Metody wysokoczęstotliwościowe

Wysokoczęstotliwościowe metody modulacji (częstotliwość przełączeń poje-dynczego łącznika półprzewodnikowego powyżej 1 kHz) są najszerzej wykorzy-stywane w aplikacjach małych oraz średnich mocy, przeważnie w systemach niskonapięciowych. Dla potrzeb wielopoziomowych przekształtników energii elektrycznej, zaadaptowanych i zmodyfikowanych zostało wiele standardo-wych algorytmów skalarnych, jak i wektorostandardo-wych. Różnorodność układów prze-kształtnikowych oraz ich aplikacji sprawia, że współcześnie można spotkać wiele metod sterowania łącznikami półprzewodnikowymi, dedykowanych do konkretnych zastosowań [53, 79, 95, 103, 121, 144, 154].

PS-PWM – sygnały nośne o różnym kącie fazowym

Algorytm wprowadzający odpowiednie przesunięcie fazowe (∆φ) pomiędzy trójkątnymi sygnałami nośnymi modulatorów szerokości impulsów (ang. Phase

56 Metody modulacji stosowane w falownikach wielopoziomowych

znalazł szerokie zastosowanie w sterowaniu układami wielopoziomowymi. Szczególnie wykorzystywany jest w topologiach, charakteryzujących się dużą modułowością, takich jak: przekształtnik z poziomowaniem pojemnościowym (ang. Flying Capacitor Converter – FC) oraz kaskadowy przekształtnik mostkowy (ang. Cascaded H-Bridge Converter – CHB). W każdym z tych układów można wyróżnić powtarzające się komórki (moduły), które mogą być sterowane niezależnie, ale przy użyciu jednego sygnału referencyjnego dla danej fazy. Wprowadzone przesunięcie fazowe pomiędzy sygnałami nośnymi modulatorów kolejnych modułów sprawia, że na wyjściu każdej fazy uzyskuje się wielopoziomowy przebieg napięcia. Można wykazać, że najmniejsze odkształcenie występuje, gdy przesunięcie fazowe jest równe 180◦_{/M w przypadku układu CHB, natomiast 360}◦_{/M dla FC (M oznacza}

liczbę niezależnych modułów w danej gałęzi fazowej). Ponieważ modulatory tej samej fazy są kontrolowane przez ten sam przebieg referencyjny oraz pracują z jednakową częstotliwością sygnałów nośnych, zatem rozkład mocy pomiędzy nimi jest również równy. Ma to szczególne znaczenie dla topologi z poziomowaniem pojemnościowym, gdyż pozwala zachować jednakowy stopień naładowania kondensatorów każdej komórki. Zaletą algorytmu PS-PWM jest także występowanie w generowanym napięciu fazowym, częstotliwości przełączeń M -krotnie większej od tej pojawiającej się w napięciu pojedynczego modułu [38, 45, 63, 107, 110].

LS-PWM – sygnały nośne o różnym poziomie

Popularną grupę wysokoczęstotliwościowych metod modulacji szerokości impulsów stanowią algorytmy o przesuniętych poziomach trójkątnych sygnałów nośnych (ang. Level Shifted PWM – LS-PWM) [53, 62, 95, 108]. Metody te są rozwinięciem modulacji skalarnej stosowanej w falownikach dwupoziomowych. W przypadku falowników o L poziomach napięć generowanych przez pojedynczą gałąź fazową, liczba niezbędnych sygnałów nośnych jest równa (L − 1). Ze względu na łatwość implementacji oraz

generacji sygnałów sterujących danymi łącznikami półprzewodnikowymi, poprzez komparację jednego sygnału referencyjnego z każdym sygnałem nośnym (komplementarne sterowanie parą łączników) są one często stosowane w falownikach typu NPC. W zależności od przesunięcia fazowego wykorzystanych przebiegów trójkątnych (0, π [rad]) szczególnie w aplikacjach o podwyższonej liczbie poziomów napięciowych (cztery i więcej), można rozróżnić szereg podtypów modulacji LS-PWM takich jak np. PD-PWM, POD-PWM, APOD-PWM [51].

SVM – dwuwymiarowa wektorowa metoda modulacji

Odrębny zbiór stanowią tzw. wektorowe metody modulacji, bazujące na reprezentacji napięcia trójfazowego w postaci wektora przestrzennego (ang.

