PRETVARACI S MODULACIJOM

1
PRETVARACI S MODULACIJOM ŠIRINE IMPULSA
PWM UVOD

• DANAŠNJI ELEKTRONICKI PRETVARACI UGLAVNOM RADE U
  TZV. SKLOPNOM NACINU RADA (SWITCHING MODE) DA BI
  SE POSTIGLA VECA UCINKOVITOST, MANJA TEŽINA,
  MANJE IZMJERE, BRŽI RAD, VECA GUSTOCA SNAGE
• MODULACIJA ŠIRINE IMPULSA (PULSE WIDTH
  MODULATION, PWM) TEMELJNA JE METODA UPRAVLJANJA U
  SUVREMENIM ELEKTRONICKIM PRETVARACIMA
• PWM JE BRZA TEHNIKA, OVISNO O RAZINI SNAGE I
  PRIMJENI SKLAPANJE SE ODVIJA PRI FREKVENCIJAMA OD
  NEKOLIKO KILOHERCA (UPRAVLJANJE EMP) DO NEKOLIKO
  MEGAHERCA (REZONANTNI PRETVARACI ZA IZVORE
  NAPAJANJA)

2
PRETVARACI 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 MIKRORACUNALA VEKTORSKA MODULACIJA
  (SPACE VECTOR MODULATION, SVM) POSTAJE
  PREVLADAVAJUCOM TEHNIKOM UPRAVLJANJA
  ELEKTRONICKIM PRETVARACIMA, PREDLOŽILI SU JE
  PFAFF, WESCHTA I WICK 1982.
• HAVA, KERKMAN, LIPO I BLAŠKO PREDLOŽILI SU 1997.
  OPCU ILI HIBRIDNU PWM KOJA KORISTI SUSTAV NULTOG
  SLIJEDA (ZERO SEQUENCE SYSTEM) TROSTRUKE
  FREKVENCIJE KAO ZAJEDNICKI CLAN
• PARALELNO S TZV. DETERMINISTICKIM MODULATORIMA
  RAYVIJAJU SE I SLUCAJNE METODE PWM (RANDOM PWM) ,
  TRZYNADLOWSKI, KIRLIN I LEGOWSKI 1993.

3
PRETVARACI S MODULACIJOM ŠIRINE IMPULSA
PWM TROFAZNI PRETVARAC U MOSNOM SPOJU

• IZMJENJIVACKI NACIN RADA KOD EMP I AC IZVORA
  (UPS)
• ISPRAVLJACKI NACIN RADA KOD IZVORA NAPAJANJA S
  JEDINICNIM 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 PRETVARAC I DEFINICIJE

