PRETVARA ČI S MODULACIJOM ŠIRINE IMPULSA – PWM UVOD

1. 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)

2. PRETVARAČI S MODULACIJOM ŠIRINE IMPULSA – PWM 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.

3. PRETVARAČI S MODULACIJOM ŠIRINE IMPULSA – PWM TROFAZNI PRETVARAČ U MOSNOM SPOJU • IZMJENJIVAČKI NAČIN RADA KOD EMP I AC IZVORA (UPS) • ISPRAVLJAČKI NAČIN RADA KOD IZVORA NAPAJANJA S JEDINIČNIM FAKTOROM SNAGE

4. METODE MODULACIJE ŠIRINE IMPULSA (PWM) • U OTVORENOJ PETLJI (OPEN LOOP) • U ZATVORENOJ PETLJI POVRATNE VEZE (CLOSED LOOP) 1. 2.

5. METODE PWM-a U OTVORENOJ PETLJI TEMELJNI 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

6. METODE PWM-a U OTVORENOJ PETLJI TEMELJNE DEFINICIJE

7. METODE PWM-a U OTVORENOJ PETLJI METODE UTEMELJENE NA NOSIOCU (CB) SINUSNA PWM (SPWM)

8. METODE PWM-a U OTVORENOJ PETLJI METODE UTEMELJENE NA NOSIOCU (CB) 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.

9. METODE PWM-a U OTVORENOJ PETLJI METODE UTEMELJENE NA NOSIOCU (CB) 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.

10. METODE PWM-a U OTVORENOJ PETLJI METODE UTEMELJENE NA NOSIOCU (CB) 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,

11. METODE PWM-a U OTVORENOJ PETLJI VEKTORSKA 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.

12. METODE PWM-a U OTVORENOJ PETLJI VEKTORSKA MODULACIJA (SPACE VECTOR MOD.- SVM)

13. METODE PWM-a U OTVORENOJ PETLJI VEKTORSKA MODULACIJA (SPACE VECTOR MOD.- SVM) 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.

14. METODE PWM-a U OTVORENOJ PETLJI VEKTORSKA MODULACIJA (SPACE VECTOR MOD.- SVM) 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.

15. METODE PWM-a U OTVORENOJ PETLJI VEKTORSKA MODULACIJA (SPACE VECTOR MOD.- SVM) 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.

16. METODE PWM-a U OTVORENOJ PETLJI VEKTORSKA MODULACIJA (SPACE VECTOR MOD.- SVM) 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

17. 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.

18. 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.

19. 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)

20. 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

21. 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)

22. SLUČAJNA (RANDOM) PWM

23. 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!

24. METODE PWM-a U ZATVORENOJ PETLJI TEMELJNI 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: • KONROLA TRENUTNOG VALNOG OBLIKA STRUJE S VELIKOM TOČNOŠĆU, • IZRAZITO DOBRA DINAMIKA, • ZAŠTITA OD PREKOSTRUJA I POTISKIVANJE PREOPTEREĆENJA, • KOMPENZACIJA EFEKATA ZBOG PROMJENE PARAMETARA TROŠILA, PROMJENE DC I AC NAPONA, • KOMPENZACIJA PADA NAPONA NA SKLOPKAMA I MRTVIH VREMENA PRETVARAČA.

25. METODE PWM-a U ZATVORENOJ PETLJI TEMELJNI 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.

26. METODE PWM-a U ZATVORENOJ PETLJI TEMELJNI 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.

27. METODE PWM-a U ZATVORENOJ PETLJI STATIČKI KRITERIJI KVALITETE STRUJNOG UPRAV.

28. METODE PWM-a U ZATVORENOJ PETLJI PRIKAZ METODA STRUJNOG UPRAVLJANJA

29. METODE PWM-a U ZATVORENOJ PETLJI PRIKAZ METODA STRUJNOG UPRAVLJANJA • DVIJE SU GLAVNE METODE: • S IZDVOJENIM PWM BLOKOM (U OTVORENOJ PETLJI) (BOLJA SVOJSTVA) • S DVOPOLOŽAJNIM (ON-OFF) REGULATOROM (JEDNOSTAVNOST)

30. METODE PWM-a U ZATVORENOJ PETLJI ODABRANI 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.

31. METODE PWM-a U ZATVORENOJ PETLJI ODABRANI PRIMJERI - PI REGULATOR STRUJE “RAMP” COMPARISON REGULATOR DETALJNIJI PRIKAZ

32. METODE PWM-a U ZATVORENOJ PETLJI ODABRANI PRIMJERI - PI REGULATOR STRUJE STACIONARNI VEKTORSKI REGULATOR KORISTI SE TRANSFORMACIJA KOORDINATA, BUDUĆI DA SE DJELUJE NA AC KOMPONENTE PREOSTAJE STATIČKA POGREŠKA STRUJE.

33. METODE PWM-a U ZATVORENOJ PETLJI ODABRANI PRIMJERI - PI REGULATOR STRUJE SINKRONI (ROTIRAJUĆI) VEKTORSKI REGULATOR KORISTI KOMPONENTE STRUJE DEFINIRANE U ROTIRAJUĆEM KOORDINATNOM SUSTAVU, TO SU DC VELIČINE, TE JE MOGUĆE PONIŠTITI STATIČKU POGREŠKU STRUJE.

34. METODE PWM-a U ZATVORENOJ PETLJI ODABRANI PRIMJERI - PI REGULATOR STRUJE REGULATOR S POVRATOM VEZOM U PROSTORU STANJA (STATE FEEDBACK) BOLJA SVOJSTVA OD KLASIČNIH PI REGULATORA, NO SINTEZA JE SLOŽENIJA.

35. METODE PWM-a U ZATVORENOJ PETLJI ODABRANI 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

36. METODE PWM-a U ZATVORENOJ PETLJI ODABRANI PRIMJERI – NELINEARNI ON-OFF REG. HISTEREZNI REGULATOR STRUJE • PREDNOSTI: • JEDNOSTAVNOST IZVEDBE, • IZUZETNA ROBUSTNOST, • IZVRSNA DINAMIKA. • NEDOSTACI: • SKLOPNA FREKVENCIJA OVISI O PARAMETRIMA TROŠILA, • TEŠKA ZAŠTITA PRETVARAČA, POMALO STOHASTIČKI RAD.

37. METODE PWM-a U ZATVORENOJ PETLJI ODABRANI PRIMJERI – NELINEARNI ON-OFF REG. 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.

38. 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.