I motsetning til de konvensjonelle bro-lignende seks-bryter omformerne, der komplekse beregninger er nødvendige for å oppnå ønsket spenning, forenkles PWM-algoritmene i flertrinns omformere betydelig når man bare arbeider med nærliggende spenningsnivåer. Dette gjør det lettere å forstå og implementere. En typisk flertrinns omformer kan generere spenning med flere nivåer, noe som i sin tur gir en mer stabil og jevn spenning på utgangen.

En viktig funksjon ved en omformer er dens evne til å produsere en sinusformet spenning. Dette oppnås gjennom flertrinns omformere ved å fremstille den delen av den sinusformede bølgen som ligger mellom to tilstøtende spenningsnivåer, for eksempel nivå k og nivå k + 1. Deretter justeres den gjennomsnittlige pulsen i henhold til denne delen av den sinusformede bølgen. PWM-genereringen tar utgangspunkt i symmetriene som finnes i et tre-faset system, og gjør at man kan oppnå ønsket spenning i et tre-faset system på en mer effektiv måte.

Som forklart i figuren 21.8, er operasjonen av PWM i flertrinns omformere nært beslektet med konvensjonell PWM brukt for å variere spenningen i DC/DC-omformere. Når man ser på strukturen til et generisk flertrinns system som vist i figur 21.9, kan vi abstrahere fra den faktiske omformerens skjema og fokusere på selve PWM-algoritmen. Dette gjør det lettere å forstå hvordan PWM-generering fungerer, uavhengig av omformernes spesifikasjoner. I figur 21.10 ser vi hvordan PWM-genereringen fungerer for en fire-nivås omformer, der den generiske tilstandsveksleren fra figur 21.9 kobles til tilstanden i figur 21.10 basert på den umiddelbare posisjonen til den sinusformede bølgen i forhold til de trekantede bølgene.

I et flertrinns system kan PWM-operasjonen tilpasses ved å bruke forskjellige algoritmer som beskrives i litteraturen. Sinusformet PWM, som er en av de mest brukte metodene, kan tilpasses for flere nivåer ved å injisere høyere harmoniske i referansesignalene. Spesielt i et tre-faset system kan en tredjeparts-harmonisk injiseres for å øke utgangsspenningen i en stjernesambundet last. Som uttrykt i ligning (21.2), er modulasjonsindeksen et viktig verktøy som styrer hvordan referansesignalene samhandler for å skape ønsket spenning på utgangen.

Sinusformet PWM kan dog ha noen begrensninger. For eksempel, i en stjernesambundet tre-fase belastning, kan den maksimale utgangsspenningen være begrenset til verdier under det teoretisk mulige. For å overkomme dette kan en tredje harmonisk injiseres i referansesignalene, som gir bedre resultater med høyere modulasjonsindeks.

I tillegg til sinusformet PWM, kan Space Vector Modulation (SVM) være et alternativ, spesielt for å håndtere flertrinns omformere. SVM, som ble utviklet på 1990-tallet, gjør det mulig for flertrinns omformere å produsere en utgangsspenning som ligner på konvensjonelle seks-bryter omformere, men med flere spenningsnivåer. Gjennom å bruke vektorposisjoner på det komplekse planet, kan ønsket spenning oppnås ved å kombinere flere vektorposisjoner og bruke volt-sekund gjennomsnitt for å bestemme tidsintervallene for hver tilstand.

SVM-metoden gir flere fordeler, som bedre bølgeformer med lavere EMI (elektromagnetisk interferens) og færre harmoniske, som gjør det mulig å operere med høyere effektivitet. Ved å bruke et større antall vektorposisjoner kan man også redusere de raske overgangene i bølgeformen, noe som i sin tur gir en renere signal med færre forstyrrelser. Figur 21.14 gir en visuell fremstilling av de tilgjengelige vektorposisjonene i det komplekse planet, og viser hvordan ulike spenningsnivåer kan oppnås ved å velge de riktige vektorene.

Sammenlignet med sinusformet PWM, kan SVM bidra til å optimalisere effektiviteten ved å bruke variabel frekvens for noen av de trekantede bærebølgene og ved å justere grensene for disse bølgene for å balansere kondensatorenes spenning. Dette kan videre forbedre ytelsen til omformeren, og gir rom for ytterligere utvikling og forskning på dette området.

