Sterownik falownika

System sterowania falownikiem składa się z dwóch obwodów funkcyjnych. Jednym z nich jest „Generator fali początkowej” dla napięcia prądu przemiennego, a drugim jest „generator prądu przemiennego”, który wytwarza docelową falę napięcia prądu przemiennego. Generator fali początkowej wytwarza serię impulsów, których wysokość jest identyczna, ale szerokość jest wybierana przez generator; seria impulsów to „fala początkowa” dla docelowej fali prądu przemiennego. O szerokości każdego impulsu decyduje specjalne obliczenie, które zostanie zilustrowane później.
Generator prądu przemiennego modyfikuje falę początkową na falę prądu przemiennego. Obwód ten ma wewnątrz kilka par przełączników. Dla prostego wyjaśnienia rozważmy przypadek, w którym w obwodzie funkcyjnym istnieje tylko jedna para dwóch przełączników. Jeden z zacisków jednego przełącznika jest podłączony do źródła napięcia stałego (V+), a drugi przełącznik do poziomu uziemienia. Pozostałe zaciski obu przełączników są ze sobą połączone, co tworzy zacisk wyjściowy generatora prądu przemiennego. Każdy przełącznik jest kontrolowany przez fale modyfikacji Fali Początku. Ta konfiguracja może wytwarzać trzy poziomy napięcia: poziom napięcia prądu stałego (V+), poziom uziemienia i poziom pośredni pomiędzy V+ i uziemieniem.
To wyjaśnienie dotyczy tylko dwóch przełączników, ale jasne jest, że większa liczba przełączników i wyrafinowane sterowanie przełącznikami spowoduje utworzenie bardziej skomplikowanych fal prądu przemiennego z prostych poziomów prądu stałego i masy.

Krzywa sinusoidalna
W wielu przypadkach docelowymi falami prądu przemiennego będą krzywe sinusoidalne. Na przykład system sterowania silnikiem będzie wymagał fali sinusoidalnej do napędzania silnika, ponieważ idealne krzywe sinusoidalne powinny zapewniać najcichszy obrót i najmniejsze zużycie energii. Innym przykładem jest kondycjoner mocy, który generuje falę sinusoidalną o częstotliwości 60 Hz w komercyjnych liniach energetycznych.
Fala początkowa krzywej sinusoidalnej jest generowana w następujący sposób.
Na początek należy dokonać pewnej definicji. Maksymalny poziom wyjściowy i minimalny poziom generatora prądu przemiennego wynoszą odpowiednio +V i -V. A amplituda krzywej sinusoidalnej na wyjściu jest mniejsza niż wartość 2 x V.
Następnie przygotowuje się trójkąt równoramienny. Wysokość trójkąta wynosi 2 x V i powtarza się wzdłuż osi poziomej (osi czasu), a podstawą jest stały przedział czasu. Krzywa sinusoidalna jest umieszczana na wykresie wraz z trójkątami w tle.
Porównując wartości trójkątów z wartościami krzywej sinusoidalnej, zdefiniuj „jeden”, jeśli krzywa sinusoidalna jest większa od trójkąta, i „zero”, jeśli nie. Otrzymałoby to sekwencję impulsów o wysokości jednostkowej, która jest falą początkową krzywej sinusoidalnej.
Fala początkowa (Sygnał S) charakteryzuje się tym, że szerszy impuls pojawia się przy większej wartości na krzywej sinusoidalnej. Dla lepszego zrozumienia, czy impulsy zostaną zmodyfikowane w celu wypełnienia sąsiedniej przestrzeni bez zmiany obszaru impulsu, pojawia się kształt krzywej sinusoidalnej (Sygnał Sa). Jak łatwo sobie wyobrazić, kształt zbliża się do krzywej sinusoidalnej, gdy trójkąt równoramienny staje się bardziej stromy (podstawa jest mniejsza). Należy pamiętać, że Sygnał Sa nie jest falą rzeczywistą, ale falą koncepcyjną.
Technologia generowania fali podobnej do fali początkowej, która składa się z impulsów o stałej wysokości i zmiennej szerokości, nazywa się PWM (modulacja szerokości impulsu). Sterowanie falownikiem realizowane jest w technologii PWM.

Kontrola informacji zwrotnej
Podstawową funkcją sterowania falownikiem jest to, że generator fali początkowej wytwarza falę początkową PWM, a generator prądu przemiennego generuje falę sinusoidalną przekształconą przez falę początkową. To nie wszystko w rzeczywistej realizacji. Układ sterowania zawiera silnik lub inne urządzenie, wewnątrz którego w świecie elektrycznym można by nazwać „obciążeniem”. Gdy obciążenie działa, zniekształca falę sinusoidalną na wyjściu generatora prądu przemiennego; amplituda fali sinusoidalnej może się zmniejszyć, faza może nieznacznie się zmienić lub częstotliwość może być niestabilna i tak dalej.
W systemie powinno być więcej kilku funkcji, aby uzyskać idealną krzywą fali sinusoidalnej. Funkcja monitorowania fali wyjściowej generatora prądu przemiennego (jest to wejście obciążenia). Następnie należy porównać monitorowany sygnał z przebiegiem idealnym. W rezultacie, jeśli amplituda monitorowanego sygnału jest mniejsza, wyjście generatora fali początkowej, impulsy PWM, powinno być dłuższe i odwrotnie. Po powtórzeniu tego procesu fala wyjściowa jest dość bliska fali idealnej i staraj się utrzymać przebieg w tym samym kształcie.
Pętla opisana powyżej, ogólnie rzecz biorąc, jest dobrze znana jako system „sterowania ze sprzężeniem zwrotnym”. Dzięki sterowaniu ze sprzężeniem zwrotnym sterowanie falownikiem można zastosować do różnych wartości obciążenia.

