PRETVARA ČI S MODULACIJOM ŠIRINE IMPULSA – PWM UVOD

PRETVARAČI S MODULACIJOM ŠIRINE IMPULSA – PWM

UVOD

• DANAŠNJI ELEKTRONIČKI PRETVARAČI UGLAVNOM RADE U TZV. SKLOPNOM NAČINU RADA (SWITCHING MODE) DA BI SE POSTIGLA VEĆA UČINKOVITOST, MANJA TEŽINA, MANJE IZMJERE, BRŽI RAD, VEĆA GUSTOĆA SNAGE …

• MODULACIJA ŠIRINE IMPULSA (PULSE WIDTH MODULATION, PWM) TEMELJNA JE METODA UPRAVLJANJA U SUVREMENIM ELEKTRONIČKIM PRETVARAČIMA

• PWM JE BRZA TEHNIKA, OVISNO O RAZINI SNAGE I PRIMJENI SKLAPANJE SE ODVIJA PRI FREKVENCIJAMA OD NEKOLIKO KILOHERCA (UPRAVLJANJE EMP) DO NEKOLIKO MEGAHERCA (REZONANTNI PRETVARAČI ZA IZVORE NAPAJANJA)


KRATAK POVIJESNI PREGLED

• NAJPOZNATIJA METODA PWM-a UTEMELJENA JE NA TROKUTNOM NOSIOCU (CARRIER BASED, CB) I SINUSNOM REFERENTNOM SIGNALU, SINUSNA MODULACIJA ŠIRINE IMPULSA (SPWM), A PREDLOŽENA JE SCHÖNUNGA I STEMMLERA 1964.

• RAZVOJEM MIKRORAČUNALA VEKTORSKA MODULACIJA (SPACE VECTOR MODULATION, SVM) POSTAJE PREVLADAVAJUĆOM TEHNIKOM UPRAVLJANJA ELEKTRONIČKIM PRETVARAČIMA, PREDLOŽILI SU JE PFAFF, WESCHTA I WICK 1982.

• HAVA, KERKMAN, LIPO I BLAŠKO PREDLOŽILI SU 1997. OPĆU ILI HIBRIDNU PWM KOJA KORISTI SUSTAV NULTOG SLIJEDA (ZERO SEQUENCE SYSTEM) TROSTRUKE FREKVENCIJE KAO ZAJEDNIČKI ČLAN

• PARALELNO S TZV. DETERMINISTIČKIM MODULATORIMA RAYVIJAJU SE I SLUČAJNE METODE PWM (RANDOM PWM) , TRZYNADLOWSKI, KIRLIN I LEGOWSKI 1993.


TROFAZNI PRETVARAČ U MOSNOM SPOJU

• IZMJENJIVAČKI NAČIN RADA KOD EMP I AC IZVORA (UPS)

• ISPRAVLJAČKI NAČIN RADA KOD IZVORA NAPAJANJA S JEDINIČNIM FAKTOROM SNAGE

METODE MODULACIJE ŠIRINE IMPULSA (PWM)

1. U OTVORENOJ PETLJI (OPEN LOOP)2. U ZATVORENOJ PETLJI POVRATNE VEZE (CLOSED LOOP)

1. 2.

METODE PWM-a U OTVORENOJ PETLJITEMELJNI ZAHTJEVI NA PRETVARAČ I DEFINICIJE

• ŠIROKO PODRUČJE LINEARNOG RADA,

• MINIMALAN BROJ SKLAPANJA SKLOPKI ZBOG SKLOPNIH GUBITAKA,

• MINIMALAN SADRŽAJ HARMONIKA STRUJE I NAPONA ZBOG GUBITAKA I BUKE,

• UKLANJANJE NISKOFREKVENCIJSKIH HARMONIKA (KOD EMP PULZACIJE MOMENTA),

• MOGUĆNOST RADA U PODRUČJU PREMODULACIJA UKLJUČUJUĆI PRAVOKUTNI (6 –STEP) NAČIN RADA

NOVA ISTRAŽIVANJA NA PODRUČJU:

• POJEDNOSTAVLJENJA ALGORITAMA KOJI DNAS TROŠE NAJVEĆI DIO RAČUNALNOG VREMENA,

• SMANJENJA AKUSTIČKE BUKE, SLUČAJNE MODULACIJE

METODE PWM-a U OTVORENOJ PETLJITEMELJNE DEFINICIJE

METODE PWM-a U OTVORENOJ PETLJIMETODE UTEMELJENE NA NOSIOCU (CB)

SINUSNA PWM (SPWM)


SINUSNA PWM (SPWM)

• RELATIVNO USKO LINEARNO PODRUČJE RADA JE MANA OVE KLASIČNE MODULACIJE,

• SLABO ISKORIŠTENJE ISTOSMJERNOG ULAZNOG NAPONA,

• PREMODULACIJA JE MOGUĆA U NELINEARNOM PODRUČJU RADA.


