Βελτίωση της Απόδοσης του Μετατροπέα με Τεχνολογία Υψηλής Συχνότητας PWM
Καθώς η ζήτηση για ακριβή ελεγχούς στις βιομηχανικές διαδικασίες συνεχίζει να αυξάνεται, η παραδοσιακή τεχνολογία Pulse-Width Modulation (PWM) αντιμετωπίζει δυσκολίες στην κάλυψη των απαιτήσεων υψηλής δυναμικής απόδοσης και χαμηλής αρμονικής διαστροφής. Σε αντίθεση, η τεχνολογία υψηλής συχνότητας PWM βελτιώνει την ποιότητα του εξόδου κύματος και μειώνει τις αρμονικές του συστήματος αυξάνοντας την συχνότητα του φορέα, έτσι ώστε να βελτιώνει την απόδοση των αντιστροφόμενων. Συνεπώς, η ισορροπία της απόδοσης και της αξιοπιστίας του συστήματος κατά την εφαρμογή της τεχνολογίας υψηλής συχνότητας PWM έχει γίνει ένα κρίσιμο στοιχείο στην ανάπτυξη της τεχνολογίας αντιστροφόμενων.
1. Βασική Θεωρία και Τεχνικές Χαρακτηριστικές της Υψηλής Συχνότητας PWM
Η τεχνολογία PWM είναι η βασική τεχνική που χρησιμοποιείται στα ηλεκτρικά συστήματα ελέγχου των αντιστροφόμενων για τον ελεγχό της τάσης και της συχνότητας. Δημιουργεί ακολουθίες παλμών συγκρίνοντας σημάτα προτύπου με σημάτα φορέα και χρησιμοποιεί αυτές τις ακολουθίες παλμών για τον έλεγχο των καταστάσεων στροφής των ενεργειακών συσκευών, έτσι ώστε να επιτευχθεί ακριβής έλεγχος της παροχής ενέργειας στο φορτίο. Στον έλεγχο των αντιστροφόμενων, ο παράγοντας ροής D της PWM μπορεί να εκφραστεί σε σχέση με την τάση του προτύπου κύματος Vref και την τάση του κύματος φορέα Vtri ως εξής:
Ο παράγοντας μοντουλάσης m ορίζεται ως το λόγο της τάσης του προτύπου κύματος προς την τάση του κύματος φορέα. Επηρεάζει άμεσα την αποτελεσματική τιμή και τα αρμονικά χαρακτηριστικά της εξόδου τάσης. Η έκφραση γι' αυτόν τον λόγο είναι:
Η συχνότητα του φορέα fc αναφέρεται στη συχνότητα του τριγωνικού κύματος που χρησιμοποιείται για την παραγωγή του σήματος PWM. Η τιμή της επηρεάζει άμεσα την ταχύτητα δυναμικής απόκρισης του συστήματος και την κατανομή των αρμονικών της εξόδου. Ο λόγος συχνοτήτων N ορίζεται ως το λόγο της συχνότητας του φορέα προς την συχνότητα του προτύπου κύματος, εκφρασμένος ως:
όπου είναι η συχνότητα του προτύπου κύματος. Η τεχνολογία υψηλής συχνότητας PWM αναφέρεται συνήθως σε τεχνικές ελέγχου PWM με συχνότητα φορέα άνω των 10 kHz. Στους σύγχρονους αντιστροφόμενους, με τη συνεχή βελτίωση της απόδοσης των ενεργειακών συσκευών, οι συχνότητες φορέα έχουν φτάσει στα 20 kHz ή ακόμη υψηλότερες. Αυξάνοντας τη συχνότητα του φορέα, οι αρμονικές συνιστώσες της εξόδου μεταφέρονται σε υψηλότερες συχνοτικές περιοχές, διευκολύνοντας την επόμενη φίλτρωση και μειώνοντας αποτελεσματικά το θόρυβο και την ταλάντωση του μοτέρ.
Πειράματα έχουν δείξει ότι η αύξηση της συχνότητας του φορέα από 5 kHz σε 20 kHz μπορεί να μειώσει τον θόρυβο του μοτέρ κατά 12–15 dB και να μειώσει την θερμική αύξηση κατά 5–8 °C. Καθώς η συχνότητα του φορέα αυξάνεται, το κύμα εξόδου PWM πλησιάζει περισσότερο έναν ιδανικό ημιτονοειδή κύκλο, και η Συνολική Αρμονική Διαστροφή (THD) μειώνεται σημαντικά. Σε μια συχνότητα φορέα 20 kHz, η THD της εξόδου τάσης του αντιστροφόμενου μειώνεται σε περίπου 5%, που είναι σημαντικά καλύτερη από τα 8%–12% που είναι τυπικά για τεχνικές χαμηλής συχνότητας PWM. Επιπλέον, η υψηλή συχνότητα PWM παρέχει πλεονεκτήματα όπως ταχύτερη δυναμική απόκριση και υψηλότερη ακρίβεια ελέγχου.
