasjoner, kan disse parasittiske effektene bli avgjørende for stabiliteten og effektiviteten i systemet. Designeren må derfor være ekstremt nøye med detaljer i utformingen av kretsene for å unngå uønskede resonansfenomener og overspenninger.

Hva er konsekvensene av deadtime og nullstrømsklemming i trefase PWM-omformere?

Ved bruk av Carrier-Based Pulse Width Modulation (CBPWM) i trefaseeffektomformere er en avgjørende parameter den såkalte deadtime – et tidsintervall der begge bryterne i en halvbrogren er slått av for å forhindre kortslutning mellom DC-bussens høy- og lavside. I dette intervallet overtar antiparallelle dioder strømføringen for å opprettholde strømkretsen. Ved positiv laststrøm, der strømmen går fra omformer til last, vil lavside-dioden lede etter at høyside-bryteren slås av. Dette medfører et spenningsfall over lasten i forhold til det ideelle spenningsmønsteret. Feilen i polspenningen under pulsen er proporsjonal med deadtime-bredden og DC-busspenningen.

Ved negativ laststrøm – strøm fra last tilbake til omformer – leder høyre diode etter at lavside-bryteren kobles ut, og lastspenningen får da et positivt bidrag. Uansett strømretning er spenningsfeilen konstant gjennom hele modulasjonssyklusen og uavhengig av pulsens bredde. Dette gjelder også uavhengig av referansespenningens størrelse (modulasjonsindeksen). Det innebærer at feilspenningen får større relativ innvirkning ved lave modulasjonsnivåer, typisk for V/Hz-drivsystemer i lavhastighetsområder.

Analyse av disse fenomenene forutsetter at transientene i effektbryterne er identiske gjennom hele syklusen. I virkeligheten påvirkes disse transientene av både strømstyrken og spenningen over DC-bussen. Derfor er direkte måling av lastspenningen den mest presise metoden for å analysere spenningsfeilen.

Når slike deadtime-forvrengte spenningskurver påføres en trefaset last, forårsakes strømforvrengning hver 60°. Hver fase blir påvirket to ganger per modulasjonssyklus, og forvrengningen forplanter seg til de andre fasene. Dermed introduseres en tydelig forskjell mellom den ønskede referansespenningen og den faktiske spenningen over lasten. I tillegg genereres en sjette harmonisk komponent i inverterens utgangsstrøm, noe som kan observeres i fasekomponentene, i dq-aksene og i momentbølger (torque ripple).

For å kompensere for disse feilene er det utviklet ulike metoder:

En maskinvarebasert spenningskompensator måler lastspenningen og sammenligner med ønsket referanse. Differansen brukes som korreksjon i neste puls, men metoden introduserer en uunngåelig faseskift i den påførte spenningen, som utgjør hovedbegrensningen.

Et PI-reguleringssystem kan bruke feilspenningen mellom målt og referert verdi for å generere en kompensasjonsspenning. Denne metoden er uegnet for hurtigsvitsjede systemer, men anvendelig for tregere omformere som benytter gate-turn-off-tyristorer.

En pulsbasert kompensator justerer hver puls individuelt basert på symmetrien i den tidligere pulsens utgangsspenning. Metoden er relativt insensitiv for raske laststrømsendringer.

En strømtilbakekoblingsmetode justerer pulsbredden etter laststrømmens fortegn. Dette skjer i åpen sløyfe og forsøker å tilnærme deadtime-effekten ved identiske transientforhold. Metoden kan forbedres ved å skalere kompensasjonsmengden med strømstyrken – større strømmer gir større kompensasjon, mens små strømmer får redusert korreksjon.

Strømtilbakekoblingsmetoden er den enkleste å implementere i digitale PWM-omformere som opererer ved 8–20 kHz. Ved hver sampling detekteres strømmens fortegn for hver fase, og et konstant korreksjonsledd adderes til spenningsreferansen. Metoden er anvendelig i motorstyringssystemer over hele hastighetsområdet.

Et annet forvre

Hvordan redusere harmoniske feil i trefasemotorer ved hjelp av PWM-teknikker

I systemer som benytter trefasemotorer eller -omformere, er et viktig aspekt å minimere effekten av harmoniske feil, som kan forstyrre ytelsen og redusere effektiviteten til systemet. Dette kan oppnås gjennom nøye styring av PWM (Pulse Width Modulation)-teknikker, hvor samplingsfrekvensen og modulasjonsindeksen spiller en betydelig rolle. Denne artikkelen ser på noen strategier som er utviklet for å optimere disse teknikkene og redusere harmoniske feil i strømforsyningssystemer.

