Tehnici de Modulație PWM cu Unde Modulatoare Parțial Constante

Introducere

Tehnica de Modulaţie a Impulsurilor în Durată(MID) folosită în convertoarele de putere a fost propusă şi examinată de diferiţi cercetători de-a lungul ultimilor decenii. Multe metode de modulare PWM(Pulse Width Modulation) s-au dezvoltat pentru a atinge următorul scopuri:

• lărgirea lăţimii benzii liniare de modulaţie ;

• micşorarea pierderilor la comutarea dispozitivelor de putere ;

• minimizarea distorsionării armonicelor totale din spectrul comutării formei de undă;

• minimizarea timpului de calcul şi implementarea uşoară.

O lungă perioadă metodele PWM s-a folosit pe larg în electronica de putere. La momentul actual tehnicile de comandă PWM oferă posibilitatea reglării în invertor atât a tensiunii, cât şi a frecvenţei tensiunii de ieşire. Dezvoltarea tehnicii de calcul şi a circuitelor specializate pentru calculul matricial a dus la abandonarea tehnicilor de modulare analogice în favoarea celor digitale. Cel mai des este folosită folosită modulaţia PWM sinusoidală. Injectarea unor armonici in semnalul sinusoidal pentru invertorul trifazat a determinat folosirii modulaţiei PWM cu undă nesinusoidală. In comparaţie cu semnalul sinusoidal trifazat PWM, cel nesinusoidal trifazat PWM poate mări banda liniară de modulaţie pentru tensiunea de linie.

Cu dezvoltarea microprocesoarelor , modulaţia vectorului spaţial a devenit una din multele metode de modulaţie PWM pentru convertoarele trifazate. Teoria vectorului spaţial se foloseşte pentru determinarea ciclului de comutare a tranzistoarelor. Aceasta se implementează digital relativ simplu pentru modulatoarele PWM. Posibilitatea implementării digitale uşoare şi banda de modulaţie liniară largă pentru tensiunea de ieşire sunt trăsăturile principale a modulaţie vectorului spaţial.

Astăzi, convertoarele bazate pe modulaţia impulsurilor în durată sunt utilizate pe larg în aplicaţiile industriale, aşa ca motoarele cu viteză(frecvenţă) variabilă şi sursele de alimentare neîntrerupte(uninterruptible power supplies-UPS). Cu invertoarele comandate pe principiul M.I.D. se obţin forme de undă calitativ mai bune, care nu mai trebuie filtrate , sau sunt mult mai uşor de filtrat. Realizarea lor a fost posibilă odată cu dezvoltarea dispozitivelor semiconductoare de putere care permit comutaţia cu frecvenţă ridicată a unor tensiuni şi curenţi de valoare mare. Datorită schimbărilor tehnologice în electronica de putere, convertoarele au devenit mai ieftine, acesta este avantajul utilizării puterii electrice începând cu în echipamentele de putere de performanţă ridicată până la consumatorii de mică putere.

Invertoarele cu modularea impulsurilor în durată (MID) sunt folosite pe scară largă în aplicaţiile ce au ca scop comanda motoarelor de curent alternativ şi în mai mică măsură în alte aplicaţii cum ar fi cazul redresoarelor din convertoarele de putere.

Numeroasele strategii de comutare în cazul modulării impulsurilor în durată aleg unghiul de conducţie, în timp real, pentru a obţine tensiunea sinusoidală dorită pentru comanda motorului, cu reducerea substanţială a amplitudinilor armonicilor inferioare, folosind un număr cât mai mic de comutaţii, maximizând randamentul de conversie şi folosind o modalitate simplă de comandă a tensiunii de ieşire a convertorului. Pentru invertoare au fost propuse şi dezvoltate de-a lungul anilor diferite metode bazate atât pe implementarea tehnicilor analogice cât si a celor digitale.

În capitolul 1 am prezentat strategiile modulaţiei impulsurilor în durată. Există , în general, trei abordări distincte , care se utilizează în timpul de faţă pentru generarea strategiei de comutare PWM. Prima abordare, se utilizează pe larg din cauza implementării uşoare folosind metodele analogice, şi este bazată pe tehnica “naturală “ de eşantionare. A doua strategie de comutare, se referă la tehnica “uniformă“, şi este considerată că are multe avantaje când sânt utilizate tehnicile digitale sau microprocesoarele. A treia abordare , tehnica PWM “optimizată ”, foloseşte strategia de comutare optimizată bazată pe criterii performante precise.

În capitolul 2 sa analizat metoda de modulaţie PWM denumită "modulaţia vectorului spaţial" ("Space Vector Pulse Width Modulation" – SVPWM sau SVM). După o prezentare sistematică a metodei, cu diversele ei variante, se va prezenta echivalenţa între SVM şi modulaţia PWM cu eşantionare uniformă.

In capitolul 3 vor fi prezentate formele de undă şi câştigul în tensiune, ce se obţine în cazul utilizării metodei de generare a impulsurilor modulate în durată folosind o undă modulatoare parţial constantă. Această metodă este diferită de toate celelalte metode cunoscute în literatura de specialitate şi asigură corecţiile necesare pentru tensiunea de ieşire sub formă de impulsuri modulate în durată, prin reducerea amplitudinii armonicelor de ordin inferior. Aceste corecţii elimină efectele nedorite ale modulaţiei cu undă discontinuă. După cum se va vedea, din cele ce vor fi prezentate în continuare, folosind această metodă numărul de comutaţii ale dispozitivelor de putere ale unui invertor trifazic scade cu 33% în comparaţie cu metodele clasice. Obţinerea impulsurilor modulate în durată este asigurată doar cu ajutorul a numai două comutaţii ale dispozitivelor de putere ale invertorului trifazat într-un interval de /3.

Capitolul 1 : Noţiuni de bază a tehnicii de modulaţie PWM

1.1. Generalităţi.

Cu invertoarele comandate pe principiul M.I.D. se obţin forme de undă calitativ mai bune , care nu mai trebuie filtrate , sau sunt mult mai uşor de filtrat. Realizarea lor a fost posibilă odată cu dezvoltarea dispozitivelor semiconductoare de putere care permit comutaţia cu frecvenţă ridicată a unor tensiuni şi curenţi de valoare mare.

Modulaţia impulsurilor în durată permite variaţia fundamentalei tensiunii de ieşire ca valoare efectivă şi frecvenţă şi translează spre domeniul frecvenţelor înalte armonicile tensiunii de ieşire, ceea ce explica filtrarea mai uşoară. La acest tip de invertoare, semnalele de comandă sunt generate prin comparaţia între o undă purtătoare Up(t) (de regulă triunghiulară) , de frecvenţa fp şi amplitudine şi o undă de referinţă, asemănătoare ca forma cu cea pe care dorim să o obţinem la ieşirea invertorului, notată cu Ur(t), de frecvenţă fr şi amplitudine .