MODULACIJA S DODATNIM SIGNALOM NULTOG SLIJEDA (ZERO SEQUENCE SIGNAL, ZSS)

UKOLIKO JE SREDNJA TOČKA TROFAZNOG TROŠILA N IZOLIRANA (NIJE SPOJENA SA SREDNJOM TOČKOM ISTOSMJERNOG SUSTAVA 0), TADA FAZNE STRUJE TROŠILA OVISE SAMO O LINIJSKIM NAPONIMA, U SVE TRI FAZE MOŽEMO DODATI ZAJEDNIČKI NAPON (ZSS) KOJI NE MIJENJA LINIJSKE NAPONE.


MODULACIJA S DODATNIM SIGNALOM NULTOG SLIJEDA (ZERO SEQUENCE SIGNAL, ZSS)

• POSLJEDICA JE POVEĆANJE LINEARNOG PODRUČJA RADA NA Mmax = 0,907, SMANJENJE SREDNJE SKLOPNE FREKVENCIJE, TE SMANJENJE VIŠIH HARMONIKA STRUJE,

• DODATNI ZAJEDNIČKI NAPON POJAVLJUJE SE IZMEĐU SREDNJIG TOČAKA IZMJENIČNOG I ISTOSMJERNOG SUSTAVA (N i 0) KAO NAPON UN0, A TAKOĐER SE UOČAVA U NAPONIMA Ua0, Ub0, Uc0,

METODE PWM-a U OTVORENOJ PETLJIVEKTORSKA MODULACIJA (SPACE VECTOR MOD.- SVM)

TEMELJI SE NA PROSTORNO-VEKTORSKOM PRIKAZU NAPONA IZMJENIČNE STRANE PRETVARAČA POMOĆU PROSTORNOG VEKTORA (TEORIJA PROIZAŠLA IZ TEORIJE ELEKTRIČNIH STROJEVA).

DANAS VRLO POPULARNA METODA ZBOG SVOJE JEDNOSTAVNOSTI I LAGANE REALIZACIJE POMOĆU RAČUNALA.

TROFAZNI DVORAZINSKI PRETVARAČ OMOGUĆAVA 8 RAZLIČITIH SKLOPNIH STANJA, 6 AKTIVNIH I DVA NUL-STANJA.



AKTIVNI VEKTORI DIJELE RAVNINU U 6 SEKTORA, A REFERENTNI VEKTOR U* DOBIVA SE ODGOVARAJUĆIM SLIJEDOM 2 SUSJEDNA NAPONSKA VEKTORA I NUL-VEKTORA.

OMJER VOĐENJA SUSJEDNIH VEKTORA (U1, U2) ODREĐUJE KUT REFERENTNOG VEKTORA, DOK NUL-VEKTORI ODREĐUJU INDEKS MODULACIJE M.

DOZVOLJENA DUŽINA VEKTORA U* ZA BILO KOJI KUT ODREĐENA JE IZRAZOM U*max = Udc/3 .

ZA DOBIVANJE VEĆE VRIJEDNOSTI AMPLITUDE REFERENTNOG VEKTORA (MAKSIMALNA VRIJEDNOST JE KOD 6-STEP NAPONA) POTREBNO JE PRIMIJENITI ODGOVARAJUĆI ALGORITAM NELINEARNE PREMODULACIJE.


ZA RAZLIKU OD CB PWM KOD SVM NE POSTOJE ZASEBNO MODULATORI ZA SVAKU FAZU, DOVOLJAN JE JEDAN MODULATOR.

REFERENTNI VEKTOR U* ODREĐUJE SE PRI ČVRSTOJ FREKVENCIJI SATA 2fS = 1/TS

VRIJEDNOST VEKTORA U*(TS) KORISTI SE ZA IZRAČUNAVANJE POTREBNIH INTERVALA t1, t2, t0 I t7.


