उच्च आवृत्ति PWM प्रौद्योगिकी के साथ इनवर्टर प्रदर्शन में सुधार

जैसे-जैसे औद्योगिक प्रक्रियाओं में सटीक नियंत्रण की मांग बढ़ती जा रही है, परंपरागत पल्स-चौड़ाई मॉडुलेशन (PWM) तकनीक उच्च गतिशील प्रदर्शन और कम हार्मोनिक विकृति की आवश्यकताओं को पूरा करने में कठिनाई का सामना कर रही है। इसके विपरीत, उच्च आवृत्ति PWM तकनीक अधिक वहन आवृत्ति बढ़ाकर आउटपुट तरंग गुणवत्ता में सुधार करती है और प्रणाली हार्मोनिक को कम करती है, जिससे इनवर्टर के प्रदर्शन में सुधार होता है। इस प्रकार, उच्च आवृत्ति PWM तकनीक के अनुप्रयोग के दौरान प्रणाली की दक्षता और विश्वसनीयता को संतुलित करना इनवर्टर तकनीक विकास का एक महत्वपूर्ण पहलू बन गया है।

1. उच्च आवृत्ति PWM का मूल सिद्धांत और तकनीकी विशेषताएं

PWM तकनीक इनवर्टरों के विद्युत नियंत्रण प्रणालियों में वोल्टेज और आवृत्ति को नियंत्रित करने के लिए उपयोग की जाने वाली मुख्य तकनीक है। यह रेफरेंस सिग्नलों और वहन सिग्नलों की तुलना करके पल्स अनुक्रम उत्पन्न करता है और इन पल्स अनुक्रमों का उपयोग शक्ति उपकरणों की स्विचिंग स्थितियों को नियंत्रित करने के लिए किया जाता है, जिससे भार पर शक्ति आपूर्ति को सटीक नियंत्रण प्राप्त होता है। इनवर्टर नियंत्रण में, PWM का ड्यूटी साइकल $D$ रेफरेंस तरंग एम्प्लीट्यूड VrefVref और वहन तरंग एम्प्लीट्यूड VtriVtri के संबंध में निम्न प्रकार से व्यक्त किया जा सकता है:

मॉडुलेशन अनुपात $m$ रेफरेंस तरंग एम्प्लीट्यूड और वहन तरंग एम्प्लीट्यूड के अनुपात के रूप में परिभाषित किया गया है। यह आउटपुट वोल्टेज के प्रभावी मान और हार्मोनिक विशेषताओं पर अत्यधिक प्रभाव डालता है। इस अनुपात का व्यंजक निम्न प्रकार से है:

वहन आवृत्ति fcfc PWM सिग्नल उत्पन्न करने के लिए उपयोग की जाने वाली त्रिकोणीय तरंग की आवृत्ति को संदर्भित करता है। इसका मान प्रणाली की गतिशील प्रतिक्रिया गति और आउटपुट हार्मोनिकों के वितरण पर अत्यधिक प्रभाव डालता है। आवृत्ति अनुपात $N$ वहन आवृत्ति और रेफरेंस तरंग आवृत्ति के अनुपात के रूप में परिभाषित किया गया है, जिसे निम्न प्रकार से व्यक्त किया जा सकता है:

जहाँ f1 रेफरेंस तरंग आवृत्ति है। उच्च आवृत्ति PWM तकनीक आम तौर पर 10 kHz से अधिक वहन आवृत्ति वाली PWM नियंत्रण तकनीकों को संदर्भित करती है। आधुनिक इनवर्टरों में, शक्ति उपकरणों के प्रदर्शन में लगातार सुधार के साथ, वहन आवृत्तियाँ 20 kHz या उससे भी ऊंची पहुंच गई हैं। वहन आवृत्ति बढ़ाकर, आउटपुट हार्मोनिक घटकों को उच्च आवृत्ति पर स्थानांतरित किया जाता है, जिससे बाद की फिल्टरिंग आसान हो जाती है और इससे मोटर शोर और कंपन में प्रभावी रूप से कमी आती है।

प्रयोग दिखाते हैं कि 5 kHz से 20 kHz तक वहन आवृत्ति बढ़ाने से मोटर शोर 12-15 dB तक कम हो सकता है और ताप वृद्धि 5-8 °C तक कम हो सकती है। जैसे-जैसे वहन आवृत्ति बढ़ती है, PWM आउटपुट तरंग आदर्श ज्यामितीय तरंग के निकट आती है, और कुल हार्मोनिक विकृति (THD) में बहुत बड़ी कमी आती है। 20 kHz की वहन आवृत्ति पर, इनवर्टर आउटपुट वोल्टेज की THD लगभग 5% तक गिर जाती है, जो कम आवृत्ति PWM तकनीकों के लिए आम तौर पर 8%-12% की तुलना में बहुत बेहतर है। इसके अलावा, उच्च आवृत्ति PWM तेज गतिशील प्रतिक्रिया और उच्च नियंत्रण सटीकता जैसे लाभ प्रदान करती है।