• ŠIROKO PODRUCJE 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),
• MOGUCNOST RADA U PODRUCJU PREMODULACIJA
  UKLJUCUJUCI PRAVOKUTNI (6 STEP) NACIN RADA
• NOVA ISTRAŽIVANJA NA PODRUCJU
• POJEDNOSTAVLJENJA ALGORITAMA KOJI DNAS TROŠE
  NAJVECI DIO RACUNALNOG VREMENA,
• SMANJENJA AKUSTICKE BUKE, SLUCAJNE 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 PODRUCJE RADA JE MANA
  OVE KLASICNE MODULACIJE,
• SLABO ISKORIŠTENJE ISTOSMJERNOG ULAZNOG NAPONA,
• PREMODULACIJA JE MOGUCA U NELINEARNOM PODRUCJU
  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 TOCKA TROFAZNOG TROŠILA N
IZOLIRANA (NIJE SPOJENA SA SREDNJOM TOCKOM
ISTOSMJERNOG SUSTAVA 0), TADA FAZNE STRUJE
TROŠILA OVISE SAMO O LINIJSKIM NAPONIMA, U SVE
TRI FAZE MOŽEMO DODATI ZAJEDNICKI 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 POVECANJE LINEARNOG PODRUCJA RADA
  NA Mmax 0,907, SMANJENJE SREDNJE SKLOPNE
  FREKVENCIJE, TE SMANJENJE VIŠIH HARMONIKA STRUJE,
• DODATNI ZAJEDNICKI NAPON POJAVLJUJE SE IZMEÐU
  SREDNJIG TOCAKA IZMJENICNOG I ISTOSMJERNOG
  SUSTAVA (N i 0) KAO NAPON UN0, A TAKOÐER SE
  UOCAVA 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
IZMJENICNE STRANE PRETVARACA POMOCU PROSTORNOG
VEKTORA (TEORIJA PROIZAŠLA IZ TEORIJE ELEKTRICNIH
STROJEVA). DANAS VRLO POPULARNA METODA ZBOG SVOJE
JEDNOSTAVNOSTI I LAGANE REALIZACIJE POMOCU
RACUNALA.
TROFAZNI DVORAZINSKI PRETVARAC OMOGUCAVA 8
RAZLICITIH 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 ODGOVARAJUCIM
SLIJEDOM 2 SUSJEDNA NAPONSKA VEKTORA I
NUL-VEKTORA. OMJER VOÐENJA SUSJEDNIH VEKTORA (U1,
U2) ODREÐUJE KUT ? REFERENTNOG VEKTORA, DOK
NUL-VEKTORI ODREÐUJU INDEKS MODULACIJE M.
DOZVOLJENA DUŽINA VEKTORA U ZA BILO KOJI KUT ?
ODREÐENA JE IZRAZOM Umax Udc/?3 . ZA DOBIVANJE
VECE VRIJEDNOSTI AMPLITUDE REFERENTNOG VEKTORA
(MAKSIMALNA VRIJEDNOST JE KOD 6-STEP NAPONA)
POTREBNO JE PRIMIJENITI ODGOVARAJUCI 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 ODREÐUJE SE PRI
CVRSTOJ FREKVENCIJI SATA 2fS 1/TS VRIJEDNOST
VEKTORA U(TS) KORISTI SE ZA IZRACUNAVANJE
POTREBNIH INTERVALA t1, t2, t0 I t7.
15
METODE PWM-a U OTVORENOJ PETLJI VEKTORSKA
MODULACIJA (SPACE VECTOR MOD.- SVM)
MIKROPROCESORSKA REALIZACIJA UKLJUCUJE RACUNANJE
INTERVALA POMOCU TRIGONOMETRIJSKIH JEDNADŽBI ZA
PRVI SEKTOR I NJIHOVO PRERACUNAVANJE ZA OSTALE
SEKTORE.
NAKON IZRACUNAVANJA INTERVALA VOÐENJA 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
SIMETRICNIM SMJEŠTAJEM NUL-VEKTORA (SVPWM). t0
t7 (TS t1 t2)/2
VRIJEDNOSTI INTERVALA ZA OSTALE SEKTORE
IZRACUNAVAJU SE POMOCU 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 (TRECI
HARM.) DONJI DIO SLIKE PRIKAZUJE GENERIRANJE UPR.
SIGNALA POMOCU SV PWM RACUNANJEM TRAJANJA VEKTORA
U1, U2, U0 I U7. UOCAVA SE IDENTICNOST REZULTATA,
MOGUCI STUPNJEVI SLOBODE DOBIVAJU SE ODABOROM
ZSS-a ILI SMJEŠTAJEM NUL-VEKTORA. RAZLIKA JE U
TRETIRANJU 3-FAZNIH VELICINA, KOD SV PWM KORISTI
SE UMJETNI (MATEMATICKI TRANSFORMIRAN) VEKTORSKI
PRIKAZ.
18
PREMODULACIJA (OVERMODULATION)
KOD CB PWM U PREMODULACIJU SE DOLAZI POVECAVANJEM
AMPLITUDE REFERENTNOG SIGNALA IZNAD VRŠNE
VRIJEDNOSTI AMPLITUDE TROKUTNOG NOSIOCA, DOLAZI
DO ISPUŠTANJA POJEDINIH SKLOPNIH CIKLUSA. KADA Ma
DOVOLJNO NARASTE ULAZI SE U 6-STEP NACIN RADA.
19
PREMODULACIJA (OVERMODULATION)
KOD SV PWM U PREMODULACIJU SE DOLAZI
ODGOVARAJUCIM ALGORITMOM, KOD KOJEG SE UOPCE NE
KORISTE NUL-VEKTORI. GRANICNA AMPLITUDA
REFERENTNOG VEKTORA ZA LINEARNI NACIN RADA JE
Umax Udc/?3 (ODGOVARA INDEKSU MODULACIJE M
0,906), A U NELINEARNOM SE NACINU RADA MOŽE
POSTICI SVE DO M 1)
20
VAŽNI KRITERIJI PONAŠANJA MODULACIJA