MIKROPROCESORSKA REALIZACIJA UKLJUČUJE RAČUNANJE INTERVALA POMOĆU TRIGONOMETRIJSKIH JEDNADŽBI ZA PRVI SEKTOR I NJIHOVO PRERAČUNAVANJE ZA OSTALE SEKTORE.

NAKON IZRAČUNAVANJA INTERVALA VOĐENJA SUSJEDNIH AKTIVNIH VEKTORA, PREOSTALO VRIJEME TS REZERVIRANO JE ZA NUL-VEKTORE U0 I U7.

METODE SVM RAZLIKUJU SE PREMA SMJEŠTAJU NUL-VEKTORA.


NAJPOPULARNIJA JE VEKTORSKA MODULACIJA SA SIMETRIČNIM SMJEŠTAJEM NUL-VEKTORA (SVPWM).

t0 = t7 = (TS – t1 – t2)/2

VRIJEDNOSTI INTERVALA ZA OSTALE SEKTORE IZRAČUNAVAJU SE POMOĆU MATRICE TRANSFORMACIJE

USPOREDBA CB PWM I SV PWM

GORNJA SLIKA PRIKAZUJE GENERIRANJE UPR. SIGNALA USPOREDBOM TROKUTNOG NOSIOCA I REFERENTNOG SINUSNOG SIGNALA S UTISNUTIM ZSS (TREĆI HARM.)

DONJI DIO SLIKE PRIKAZUJE GENERIRANJE UPR. SIGNALA POMOĆU SV PWM RAČUNANJEM TRAJANJA VEKTORA U1, U2, U0 I U7.

UOČAVA SE IDENTIČNOST REZULTATA, MOGUĆI STUPNJEVI SLOBODE DOBIVAJU SE ODABOROM ZSS-a ILI SMJEŠTAJEM NUL-VEKTORA.

RAZLIKA JE U TRETIRANJU 3-FAZNIH VELIČINA, KOD SV PWM KORISTI SE UMJETNI (MATEMATIČKI TRANSFORMIRAN) VEKTORSKI PRIKAZ.

PREMODULACIJA (OVERMODULATION)

KOD CB PWM U PREMODULACIJU SE DOLAZI POVEĆAVANJEM AMPLITUDE REFERENTNOG SIGNALA IZNAD VRŠNE VRIJEDNOSTI AMPLITUDE TROKUTNOG NOSIOCA, DOLAZI DO ISPUŠTANJA POJEDINIH SKLOPNIH CIKLUSA. KADA Ma DOVOLJNO NARASTE ULAZI SE U 6-STEP NAČIN RADA.

PREMODULACIJA (OVERMODULATION)

KOD SV PWM U PREMODULACIJU SE DOLAZI ODGOVARAJUĆIM ALGORITMOM, KOD KOJEG SE UOPĆE NE KORISTE NUL-VEKTORI.

GRANIČNA AMPLITUDA REFERENTNOG VEKTORA ZA LINEARNI NAČIN RADA JE U*max = Udc/3 (ODGOVARA INDEKSU MODULACIJE M = 0,906), A U NELINEARNOM SE NAČINU RADA MOŽE POSTIĆI SVE DO M = 1)

VAŽNI KRITERIJI PONAŠANJA MODULACIJA

• PODRUČJE LINARNOG RADA,

• SKLOPNI GUBICI (ZNATNO VEĆI I ZNAČAJNIJI OD GUBITAKA VOĐENJA),

• IZOBLIČENJA.

ADAPTIVNA VEKTORSKA MODULACIJA (ASVM)

• KORISTEĆI NAJBOLJA SVOJSTVA POJEDINIH TIPOVA MODULACIJA DAJE NAJBOLJE REZULTATE GLEDE KRITERIJA PONAŠANJA.

• OVISNO O TRAŽENOM INDEKSU MODULACIJE M, KORISTI SE OPTIMALNI NAČIN VEKTORSKE MODULACIJE

SLUČAJNA (RANDOM) PWM

• KOD DETERMINISTIČKIH METODA MODULACIJE DOBIVA SE DISKRETAN SPEKTAR, ČIJE POJEDINE KOMPONENTE MOGU ZADIRATI U OSJETLJIVA ILI ZABRANJENA PODRUČJA FREKVENCIJA (PRIMJERICE KOMUNIKACIJSKE KANALE)