Første steg i optimaliseringsprosessen er å fokusere på harmoniske koeffisienter, samtidig som man beholder samme antall svitsjeprosesser. Flere tilnærminger har blitt foreslått for å redusere harmoniske og HCF (Harmonic Carrier Frequency) i trefaseomformere, der det tas hensyn til en fast samplingsfrekvens og en bestemt modulasjonsindeks. Disse strategiene kan deles inn i følgende metoder:

En metode er den diskontinuerlige PWM-algoritmen, også kjent som to-fase modulasjon eller "flat-top"-modulasjon. Denne algoritmen innebærer at ikke hver effektkomponent i trefaseomformeren svitsjer innenfor 60° for å redusere svitsjetap. Dette tillater høyere samplingsfrekvenser, noe som reduserer strømharmoniske feil.

En annen tilnærming er frekvensmodulasjon, hvor PWM-samplingsintervallet endres med den angulære koordinaten. Dette gjør det mulig å produsere flere pulser nær bisekstoren til 60°-sektoren, noe som kan forbedre den harmoniske ytelsen. Flere studier har vist at denne metoden kan bidra til å forbedre de harmoniske feilene.

En tredje tilnærming er optimalisering av pulsposisjon innenfor PWM-samplingsintervallet. Ved å justere pulsposisjonene, kan man ytterligere forbedre harmoniske feil i systemet.

Ved høye modulasjonsindekser blir det særlig viktig å håndtere radialfeil – den feilen som oppstår på grunn av avstanden fra den ideelle sirkulære banens sentralakse. Når svitsjestyrken økes, forbedres baneformen i det komplekse planet, og feilen mellom den polygonale og ideelle sirkelbanen reduseres. Denne feilens komponenter kan deles opp i radiale (langs radiusen) og aksiale (tangensielle) retninger.

Ved lav modulasjonsindeks er den aksiale feilen mer fremtredende, ettersom nullstatene varer lengre enn de aktive statene. En løsning på dette er å dele nullstatene i flere segmenter for å forbedre PWM-mønsteret og redusere den aksiale feilen.

Ved høy modulasjonsindeks, der aktive stater varer lengre enn nullstatene, blir den radiale feilen mer relevant. For å forbedre harmonikkene ved høye modulasjonsindekser, kan man dele de aktive statene i flere segmenter, som bidrar til å redusere den radiale feilen og forbedre totalytelsen.

En videre forbedring kan oppnås ved å bruke en ny PWM-metode kalt "merged-pulse PWM", som benytter flere aktive stater i et samplingsintervall, men samtidig beholder det samme antallet svitsjeprosesser. Denne metoden kan føre til en betydelig forbedring av HCF ved høye modulasjonsindekser, opptil 40% i noen tilfeller.

I tillegg har flere forskere vist at ved å øke svitsjefrekvensen i midten av 60°-sektoren og redusere den nær de aktive vektorene, kan man forbedre strømharmonikkene. Dette kan oppnås ved å bruke sinusoidal variasjon av pulsperioden eller pulsfrequensen. Den største utfordringen med denne metoden er imidlertid implementeringen i systemer med en fast samplingsfrekvens. En løsning på dette problemet kan være å benytte en trappetrinns bølgeform som en tilnærming til den sinusoidale variasjonen i pulsfrequens.

En slik tilnærming holder samplingsfrekvensen konstant, samtidig som den tillater en variabel svitsjefrekvens. Dette kan oppnås ved å dele den 60°-sektoren i forskjellige subområder hvor det er henholdsvis én, tre eller fire pulser i løpet av et samplingsintervall. Ved å gjøre dette kan systemet fortsatt holde samplingsintervallet konstant, men endre pulsfrequensmønsteret i henhold til den angulære koordinaten.

Til slutt kan teknikker som kombinerer de tidligere nevnte metodene – som "merged-pulse PWM" og frekvensmodulasjon – gi enda bedre resultater ved å dele opp det komplekse planet for PWM-mønsteret. Denne teknikken gir en mer kompleks, men samtidig mer effektiv metode for å kontrollere PWM-strømmen i trefasesystemer.

For å forstå hvordan disse teknikkene fungerer og hvordan de kan implementeres i praktiske systemer, er det viktig å ha en solid forståelse av både de teoretiske og praktiske aspektene ved PWM. Dette inkluderer kunnskap om samplingsfrekvenser, modulasjonsindekser, og hvordan ulike feilkomponenter påvirker den totale strømmen og ytelsen til systemet. Optimalt valg av metode kan derfor avhenge både av systemkravene og de spesifikke utfordringene knyttet til harmonisk forstyrrelse i et gitt system.

