1. Kształtowanie napięcia metodą modulacji amplitudowej - PAM

PAM – jest używana dla przemienników ze regulowanym napięciem stałym w obwodzie pośrednim.

W przemiennikach częstotliwości z niesterowanymi prostownikami amplituda napięcia zasilania falownika jest regulowana przez wbudowany do obwodu pośredniego wewnętrzny przerywacz prądu (chopper), rys. 3.19. Przy stosowaniu prostowników regulowanych napięcie wyjściowe prostownika jest bezpośrednio podawane na kondensator dołączony do falownika.

Rys. 6 Układ przerywacza prądu do regulacji wartości napięcia stałego zasilającego falownik

Przełączanie tranzystora jest sterowane przez obwód kontroli i regulacji. Czas przewodzenia tranzystora przy stałej częstotliwości przełączania lub częstotliwość przełączania przy stałym współczynniku wypełnienia impulsu, zależą od wartości zadanej sygnału referencyjnego i zmierzonej faktycznej wartości napięcia stałego zasilania falownika. Wartość ta jest mierzona na kondensatorze.

Kondensator i cewka (lub dławik) działają jak filtr, który wygładza pulsujące napięcie za prostownikiem. Wartość napięcia za przerywaczem zależy od czasu przewodzenia tranzystora. Jeśli zadana wartość tego napięcia jest różna od wartości mierzonej, praca przerywacza jest uaktywniona aż napięcie osiągnie żądany poziom.

Zadawanie częstotliwości napięcia wyjściowego falownika

Częstotliwość napięcia wyjściowego falownika zależna jest od okresu przebiegu modulującego ( w układach cyfrowych od okresu cyklu tablicy przełączeń), lub inaczej od ilości przełączeń sterowanych zaworów półprzewodnikowych falownika w okresie ich cyklu powtarzalności. Elementy przełączające są aktywowane dużą liczbę razy w jednym cyklu przełączeń.

Są dwa sposoby sterowania długością okresu cyklu przełączania zaworów falownika:

1. Bezpośrednio przez wejściowy - referencyjny sygnał sterujący.

2. Przez regulowane napięcie stałe obwodu pośredniego, które jest proporcjonalne do wejściowego sygnału sterującego rys. 7.

Rys. 7 Układ sterowania częstotliwością wyjściową falownika PAM sygnałem napięcia obwodu pośredniego

     2. Kształtowanie napięcia metodą PWM

PWM jest najczęściej używaną metodą generowania przez falownik napięcia trójfazowego o regulowanej częstotliwości i amplitudzie.

W metodzie PWM stałe napięcie obwodu pośredniego (≈ 2 ⋅Uzas ) jest przełączane przez dwustanowe elementy mocy falownika. Szerokość impulsów napięcia między kolejnymi załączeniami i wyłączeniami zaworów półprzewodnikowych falownika określa amplitudę napięcia przemiennego.

Rozróżniamy 3 główne rodzaje sposobów sterowania pracą zaworów falownika wg PWM:

1. sinusoidą sterowany PWM,

2. synchroniczne sterowanie PWM,

3. asynchroniczne sterowanie PWM.

Każda gałąź trójfazowego falownika może przyjmować dwa różne stany pracy: załączony lub wyłączony jeden z dwóch zaworów mocy gałęzi falownika - załączony / wyłączony. Trzy gałęzie falownika generują 8 możliwych kombinacji (23) i dlatego powstaje 8 oddzielnych wektorów napięcia na wyjściach mocy falownika albo odpowiednio na uzwojeniach stojana dołączonego silnika. Jak pokazano na rys. 3.21a te wektory 100, 010, 011, 001, 101 są umieszczane przy kątach sześciokąta, wektory zerowe oznaczono jako 000, 111.

                                                  Rys. 8a                                                                                         Rys. 8b

Przy przełączaniu kombinacji 000, 111 ten sam potencjał jest generowany przy wszystkich 3 wyjściach mocy falownika o dodatniej lub ujemnej wartości potencjału obwodu pośredniego, rys. 8b. Dla dołączonego silnika powoduje to

zwarcie uzwojeń stojana i wymuszanie na jego zaciskach zasilania napięcia o wartości 0V.