• NASTAJU DODATNI GUBICI, NEŽELJENE VIBRACIJE

• POSTOJE 2 OSNOVNA RAZLOGA ZA ISTRAŽIVANJA SLUČAJNE MODULACIJE; SMANJENJE SUBJEKTIVNE BUKE, TE UJEDNAČAVANJE ELEKTROMAGNETSKOG ŠUMA (LAKŠE ZADOVOLJAVANJE NORMI)

• MOGU SE IZBJEĆI ANALOGNI UČINSKI FILTRI (TEŽINA I CIJENA)

SLUČAJNA (RANDOM) PWM

METODE PWM-a U OTVORENOJ PETLJI

ZAKLJUČCI

• PARAMETRI PWM PRETVARAČA (LINEARNO PODRUČJE RADA, HARMONICI STRUJE, SKLOPNI GUBICI) OVISE O POLOŽAJU NUL-VEKTORA KOD SVM, ODNOSNO O OBLIKU ZSS SIGNALA KOD CB-PWM.

• NE POSTOJI JEDINSTVENA PWM METODA KOJA OSIGURAVA OPTIMALAN RAD U CIJELOM PODRUČJU UPRAVLJANJA.

• ADAPTIVNA VEKTORSKA REGULACIJA JE OPTIMALNO RJEŠENJE, A REALIZIRA SE PROGRAMSKI!

METODE PWM-a U ZATVORENOJ PETLJITEMELJNI ZAHTJEVI I DEFINICIJE

• DANAS U VEĆINI PRIMJENA PWM PRETVARAČI S NAPONSKIM ULAZOM IMAJU REGULACIJSKU STRUKTURU S UNUTRAŠNJOM POVRATNOM VEZOM PO STRUJI.

• PONAŠANJE PRETVARAČA IZRAZITO OVISI O KVALITETI PRIMJENJENE STRATEGIJE REGULACIJE STRUJE

• PREDNOSTI PRETVARAČA SA ZATVORENOM POVRATNOM VEZOM:

1. KONROLA TRENUTNOG VALNOG OBLIKA STRUJE S VELIKOM TOČNOŠĆU,

2. IZRAZITO DOBRA DINAMIKA,

3. ZAŠTITA OD PREKOSTRUJA I POTISKIVANJE PREOPTEREĆENJA,

4. KOMPENZACIJA EFEKATA ZBOG PROMJENE PARAMETARA TROŠILA, PROMJENE DC I AC NAPONA,

5. KOMPENZACIJA PADA NAPONA NA SKLOPKAMA I MRTVIH VREMENA PRETVARAČA.

METODE PWM-a U ZATVORENOJ PETLJITEMELJNI ZAHTJEVI I DEFINICIJE

GLAVNI ZADATAK STRUJNO UPRAVLJANOG PWM PRETVARAČA (CC-PWM) JE DA PRISILI STRUJE TROFAZNOG TERETA NA TOČNO PRAĆENJE REFERENTNIH STRUJA.

USPOREDBOM ŽELJENIH I MJERENIH TRENUTNIH VRIJEDNOSTI STRUJA GENERIRAJU SE SKLOPNA STANJA PRETVARAČA KOJA UTJEČU NA SMANJENJE STRUJNE POGREŠKE.

U NAČELU STRUJNO UPRAVLJANJE (CC) OBAVLJA 2 ZADATKA; KOMPENZACIJA STRUJNE POGREŠKE I MODULACIJA.

METODE PWM-a U ZATVORENOJ PETLJITEMELJNI ZAHTJEVI NA STRUJNO UPRAVLJANJE

• PONIŠTAVANJE FAZNE I AMPLITUDNE POGREŠKE (IDEALNO PRAĆENJE, TRACKING) U ŠIROKOM OPSEGU IZLAZNIH FREKVENCIJA,

• DOBAR DINAMIČKI ODZIV SUSTAVA,

• OGRANIČENA ILI KONSTANTNA SKLOPNA FREKVENCIJA, ZBOG OSIGURANJA SIGURNOG RADA POLUVODIČKIH SKLOPKI,

• NIZAK SADRŽAJ VIŠIH HARMONIKA STRUJE,

• DOBRO ISKORIŠTENJE ISTOSMJERNOG ULAZNOG NAPONA.

METODE PWM-a U ZATVORENOJ PETLJISTATIČKI KRITERIJI KVALITETE STRUJNOG UPRAV.