• PODRUCJE LINARNOG RADA,
• SKLOPNI GUBICI (ZNATNO VECI I ZNACAJNIJI OD
  GUBITAKA VOÐENJA),
• IZOBLICENJA.

ADAPTIVNA VEKTORSKA MODULACIJA (ASVM)

• KORISTECI NAJBOLJA SVOJSTVA POJEDINIH TIPOVA
  MODULACIJA DAJE NAJBOLJE REZULTATE GLEDE
  KRITERIJA PONAŠANJA.
• OVISNO O TRAŽENOM INDEKSU MODULACIJE M, KORISTI
  SE OPTIMALNI NACIN VEKTORSKE MODULACIJE

21
SLUCAJNA (RANDOM) PWM

• KOD DETERMINISTICKIH METODA MODULACIJE DOBIVA SE
  DISKRETAN SPEKTAR, CIJE POJEDINE KOMPONENTE MOGU
  ZADIRATI U OSJETLJIVA ILI ZABRANJENA PODRUCJA
  FREKVENCIJA (PRIMJERICE KOMUNIKACIJSKE KANALE)
• NASTAJU DODATNI GUBICI, NEŽELJENE VIBRACIJE
• POSTOJE 2 OSNOVNA RAZLOGA ZA ISTRAŽIVANJA
  SLUCAJNE MODULACIJE SMANJENJE SUBJEKTIVNE BUKE,
  TE UJEDNACAVANJE ELEKTROMAGNETSKOG ŠUMA (LAKŠE
  ZADOVOLJAVANJE NORMI)
• MOGU SE IZBJECI ANALOGNI UCINSKI FILTRI (TEŽINA I
  CIJENA)

22
SLUCAJNA (RANDOM) PWM
23
METODE PWM-a U OTVORENOJ PETLJI ZAKLJUCCI

• PARAMETRI PWM PRETVARACA (LINEARNO PODRUCJE
  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 PODRUCJU UPRAVLJANJA.
• ADAPTIVNA VEKTORSKA REGULACIJA JE OPTIMALNO
  RJEŠENJE, A REALIZIRA SE PROGRAMSKI!

24
METODE PWM-a U ZATVORENOJ PETLJI TEMELJNI
ZAHTJEVI I DEFINICIJE

• DANAS U VECINI PRIMJENA PWM PRETVARACI S
  NAPONSKIM ULAZOM IMAJU REGULACIJSKU STRUKTURU S
  UNUTRAŠNJOM POVRATNOM VEZOM PO STRUJI.
• PONAŠANJE PRETVARACA IZRAZITO OVISI O KVALITETI
  PRIMJENJENE STRATEGIJE REGULACIJE STRUJE
• PREDNOSTI PRETVARACA SA ZATVORENOM POVRATNOM
  VEZOM
• KONROLA TRENUTNOG VALNOG OBLIKA STRUJE S VELIKOM
  TOCNOŠCU,
• IZRAZITO DOBRA DINAMIKA,
• ZAŠTITA OD PREKOSTRUJA I POTISKIVANJE
  PREOPTERECENJA,
• KOMPENZACIJA EFEKATA ZBOG PROMJENE PARAMETARA
  TROŠILA, PROMJENE DC I AC NAPONA,
• KOMPENZACIJA PADA NAPONA NA SKLOPKAMA I MRTVIH
  VREMENA PRETVARACA.