     3. Modulacja PWM z sinusoidalnym przebiegiem nośnym

W metodzie tej używa się sinusoidalnego napięcia odniesienia (modulującego) Us dla każdego wyjścia mocy falownika. Okres sinusoidalnego napięcia odniesienia odpowiada za okres podstawowej harmonicznej napięcia wyjściowego falownika. Trzy napięcia odniesienia, odpowiednio dla każdej gałęzi trójfazowego falownika są nałożone na trójkątny przebieg nośny (modulowany). Czasy przełączania elementów półprzewodnikowych (zaworów) falownika są określane względem punktów przecięcia przebiegów sinusoid napięć odniesienia i przebiegu trójkątnego napięcia modulowanego UΔ, rys. 9. W miejscach przecięć przebiegu modulowanego z przebiegiem modulującym następuje naprzemienne załączenie lub wyłączenie sterowanych zaworów mocy odpowiedniej gałęzi falownika. Jeden sinusoidalny przebieg modulujący steruje pracą jednej gałęzi trójfazowego falownika.

Przecięcia te określone są przez elektroniczny układ sterowania falownika. Jeżeli napięcie trójkątne UΔ przyjmie większą wartość od modulującego napięcia sinusoidalnego to wytwarzane impulsy sterujące pracą danego zaworu gałęzi falownika zmieniają się z dodatnich na ujemne (lub z ujemnych na dodatnie). Jeżeli napięcie trójkątne UΔ ma mniejszą wartość niż sinusoidalne napięcie modulujące to wówczas nie są generowane impulsy załączenia i wyłączania zaworó półprzewodnikowych falownika i maksymalne przemienne napięcie wyjściowe falownika jest określone przez wartość napięcia obwodu pośredniego.

Rys. 9 Sposób kształtowania napięcia wyjściowego trójfazowego falownika PWM z sinusoidalnym przebiegiem nośnym (dwa napięcia odniesienia - jedno napięcie  międzyfazowe)

Wytworzone napięcie jest zależne od stosunku czasu przewodzenia i nieprzewodzenia zaworów falownika. Ten stosunek może być zmieniany zależnie od wymaganej wartości skutecznej napięcia przemiennego. Amplituda dodatnich i ujemnych impulsów wyjściowego napięcia fazowego falownika zawsze odpowiada połowie wartości napięcia obwodu pośredniego.

Rys. 10 Napięcie wyjściowe falownika PWM z sinusoidalnym przebiegiem nośnym

Przy niskich częstotliwościach stojana czas trwania impulsu wyłączenia zaworów falownika wzrasta i może stać się tak duży, że nie jest możliwe utrzymanie właściwych chwil przełączeń tych zaworów, wyznaczanych z sinusoidalnych przebiegów modulujących o niskiej częstotliwości i małej amplitudzie oraz modulowanego napięcia trójkątnego UΔ o amplitudzie i częstotliwości stałej (regulacja współczynnika głębokości modulacji może być także dokonywana przy zastosowaniu przebiegów: modulujący - sinusoidalny o stałej amplitudzie i regulowanej częstotliwości, modulujący - trójkątny o regulowanej amplitudzie i stałej lub regulowanej częstotliwości. Zbyt długie czasy wyłączenia zaworów falownika niekorzystnie wpływają na pracę silnika.

Powoduje to, że okres pracy silnika bez napięcia zasilania może być zbyt długi co wpływa jego niestabilną pracę. Żeby tego uniknąć częstotliwość napięcia trójkątnego UΔ może być podwójna dla niskich częstotliwości napięcia wyjściowego falownika.