For å oppsummere, er PWM-teknikkene som brukes i flertrinns omformere svært effektive og gir mulighet for bedre kontroll over spenningen og harmonisk innhold i signalet. Uansett hvilken metode som benyttes, er det viktig å forstå de grunnleggende prinsippene bak PWM-algoritmene og hvordan de kan tilpasses for å oppnå ønsket ytelse i forskjellige applikasjoner.

Hvordan kan levetid og pålitelighet for kraftkomponenter forutses og forbedres?

Pålitelighet er et sannsynlighetsbegrep. Selv systemer som regnes som svært pålitelige, har alltid en ikke-null sjanse for å feile. Ett enkelt testløp gir sjelden nok statistisk materiale til å trekke konklusjoner om levetid. For å innhente tilstrekkelig informasjon benyttes i stedet serier med kontrollerte eksperimenter som bygger på prinsippene bak design of experiments (DoE), slik det ble utviklet av blant andre G. Taguchi. Ved å introdusere støyfaktorer i testene blir det mulig å måle effektene av ulike påvirkninger, og analysere forholdet mellom signal og støy. Metodikken har fått et bredt fotfeste i industrien som verktøy for kalibrering av robuste konstruksjoner.

For kraftkomponenter og systemer benyttes akselererte levetidstester for å fremtvinge feil i laboratoriemiljøer, under betingelser som simulerer feltforhold, men med høyere intensitet. Ideen er å la komponenten feile i laboratoriet slik den ville gjort i drift, bare langt raskere, gjennom ekvivalens i destruktiv energi. Dette gjør det mulig å avdekke svikttyper og forutsi levetid. Selve planleggingen av en akselerert test er en egen disiplin, der målet er å sikre at testmiljøet er representativt og statistisk valid.

Når man vurderer feilraten til et system, betrakter man det som en serieforbindelse av n komponenter – hvor hver enkelt anses som kritisk for totalfunksjonen. Den totale feilraten, λ_system, er derfor summen av de individuelle feilratene:

λ_system = Σ λ_i

Denne tilnærmingen reflekterer virkeligheten i mange kraftelektroniske systemer, hvor svakheten til én komponent kan bringe hele systemet til stillstand.

Selv komponenter produsert under identiske betingelser kan ha feilrater som varierer med en faktor 10, bare som følge av bruksforholdene. Hver komponent tilordnes en basis-feilrate, λ_base, som deretter modifiseres gjennom en serie påkjenningfaktorer (π_i). Disse faktorene representerer ulike former for derating: temperatur, spenningsstress, miljø, applikasjonstype, konstruksjon, produktkvalitet og vurdert nominell ytelse.

For eksempel: en silisiumlikerettdiode med spesifisert maksstrøm på 1A og Tjmax på 150°C, kan i praksis operere med 0,5 A strøm og 40% av maksimal spenning, ved 100°C. Hvis λ_base oppgis som 0,0010 FIT, og deratingsfaktorene er π_T = 8.0, π_S = 0.11, π_E = 6.0, π_Q = 2.4, vil den justerte feilraten bli:

λ_P = 0.0010 × 8.0 × 0.11 × 1.0 × 1.0 × 6.0 × 1.0 × 2.4 = 12.6 FIT

I praksis er det ofte temperaturpåvirkningen, π_T, som har størst innvirkning. Et IGBT-element som konsekvent opererer ved 125°C, vil ha merkbart kortere levetid enn et tilsvarende element som opererer ved 75°C. Denne temperaturavhengigheten beskrives gjennom Arrhenius-ligningen:

λ(T) = λ_ref × exp(−E_dev / (k × T))

Der E_dev er aktiveringsenergien til den aktuelle svikttypen, og_

Hvordan fungerer implementeringen av pulsbreddemodulasjon (PWM) i effektstyringssystemer?

Pulsbreddemodulasjon (PWM) er en grunnleggende teknikk for styring av effekt i elektriske kretser, spesielt innen kraft-elektronikk og motorstyring. Implementeringen av PWM-algoritmer kan foregå både i analog og digital teknologi, avhengig av systemets krav til hastighet, fleksibilitet og kompleksitet.