2. Κύριες Προκλήσεις στην Εφαρμογή Υψηλής Συχνότητας PWM και Λύσεις
2.1 Υψηλές Απώλειες Στροφής και Μεθόδους Περιορισμού
Το πιο προφανές πρόβλημα με την τεχνολογία υψηλής συχνότητας PWM είναι η ξαφνική αύξηση των απωλειών στροφής. Επειδή οι απώλειες στροφής των ενεργειακών συσκευών είναι ανάλογες με τη συχνότητα στροφής, η λειτουργία υψηλής συχνότητας οδηγεί σε μειωμένη απόδοση του συστήματος και αυξημένες απαιτήσεις στην θερμική διαχείριση. Οι απώλειες στροφής Psw ενός μοναδικού μοντούλου Insulated-Gate Bipolar Transistor (IGBT) μπορεί να μοντελοποιηθεί ως εξής:
όπου και είναι οι απώλειες ενέργειας στην ενεργοποίηση και την απενεργοποίηση, αντίστοιχα; Err είναι η ενέργεια ανάκτησης; Vdc είναι η πραγματική DC τάση; είναι η προτυπική τάση; είναι ο πραγματικός ρεύματος; και Iref είναι το προτυπικό ρεύμα.
Για την καταστολή των απωλειών στροφής, μπορούν να εφαρμοστούν οι ακόλουθες μέτρα:
Πρώτον, χρήση προηγμένων ενεργειακών συσκευών, όπως οι Silicon Carbide Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistors (SiC MOSFETs), οι οποίες παρέχουν καλύτερα χαρακτηριστικά στροφής σε σύγκριση με τα παραδοσιακά IGBT;
Δεύτερον, βελτίωση της σχεδίασης του κύκλου ενεργοποίησης με την χρήση τεχνικών διπλής κλίσης για τη δυναμική προσαρμογή της αντίστασης του κύκλου ενεργοποίησης κατά τη διάρκεια των μεταβάσεων στροφής, έτσι ώστε να ισορροπείται η ταχύτητα στροφής και η ηλεκτρομαγνητική αλληλεπίδραση (EMI);
Τέλος, εφαρμογή τεχνικών μαλακής στροφής, όπως τα topologies zero-voltage switching (ZVS) ή zero-current switching (ZCS), για τη σημαντική μείωση των απωλειών στροφής.
2.2 Επίδραση Μεταβάσεων και Τεχνικές Αντιστάθμισης
Κατά τη λειτουργία υψηλής συχνότητας PWM, αν και η απόλυτη διάρκεια μεταβάσεων παραμένει σταθερή, η αναλογία της σε σχέση με την περίοδο στροφής αυξάνεται, κάνοντας την επίδραση των μεταβάσεων πιο ορατή. Αυτό μπορεί να οδηγήσει σε διαστροφή της εξόδου τάσης, μείωση της απόδοσης σε χαμηλές ταχύτητες και αύξηση της ταλάντωσης της ροπής. Για την αποτελεσματική αντιστάθμιση αυτών των ζητημάτων, χρησιμοποιούνται αλγόριθμοι αντιστάθμισης μεταβάσεων, εκφρασμένοι ως:
3 Σχεδιασμός Εφαρμογής Υψηλής Συχνότητας PWM Με Χρήση FPGA
3.1 Σχεδιασμός Αρχιτεκτονικής Συστήματος
Η ελεγχός υψηλής συχνότητας PWM επιβάλλει υψηλότερες απαιτήσεις στην πραγματικότητα και την ακρίβεια των επεξεργαστών. Οι παραδοσιακοί Digital Signal Processors (DSPs) συχνά αντιμετωπίζουν περιορισμούς όπως η ανεπαρκής επεξεργαστική ικανότητα και σημαντική καθυστερημένη διακοπή κατά την εφαρμογή υψηλής συχνότητας PWM. Σε αντίθεση, τα Field-Programmable Gate Arrays (FPGAs) είναι καταλληλότερα για τέτοιες εφαρμογές λόγω των δυνατοτήτων τους για παρ