2. उच्च आवृत्ति PWM के लागू करने में महत्वपूर्ण चुनौतियाँ और उनके समाधान

2.1 उच्च स्विचिंग नुकसान और उनके नियंत्रण तकनीकें

उच्च आवृत्ति PWM तकनीक की सबसे प्रमुख समस्या उच्च स्विचिंग नुकसान का तेज वृद्धि है। चूंकि शक्ति उपकरणों के स्विचिंग नुकसान स्विचिंग आवृत्ति के समानुपाती होते हैं, उच्च आवृत्ति संचालन से प्रणाली की दक्षता कम हो जाती है और ताप प्रबंधन पर अधिक दावा होता है। एक एकल इनसुलेटेड-गेट बिपोलर ट्रांजिस्टर (IGBT) मॉड्यूल का स्विचिंग नुकसान PswPsw निम्न प्रकार से मॉडल किया जा सकता है:

जहाँ E_on और E_off क्रमशः ऑन और ऑफ ऊर्जा नुकसान हैं; ErrErr विपरीत उत्पन्न ऊर्जा है; VdcVdc वास्तविक DC बस वोल्टेज है; V_ref रेफरेंस वोल्टेज है; Ic वास्तविक विद्युत धारा है; और IrefIref रेफरेंस विद्युत धारा है।

स्विचिंग नुकसानों को दबाने के लिए, निम्नलिखित उपाय अपनाए जा सकते हैं:
पहले, उन्नत शक्ति उपकरणों जैसे कार्बन शीट मेटल-ऑक्साइड सेमीकंडक्टर फील्ड-इफेक्ट ट्रांजिस्टर (SiC MOSFETs) का उपयोग करें, जो पारंपरिक IGBTs की तुलना में बेहतर स्विचिंग विशेषताएं प्रदान करते हैं;
दूसरे, गेट ड्राइवर सर्किट डिजाइन को उन्नत करें, दोहरे ढलान ड्राइव तकनीकों का उपयोग करके स्विचिंग अंतरण के दौरान गेट प्रतिरोध को गतिशील रूप से समायोजित करें, जिससे स्विचिंग गति और विद्युत चुंबकीय हस्तक्षेप (EMI) के बीच संतुलन बनाया जा सके;
अंत में, शून्य-वोल्टेज स्विचिंग (ZVS) या शून्य-धारा स्विचिंग (ZCS) टोपोलोजियों जैसी नरम स्विचिंग तकनीकों को लागू करें, जिससे स्विचिंग नुकसान में बहुत बड़ी कमी आती है।

2.2 मृत समय प्रभाव और मिटाने की तकनीकें

उच्च आवृत्ति PWM संचालन के दौरान, हालांकि निरपेक्ष मृत समय स्थिर रहता है, लेकिन इसका स्विचिंग अवधि के संबंध में अनुपात बढ़ जाता है, जिससे मृत समय प्रभाव अधिक प्रकट होता है। यह आउटपुट वोल्टेज विकृति, निम्न गति प्रदर्शन में कमी और टोक रिपल में वृद्धि का कारण बन सकता है। इन मुद्दों को प्रभावी रूप से दबाने के लिए, मृत समय प्रतिस्थापन एल्गोरिदमों का उपयोग किया जाता है, जिसे निम्न प्रकार से व्यक्त किया जा सकता है:

3 FPGA-आधारित उच्च आवृत्ति PWM तकनीक का लागू करने की योजना

3.1 प्रणाली वास्तुकला डिजाइन

उच्च आवृत्ति PWM नियंत्रण परिकलन मंचों पर वास्तविक समय प्रदर्शन और नियंत्रण सटीकता की उच्च मांग लगाता है। पारंपरिक डिजिटल सिग्नल प्रोसेसर (DSPs) उच्च आवृत्ति PWM को लागू करने के दौरान गणना शक्ति की कमी और महत्वपूर्ण इंटरप्ट लैटेंसी जैसी सीमाओं का सामना कर सकते हैं। इसके विपरीत, फील्ड-प्रोग्रामेबल गेट एरे (FPGAs) समान्तर प्रक्रियाओं की क्षमता और हार्डवेयर स्तरीय लागू करने की लचीलेपन के कारण ऐसे अनुप्रयोगों के लिए बेहतर उपयुक्त होते हैं।

FPGA-आधारित उच्च आवृत्ति PWM नियंत्रण प्रणाली की समग्र वास्तुकला चार मुख्य मॉड्यूलों से गठित है: मुख्य नियंत्रण इकाई, PWM उत्पादन इकाई, प्रतिक्रिया सिग्नल प्रोसेसिंग इकाई,