I analoge PWM-kontrollere skjer omformingen av referansesignalet til en pulstog med variabel duty cycle ved hjelp av sammenligning med en konstant frekvens og amplitude trekantbølge. En enkel analog PWM-generator kan bygges med en operasjonsforsterker som fungerer som komparator, hvor referansespenningen styrer bredden på pulsen. Denne metoden gir rask og stabil respons, men mangler ofte muligheter for synkronisering med eksterne signaler og kan ha variasjoner i pulsfrekvensen avhengig av forsyningsspenning og temperatur.

For bedre kontroll og synkronisering benyttes integrerte timerkretsløp som 555 og 556, som gir både stabilitet og mulighet for å kontrollere flere faser med en felles trekantbølgegenerator. Slike kretser kan også inkludere ekstra funksjoner som dødtidsgeneratorer for å unngå kortslutning i inverterens brytere, samt beskyttelse mot undervolt og kortslutning. Selv om analoge løsninger fortsatt har sin plass, særlig i høyfrekvente servo-drifter med behov for svært raske kontrollsløyfer, har de begrenset fleksibilitet i justering av PWM-parametere.

Moderne motorstyringer benytter ofte mixed-mode IC-er som integrerer både analoge og digitale funksjoner. Disse kretsene kombinerer PWM-generatorer med beskyttelse, gate-drivere og strømforsyning til høyspennings-MOSFET-transistorer, og de er spesielt utformet for lavspenningsmotorer i forbruker- og bilsektoren. For eksempel inneholder noen avanserte drivere integrerte boost-kretser som sørger for korrekt spenning til MOSFET-portene selv når DC-bussens spenning faller under visse grenser. Dette sikrer stabil og sikker drift under ulike forhold.

Motorstyrings-IC-er grupperes ofte etter applikasjon, som børsteløse likestrømsmotorer (BLDC) for kontinuerlig rotasjon, eller steppemotorer for presis posisjonering. Disse løsningene inkluderer vanligvis innebygde strømkontrollere med PWM, hvor fase-strømmene kan settes via digitale grensesnitt. Dette åpner for kommunikasjon med overordnede kontrollsystemer og muliggjør feilrapportering via seriell eller parallell digital kommunikasjon, noe som er viktig for moderne industrielle applikasjoner.

Digital implementering av PWM, som i feltprogrammerbare gate-arrayer (FPGA), bygger på samme prinsipp som den analoge: en teller genererer en tidsbase som sammenlignes med referansesignalet for å skape pulstoget. Denne metoden gir stor fleksibilitet, mulighet for høy hastighet og integrasjon med komplekse kontrollalgoritmer. Mikroprosessorer og mikrokontrollere har i dag innebygde moduler for PWM, noe som forenkler designet av kontrollsystemer for trefaseinvertere og motorstyring.

Det er viktig å forstå at valg av PWM-implementering ikke bare handler om teknisk gjennomførbarhet, men også om systemets overordnede krav til pålitelighet, kostnad, beskyttelse og kommunikasjon. Effektive PWM-kontrollere må kunne integreres med feilbeskyttelsesmekanismer som overvåker systemet og sørger for sikker nedstenging ved feil. Dette gjelder både i analoge og digitale løsninger.

Videre bør leseren være oppmerksom på betydningen av nøyaktig timing og synkronisering i PWM-systemer, spesielt i trefaseanlegg hvor ubalanser kan føre til uønsket harmonisk innhold og redusert effektivitet. I avanserte systemer brukes ofte felles trekantbølgegeneratorer for alle tre faser for å sikre optimal samspill mellom fasene.

Forståelsen av PWM krever også innsikt i hvordan parametere som dødtid, frekvens og moduleringstyper påvirker systemets dynamikk, effektivitet og elektromagnetisk kompatibilitet (EMC). Disse faktorene er avgjørende for å sikre lang levetid på elektroniske komponenter og stabil drift under varierende lastforhold.

Hvordan kjærlighet, tap og skjebne forener og splitter mennesker
Hvordan kan vi utnytte mursteinrubb for betongproduksjon?
Hvorfor Mata Hari tok unødvendige risikoer og hva dette kan lære oss
Hvordan tilberedningsmetoder påvirker konsentrasjonen av tungmetaller i mat