25
METODE PWM-a U ZATVORENOJ PETLJI TEMELJNI
ZAHTJEVI I DEFINICIJE
GLAVNI ZADATAK STRUJNO UPRAVLJANOG PWM PRETVARACA
(CC-PWM) JE DA PRISILI STRUJE TROFAZNOG TERETA NA
TOCNO PRACENJE REFERENTNIH STRUJA. USPOREDBOM
ŽELJENIH I MJERENIH TRENUTNIH VRIJEDNOSTI STRUJA
GENERIRAJU SE SKLOPNA STANJA PRETVARACA KOJA
UTJECU NA SMANJENJE STRUJNE POGREŠKE.
U NACELU 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 PRACENJE, TRACKING) U ŠIROKOM OPSEGU
  IZLAZNIH FREKVENCIJA,
• DOBAR DINAMICKI ODZIV SUSTAVA,
• OGRANICENA ILI KONSTANTNA SKLOPNA FREKVENCIJA,
  ZBOG OSIGURANJA SIGURNOG RADA POLUVODICKIH
  SKLOPKI,
• NIZAK SADRŽAJ VIŠIH HARMONIKA STRUJE,
• DOBRO ISKORIŠTENJE ISTOSMJERNOG ULAZNOG NAPONA.

27
METODE PWM-a U ZATVORENOJ PETLJI STATICKI
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,
CIJI IZLAZ SE USPOREÐUJE S TROKUTNIM NOSIOCEM,
KAO KOD SPWM-a GENERIRAJU SE UPRAVLJACKI SIGNALI
ZA SKLOPKE PRETVARACA. IAKO JE METODA SLICNA
SINUSNOJ MODULACIJI, POSTOJI BITNA RAZLIKA U
PONAŠANJU.
POSTOJE MOGUCI PROBLEMI PRI USPOREDBI SIGNALA, TE
JE PRIMJENA OGRANICENA.
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, BUDUCI DA
SE DJELUJE NA AC KOMPONENTE PREOSTAJE STATICKA
POGREŠKA STRUJE.
33
METODE PWM-a U ZATVORENOJ PETLJI ODABRANI
PRIMJERI - PI REGULATOR STRUJE SINKRONI
(ROTIRAJUCI) VEKTORSKI REGULATOR
KORISTI KOMPONENTE STRUJE DEFINIRANE U
ROTIRAJUCEM KOORDINATNOM SUSTAVU, TO SU DC
VELICINE, TE JE MOGUCE PONIŠTITI STATICKU
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 KLASICNIH 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 BESKONACNU FREKVENCIJU SKLAPANJA MOGLO BI SE
POSTICI SAVRŠENO PRACENJE REFERENTNE STRUJE, NO
FREKVENCIJU JE POTREBNO OGRANICITI 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 PRETVARACA, POMALO STOHASTICKI RAD.

37
METODE PWM-a U ZATVORENOJ PETLJI ODABRANI
PRIMJERI NELINEARNI ON-OFF REG. DELTA
REGULATOR STRUJE
NA PRVI POGLED VELIKA SLICNOST S HISTEREZNOM
MODULACIJOM, NO POSTOJI BITNA RAZLIKA. KOMPARATORI
OBRAÐUJU SAMO PREDZNAK POGREŠKE STRUJE. SH
SKLOP OSIGURAVA CVRSTU RADNU FREKVENCIJU. U
NACELU 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 POVECATI SKLOPNU
FREKVENCIJU.
38
METODE PWM-a ZAKLJUCCI
PWM PRETVARACI MOGU RADITI U NAPONSKOM (OPEN
LOOP) I STRUJNOM (CLOSED LOOP) NACINU RADA. BOLJE
PONAŠANJE I DINAMIKA POSTIŽU SE U STRUJNOM NACINU
RADA, POEBNO KOD ELEKTROMOTORNIH POGONA VELIKIH
DINAMICKIH ZAHTJEVA.