Maksymalne skuteczne napięcie fazowe na zaciskach wyjściowych falownika odpowiada w połowie wartości napięcia obwodu pośredniego podzielonego przez 2 i stąd jest równe połowie wartości skutecznej międzyfazowego napięcia sieci zasilającej. Wytwarzane skuteczne napięcie międzyfazowe na zaciskach mocy falownika jest równe 3 razy jego wyjściowe napięcie fazowe i stąd maksymalna wartość skuteczna tego napięcia wynosi 0,866 razy wartość skuteczna napięcia międzyfazowego sieci zasilającej.

W metodzie PWM z wyłącznie sinusoidalnym napięciem modulującym (odniesienia) można przekazywać na zaciski silnika do 86,6% wartości międzyfazowego napięcia zasilania przemiennika częstotliwości, rys. 10.

Napięcie wyjściowe przemiennika częstotliwości z wyłącznie modulacją sinusoidalną PWM falownika nie może osiągnąć nominalnej wartości napięcia zasilania silnika, dlatego jego napięcie zasilania jest obniżone przybliżeniu o 13%.

Dodatkowe zwiększenie napięcia można uzyskać przez zmniejszenie liczby pulsów gdy częstotliwość napięcia wyjściowego falownika osiąga 45Hz, ale jest kilka wad związanych z tą techniką. W szczególności takie działanie powoduje, że napięcie zmienia swoją wartość w tym zakresie krokowo i to powoduje, iż prąd w silniku staje się niestabilny. Jeżeli liczba pulsów jest zmniejszona to zawartość harmonicznych w napięciu wyjściowym przemiennika wzrasta powodując większe straty w silniku.

Innym sposobem rozwiązania tego problemu jest zastąpienie trzech sinusoidalnych napięć odniesienia przez innego rodzaju sygnały. Te sygnały mogłyby mieć inny kształt np.: trapezowy, schodkowy itp.

Przykładowo sinusoidalne przebiegi odniesienia mogłoby zawierać dodatkowo 3 harmoniczną. Przez powiększenie amplitudy sinusoidalnego napięcia odniesienia o 15,5% ([1 / 0,866-1]*100%) i dodanie 3 harmonicznej o amplitudzie 16,6% harmonicznej podstawowej, tablica przełączeń zaworów półprzewodnikowych falownika ulegnie zmianie w ten sposób, że nastąpi zwiększenie napięcia wyjściowego falownika.

     4. Synchroniczna modulacja PWM

Podstawowy problem sinusoidalnej modulacji PWM leży w określeniu optymalnej ilości przełączeń w okresie harmonicznej podstawowej napięcia wyjściowego falownika oraz kąta przesunięcia fazowego. Ilość przełączeń musi być tak dobrana, aby uzyskać jak najmniejszą zawartość wyższych harmonicznych. Stąd tablica przełączeń zaworów półprzewodnikowych falownika w przemienniku częstotliwości jest opracowana dla danego (ograniczonego) zakresu częstotliwości wyjściowego napięcia przemiennego falownika (harmonicznej podstawowej tego napięcia). Praca poza tym zakresem częstotliwości wymaga innej tablicy przełączeń zaworów falownika.

Stosując metodę modulacji sinusoidalnej PWM jest konieczne optymalizowanie zakresu częstotliwości stosowanego napięcia przy jednoczesnym minimalizowaniu widma wyższych harmonicznych. Jeżeli stosunek częstotliwości napięcia modulowanego UΔ do częstotliwości napięcia odniesienia staje się bardzo duży, to te dwa sygnały mogą przebiegać asynchronicznie względem siebie. Przy stosunku tych częstotliwości bliskim 10 albo niższym, wystąpią szkodliwe wyższe harmoniczne. Staje się, więc konieczne zsynchronizowanie tych dwóch sygnałów. Ta synchronizacja widziana jako możliwość zmiany prędkości obrotowej silnika jest dobra dla trójfazowych napędów o małych wymaganiach dynamicznych, gdzie napięcie i częstotliwość (normalne sterowanie U/f ) może być zmieniane powoli.