Space Vector Modulation – SVM). Jest on przeważnie wyrażony za pomocą

ortogonalnych składowych, dwuwymiarowego (2D), stacjonarnego układu αβ – układ napięć zrównoważonych, w którym nie występuje składowa symetryczna kolejności zerowej (zależność A.10). Metody wektorowe znalazły bardzo szerokie zastosowanie w sterowaniu wielopoziomowymi przekształtnikami energii elektrycznej. Umożliwiają realizację różnych sekwencji przełączeń

4.1 Ogólna klasyfikacja metod modulacji 57

trójfazowego napięcia wyjściowego oraz efektywne wykorzystywanie wektorów redundantnych (definicja na stronie 48). Zagadnienie związane z wektorowymi algorytmami sterowania, dedykowanymi dla trójpoziomowego falownika napięcia typu NPC, zostało dokładniej przedstawione w rozdziale 4.2.

3D-SVM – trójwymiarowa wektorowa metoda modulacji

W systemach trójfazowych czteroprzewodowych, w których dopuszcza się wy-stępowanie składowych symetrycznych kolejności zerowej w przebiegach prą-dów oraz napięć, reprezentacja wektorów za pomocą jedynie dwóch składowych układu αβ jest niewystarczająca. W takich przypadkach, niezbędne jest wpro-wadzenie do notacji wektorowej dodatkowego trzeciego wymiaru. W efekcie, zarówno wektor referencyjny (u∗_{) jak i dyskretne stany napięciowe falownika}

wielopoziomowego, przedstawiane są w stacjonarnym układzie współrzędnych

αβ0 lub po prostu w naturalnym (trójwymiarowym – 3D) układzie

składo-wych abc (zależności A.6–A.9). Do sterowania trójfazowymi systemami prze-kształtnikowymi z przewodem neutralnym, dedykowane są trójwymiarowe, wektorowe metody modulacji (ang. 3-dimensional Space Vector Modulation – 3D-SVM). Używane są one w wielu aplikacjach przemysłowych, w których do kontrolowania wartości składowej zerowej stosuje się energoelektronicz-ne przekształtniki eenergoelektronicz-nergii elektryczenergoelektronicz-nej, wyposażoenergoelektronicz-ne w cztery gałęzie fazowe (abcn) [2, 25, 105, 148, 156].

4.1.4 Metody hybrydowe

Hybrydowe metody modulacji szerokości impulsów (ang. Hybrid PWM – H-PWM) stanowią przeważnie połączenie cech algorytmów o niskiej oraz wysokiej częstotliwości łączeń. Bardzo często stosowane są do sterowania wielopoziomowymi, kaskadowymi przekształtnikami mostkowymi o różnych wartościach izolowanych napięć wejściowych [44, 49, 66]. Topologie te charakteryzują się zwiększoną liczbą możliwych do wygenerowania poziomów napięciowych, w porównaniu do takich samych układów, ale o równych napięciach zasilania. Moduły mostkowe zasilane najwyższymi napięciami, a zatem dedykowane do przetwarzania największych mocy, sterowane są niską częstotliwością (często zbliżoną do wartości fundamentalnej). Pozostałe moduły danej fazy (mniejszej mocy) działają z częstotliwością znacznie wyższą, realizując właściwą modulację, odpowiadającą referencji napięciowej. Takie podejście powoduje znaczną redukcję ilości realizowanych przełączeń elementów półprzewodnikowych, a zatem minimalizuje łączeniowe straty mocy.

Mianem hybrydowych metod modulacji określane są też często algorytmy sterowania, stosowane w hybrydowych, wielopoziomowych przekształtnikach energii elektrycznej. Układy takie, powstają z połączenia (głównie kaskadowe-go) różnych topologi znanych przekształtników, w celu wykorzystania zalet ja-kie oferują oraz zwielokrotnienia ilości generowanych poziomów napięciowych. Każda topologia hybrydowa charakteryzuje się odrębnymi właściwościami, a więc wymaga ściśle dedykowanych metod modulacji napięć wyjściowych. Takie zagadnienia są tematem wielu prac badawczych [19, 54, 77, 119].

58 Metody modulacji stosowane w falownikach wielopoziomowych