METODE PWM-a U ZATVORENOJ PETLJIPRIKAZ METODA STRUJNOG UPRAVLJANJA

METODE PWM-a U ZATVORENOJ PETLJIPRIKAZ METODA STRUJNOG UPRAVLJANJA

DVIJE SU GLAVNE METODE:

• S IZDVOJENIM PWM BLOKOM (U OTVORENOJ PETLJI) (BOLJA SVOJSTVA)

• S DVOPOLOŽAJNIM (ON-OFF) REGULATOROM (JEDNOSTAVNOST)

METODE PWM-a U ZATVORENOJ PETLJIODABRANI PRIMJERI - PI REGULATOR STRUJE

“RAMP” COMPARISON REGULATOR

STRUJNA POGREŠKA VODI SE NA PI REGULATOR STRUJE, ČIJI IZLAZ SE USPOREĐUJE S TROKUTNIM NOSIOCEM, KAO KOD SPWM-a GENERIRAJU SE UPRAVLJAČKI SIGNALI ZA SKLOPKE PRETVARAČA.

IAKO JE METODA SLIČNA SINUSNOJ MODULACIJI, POSTOJI BITNA RAZLIKA U PONAŠANJU.

POSTOJE MOGUĆI PROBLEMI PRI USPOREDBI SIGNALA, TE JE PRIMJENA OGRANIČENA.


“RAMP” COMPARISON REGULATORDETALJNIJI PRIKAZ


STACIONARNI VEKTORSKI REGULATOR

KORISTI SE TRANSFORMACIJA KOORDINATA, BUDUĆI DA SE DJELUJE NA AC KOMPONENTE PREOSTAJE STATIČKA POGREŠKA STRUJE.


SINKRONI (ROTIRAJUĆI) VEKTORSKI REGULATOR

KORISTI KOMPONENTE STRUJE DEFINIRANE U ROTIRAJUĆEM KOORDINATNOM SUSTAVU, TO SU DC VELIČINE, TE JE MOGUĆE PONIŠTITI STATIČKU POGREŠKU STRUJE.


REGULATOR S POVRATOM VEZOM U PROSTORU STANJA (STATE FEEDBACK)

BOLJA SVOJSTVA OD KLASIČNIH PI REGULATORA, NO SINTEZA JE SLOŽENIJA.

METODE PWM-a U ZATVORENOJ PETLJIODABRANI PRIMJERI – NELINEARNI ON-OFF REG.

• HISTEREZNA MODULACIJA,

• DELTA MODULACIJA,

• ON-LINE OPTIMALNA MODULACIJA.

UZ BESKONAČNU FREKVENCIJU SKLAPANJA MOGLO BI SE POSTIĆI SAVRŠENO PRAĆENJE REFERENTNE STRUJE, NO FREKVENCIJU JE POTREBNO OGRANIČITI a) HISTEREZNOM b) DELTA MODULACIJOM


HISTEREZNI REGULATOR STRUJE

PREDNOSTI:

• JEDNOSTAVNOST IZVEDBE,

• IZUZETNA ROBUSTNOST,

• IZVRSNA DINAMIKA.

NEDOSTACI:

• SKLOPNA FREKVENCIJA OVISI O PARAMETRIMA TROŠILA,

• TEŠKA ZAŠTITA PRETVARAČA, POMALO STOHASTIČKI RAD.


DELTA REGULATOR STRUJE

NA PRVI POGLED VELIKA SLIČNOST S HISTEREZNOM MODULACIJOM, NO POSTOJI BITNA RAZLIKA.

KOMPARATORI OBRAĐUJU SAMO PREDZNAK POGREŠKE STRUJE.

S&H SKLOP OSIGURAVA ČVRSTU RADNU FREKVENCIJU.

U NAČELU NE POSTOJI PWM, GENERIRAJU SE SAMO OSNOVNI VEKTORI UNUTAR INTERVALA Ts.

DA BI SE POSTIGLI S PWM USPOREDIVI REZULTATI POTREBNO JE I DO 7 PUTA POVEĆATI SKLOPNU FREKVENCIJU.

METODE PWM-a

ZAKLJUČCI

PWM PRETVARAČI MOGU RADITI U NAPONSKOM (OPEN LOOP) I STRUJNOM (CLOSED LOOP) NAČINU RADA.

BOLJE PONAŠANJE I DINAMIKA POSTIŽU SE U STRUJNOM NAČINU RADA, POEBNO KOD ELEKTROMOTORNIH POGONA VELIKIH DINAMIČKIH ZAHTJEVA.

Documents

PRETVARA ČI S MODULACIJOM ŠIRINE IMPULSA – PWM UVOD