     5. Asynchroniczna modulacja PWM

Zwiększone wymagania dla silników zorientowanych polowo oraz systemów napędowych prądu przemiennego wymagających szybkiej reakcji na zmiany momentu i prędkości obrotowej (wyłączając napędy typu serwo) powodują, że konieczna jest krokowa (ang. steep-wise) modyfikacja amplitudy oraz kąta fazowego napięcia falownika. Stosując typowy sinusoidalny PWM lub synchroniczny PWM nie można w tych metodach wytwarzania napięcia wyjściowego falownika zadawać krokowo amplitudę i kąt fazowy napięcia.

Istnieje jeden sposób sprostania tym wymaganiom przy użyciu asynchronicznej modulacji PWM. W tej procedurze zamiast synchronizacji przebiegu przemiennego napięcia wyjściowego do częstotliwości przełączania zaworów falownika, co jest normalnie stosowane dla ograniczenia zawartości wyższych harmonicznych prądu w silniku, można sterować położeniem wektora napięcia stosując odpowiedni cykl przełączeń zaworów falownika. W rezultacie otrzymywana jest asynchroniczna współzależność położenia wektora napięcia wyjściowego z jego częstotliwością.

Są dwie główne techniki asynchronicznej modulacji PWM.

1. SFAVM (Stator Flow-oriented Asynchronus Vector Modulation) – płynnie ukierunkowana asynchroniczna modulacja przestrzennego wektora napięcia stojana.

2. 60º AVM (Asynchronus Vector Modulation) - 60º modulacja wektora napięcia stojana.

SFAVM jest modulacją wektorową, w której jest możliwa zmiana napięcia falownika - amplitudy i kąta przesunięcia fazowego w sposób przypadkowy, ale krokowo przy przełączaniu zaworów falownika - innymi słowy asynchronicznie. Daje to lepsze własności dynamiczne silnika współpracującego z falownikiem przemiennika.

Główną zaletą tej modulacji jest optymalizowanie parametrów strumienia stojana silnika poprzez oddziaływanie na jego napięcie zasilania. Powoduje to minimalizowanie pulsacji momentu na wale silnika zależnego od odchylenia kąta fazowego napięcia i sekwencji przełączeń zaworów falownika. Brak właściwego strumienia magnetycznego w silniku prowadzi do zmniejszenia i większych pulsacji momentu. W konsekwencji przełączanie zaworów falownika musi zapewniać minimalizowanie kąta odchylenia wektora napięcia. Przełączanie między wektorami napięcia opiera się na obliczaniu żądanej trajektorii położenia strumienia stojana silnika, którego zmiany określają jakość generowanego momentu.

Wadą konwencjonalnej metody PWM jest to, że występowało w niej odchylenie amplitudy wektora strumienia stojana i jego kąta. Te odchylenia dotyczyły obracającego się strumienia magnetycznego w szczelinie powietrznej silnika i powodowały pulsowanie momentu. Skutek odchylenia amplitudy wektora strumienia jest nieznaczny i może być zmniejszany przez zwiększanie częstotliwości przełączania.

Generacja napięcia silnika.

Dla Stabilnej pracy silnika należy zapewnić kołową trajektorię wektora napięcia Uωt jak pokazano na rys. 3.24. Długość wektora napięcia jest miarą wartości napięcia silnika. Szybkość wirowania wektora odwzorowuje częstotliwość napięcia. Napięcie skuteczne silnika jest wytwarzane przez powstawanie krótkich impulsów napięciowych od sąsiednich wektorów.

Metoda SFAVM stosowana przez firmę Danfoss ma między innymi następujące właściwości:

1. wektor napięcia może być kontrolowany zgodnie z wstępnie przyjętą amplitudą napięcia i kątem odniesienia,

2. przełączanie, które zawsze zaczyna się od 000 , 111 umożliwia każdemu wektorowi napięcia posiadanie 3 trybów przełączania,

3. średnia wartość wektora napięcia jest otrzymywana przez krótkie impulsy sąsiednich wektorów jak również wektorów zgodnych ( 000,111 ). Sterowanie to dobrze objaśnia rys. 11 i 12.

a) aktualne napięcie silnika                                                                b) Sekwencja przełączeń idealnego wektora

   (50% wartości nominalnej)                                                                  napięcia Uax wg tablicy przełączeń PWM, z

                                                                              naniesionym zadanym wektorem napięcia.