Hvordan nøyaktigheten og oppløsningen påvirker PWM-algoritmer i digitale kontrollsystemer

PWM-generatorer (Pulse Width Modulation) spiller en avgjørende rolle i kontrollsystemer for strømforsyning, spesielt i applikasjoner som krever presis styring av effekt og spenning. For å forstå hvordan PWM fungerer på sitt beste, er det viktig å mestre detaljene rundt nøyaktighet og oppløsning i PWM-algoritmer. Dette er spesielt relevant når man ser på de to hovedtypene av implementering: tellerbasert og minnebassert.

Den tellerbaserte implementeringen er en generell struktur som kan anvendes på de fleste digitale løsninger, inkludert mikroprosessorer, DSP-er (Digital Signal Processors) og FPGA-er (Field-Programmable Gate Arrays). Mikroprosessorer og mikrokontrollere har lenge vært fundamentet for PWM-kontroll i små og mellomstore systemer. På den annen side gir FPGA-er og DSP-er en høyere grad av parallellisme, som gjør det mulig å implementere raskere beskyttelses- og kompenseringsalgoritmer, for eksempel dødtidskompensatorer basert på strøm eller dødtidskontroll for applikasjoner som har utfordringer knyttet til båndbredde. Selv om disse løsningene gir økt ytelse, forblir den grunnleggende prinsippet bak PWM-algoritmene uendret.

Oppløsning er et nøkkelbegrep når vi snakker om PWM-generatorer. Med oppløsning mener vi den minste endringen en PWM-generator kan registrere i referansen som blir gitt. Moderne mikroprosessorer som implementerer tellerbaserte PWM-systemer, bruker tid som en måleenhet for oppløsning. For høyoppløselige PWM-kanaler kan oppløsningen komme ned til 150 pikosekunder (ps), som er nyttig når vekselstrømsfrekvensene overstiger 200 kHz. Vanlig drift i frekvensområdet 1–25 kHz krever derimot ikke så høy oppløsning. For eksempel kan en TMS320x280x mikroprosessor med en systemklokke på 100 MHz generere 20 kHz PWM med en oppløsning på 12,3 biter i vanlig modus, og 18,1 biter i høyoppløsningsmodus.

En av utfordringene ved å bruke høyoppløselige PWM-generatorer er kvantiseringseffektene som kan føre til stabile utsving i spenningsstyrte høyfrekvente strømforsyninger. Dette fenomenet er spesielt merkbart i systemer som benytter sinusformede referanser som kvantiseres til lavere oppløsning (for eksempel 8 biter i stedet for 12 biter), og resulterer i harmoniske forvrengninger i utgangssignalet. I trefasekonvertere er dette imidlertid ikke et stort problem, ettersom strøm- og spenningsrippel er betydelig større enn kvantiseringsfeilen. I slike tilfeller er usikkerheten i stedet forårsaket av harmoniske forvrengninger.

Nøyaktighet, som er nært knyttet til oppløsning, refererer til hvor nærme de genererte pulsene er i forhold til den faktiske ønskede verdien. I minnebasserte PWM-algoritmer er nøyaktigheten begrenset av størrelsen på oppslagstabellen som brukes til å hente verdier for PWM-genereringen. Med moderne minnekomponenter på 64 MB, kan nøyaktigheten være så lav som 0,4%. Etter hvert som raskere og større minnekomponenter blir tilgjengelige, vil det være mulig å oppnå høyere nøyaktighet i minnebassert PWM.

Sammenligninger mellom forskjellige PWM-metoder, som tradisjonelle tellerbaserte systemer og de som benytter DSP/FPGA-løsninger, viser at de grunnleggende egenskapene i PWM-genereringen forblir de samme, til tross for de teknologiske forskjellene. Den største forskjellen ligger i ressursbruken og hastigheten på beregningene, hvor DSP-er og FPGA-er kan tilby større fleksibilitet og hastighet for mer komplekse algoritmer som romlige vektormodulasjoner (SVM) og andre avanserte kontrollteknikker.

PWM-teknologier fortsetter å utvikle seg, selv om mange av løsningene som brukes i dagens strømforsyninger er basert på prinsipper fra tidlig på 2000-tallet. Forståelsen av både de gamle og nye løsningene er viktig for å kunne velge riktig teknologi til ulike applikasjoner, spesielt når det gjelder høy- og mellomstrømsapplikasjoner. Det er viktig å merke seg at til tross for spektakulære fremskritt innen digital teknologi, er både gamle og nye metoder fortsatt relevante, og deres egenskaper og prinsipper spiller en viktig rolle i moderne strømstyringssystemer.

Endtext

Hvordan hardt materiale brytes under valsing når det er omgitt av mykt materiale
Hvordan Politiske Strømninger Påvirker Forskningsinstitusjoner: Et Innblikk i TIFR
Hvordan USA kan møte Kinas økende utfordring på flere fronter