Rys. 11 Przełączanie zaworów mocy falownika wg metody PWM opartej na przestrzennym wektorze napięcia (SFAVM) dla 50% nominalnego napięcia.

Rys. 12 Przebiegi czasowe sygnałów sterujących falownika trójfazowego dla 50% napięcia wyjściowego - fazy U,V,W.

Chwilowa wartość napięcia zadanego Uωt pokazana na rys. 11a, wynosi 50% nominalnego napięcia silnika. Napięcie wyjściowe generowane jest przez krótkie impulsy przynależnego wektora, - w tym przypadku 011 i 001 jak również 000 i 111 w formie wartości średniej - rys. 12b.

a) aktualne napięcie silnika                                                     b) Sekwencja przełączeń idealnego wektora

(100% wartości nominalnej).                                                        napięcia Uax wg tablicy przełączeń PWM,

                                                                                 z naniesionym zadanym wektorem napięcia.

Rys. 13 Przełączanie zaworów mocy falownika wg metody PWM opartej na przestrzennym wektorze napięcia (SFAVM) dla 100% nominalnego napięcia.

Rys. 14 Przebiegi czasowe sygnałów sterujących falownika trójfazowego dla 100% napięcia wyjściowego - fazy U,V,W.

SFAVM wytwarza szczególne połączenie układu sterowania i mocy obwodu przemiennika. Modulacja jest zsynchronizowana z zadaną z układu sterowania częstotliwością (patrz dział VVCplus), i asynchroniczna do składowej podstawowej częstotliwości napięcia silnika.

Synchronizacja między sterowaniem i modulacją ma przewagę w przemiennikach większych mocy ( wektor napięcia, wektor strumienia ) dlatego, że układ sterowania wektorem napięcia jest w stanie sterować bezpośrednio i bez ograniczeń (amplituda, kąt i kąt prędkości są sterowalne).

W przypadku konieczności radykalnego zredukowania czasu obliczeń w czasie rzeczywistym - "on-line", wartości napięcia dla różnych kątów są zadane w odpowiedniej tabeli. Rys. 15 przedstawia w sposób uproszczony przykładowy przebieg modulacji wektorowej napięcia przy modulacji SFAVM oraz napięcia wyjściowe falownika (zasilania silnika).

Rys. 15 Wyjściowe napięcia fazowe falownika uzyskiwane wg tablicy łączeń dla modulacji SFAVM

Rys. 16 Napięcie międzyfazowe na wyjściach mocy przemiennika (zasilania silnika) przy modulacji SFAVM

60º AVM

Kiedy stosujemy 60º AVM ( ang. Asynchronus Vector Modulation) zamiast SFAVM wektory napięcia mogą być określane:

1. W granicach cyklu przełączeń, tylko jeden wektor zerowy (000 lub 111) jest tu wykorzystywany.

2. Sekwencja przełączania nie zawsze zaczyna się od zerowego wektora (000 lub111).

3. W granicach 1/6 okresu (60º) falownik nie jest przełączany w jedne fazie. Stan przełączenia (0 lub1) jest wtedy utrzymywany. W dwóch pozostałych fazach przełączanie odbywa się normalnie.

Rysunek 17 przedstawia porównanie sekwencji przełączeń dla modulacji 60º AVM i SFAVM dla krótkiego odstępu czasu (rys. 17a) i dla kilku okresów (rys. 17b).

Rys. 17a Sekwencje przełączeń przy sterowaniu falownika wg modulacji 60º AVM i SFAVM w krótkich odstępach czasu

Rys. 17b Przełączanie zaworów falownika w metodach modulacji 60º AVM i SFAVM dla kilku kolejnych okresów

źródło :Dr inż. Jerzy Szymański , ELPOL Centrum Elektroniki i Automatyki Sp. z o.o. (www.elpol.biz)