Obwody niezbędne do sterowania falownikiem
Obwód monitorujący do monitorowania wyjścia generatora prądu przemiennego, generator trójkąta równoramiennego, obwód porównujący sygnał monitorowany i trójkąt równoramienny (generator sygnału S), komparator sygnału S monitorowanego sygnału i sygnału idealnego S ideału sinusoidę, pamięć idealnego sygnału S, generator impulsów PWM i oczywiście sam generator prądu przemiennego.
Obwód monitorujący wyjście generatora prądu przemiennego będzie konwerterem AD, który przekształca monitorowany sygnał analogowy na wartości cyfrowe. Ta konwersja ułatwia porównanie wielkości pomiędzy wartościami konwersji i wartościami trójkąta równoramiennego (wartościami cyfrowymi).
Do utworzenia trójkąta równoramiennego używany jest obwód licznika. Licznik powinien zliczać impulsy z dość szybkim zegarem częstotliwości i zwiększać się do określonej wartości zliczanej i zmniejszać po osiągnięciu wartości zliczanej; co generuje trójkąt równoramienny.
Porównanie zostałoby przeprowadzone za pomocą obwodu kalkulatora cyfrowego.
Sygnał S idealnej krzywej sinusoidalnej jest przechowywany w pamięci.
Impulsy PWM będą generowane przez specjalny obwód przeznaczony do sterowania serią impulsów PWM.

Cele kontrolne
Głównymi celami sterowania falownikiem energoelektronicznym jest regulacja napięcia lub prądu wyjściowego, synchronizacja z siecią lub obciążeniem, minimalizacja zniekształceń harmonicznych i strat przełączania oraz zapewnienie stabilności i niezawodności systemu. W zależności od zastosowania i warunków pracy, aby osiągnąć te cele, można zastosować różne strategie i techniki sterowania. Do popularnych należą modulacja szerokości impulsu (PWM), kontrola histerezy, modulacja wektora przestrzennego (SVM) i kontrola opadania.

Metody kontroli
Metody sterowania falownikami energoelektronicznymi można podzielić na dwie kategorie: liniowe i nieliniowe. Metody sterowania liniowego wykorzystują regulatory z liniowym sprzężeniem zwrotnym, takie jak regulatory proporcjonalno-całkujące (PI) lub proporcjonalnie-całkująco-różniczkujące (PID), do regulacji napięcia lub prądu wyjściowego. Są proste i łatwe do wdrożenia, ale mają ograniczenia w zakresie niezawodności, przepustowości i wydajności dynamicznej. Metody sterowania nieliniowego wykorzystują sterowniki z nieliniowym sprzężeniem zwrotnym, takie jak sterowanie w trybie ślizgowym (SMC) lub sterowanie rozmyte (FLC), do regulacji napięcia lub prądu wyjściowego.

Pętle sterujące
Pętle sterujące falowników energoelektronicznych można podzielić na dwa poziomy: wewnętrzny i zewnętrzny. Wewnętrzna pętla sterowania odpowiedzialna jest za generowanie sygnałów przełączających dla przełączników falownika na podstawie sygnałów odniesienia i sygnałów sprzężenia zwrotnego. Zewnętrzna pętla sterowania jest odpowiedzialna za generowanie sygnałów odniesienia dla wewnętrznej pętli sterowania, w oparciu o pożądane napięcie lub prąd wyjściowy. Wewnętrzna pętla sterowania zwykle działa z wyższą częstotliwością niż zewnętrzna pętla sterowania, aby zapewnić szybką i dokładną reakcję.

Wyzwania kontrolne
Sterowanie falownikami energoelektronicznymi wiąże się z kilkoma wyzwaniami, takimi jak zmiany parametrów, nieliniowość, niepewność, zakłócenia i ograniczenia. Czynniki te mogą wpływać na wydajność i stabilność systemu i wymagają adaptacyjnych i niezawodnych technik sterowania. Co więcej, sterowanie falownikami energoelektronicznymi wiąże się również z kompromisami między sprzecznymi celami, takimi jak wydajność, jakość i niezawodność. Te kompromisy wymagają optymalizacji i wielocelowych technik kontroli.

Prostym sposobem zrozumienia, w jaki sposób falownik przekształca prąd stały na prąd przemienny, jest spojrzenie na obwód falownika jako na 2 pary po 2 przełączniki, co daje w sumie cztery przełączniki. Przełączniki są sparowane w taki sposób, że gdy przełączniki 1 i 3 są zamknięte, przełączniki 2 i 4 są otwarte. Następnie, gdy 1 i 3 są otwarte, 2 i 4 są zamknięte. Każda para przełączników spowoduje zmianę kierunku prądu po zamknięciu.

Przełączniki nie są w rzeczywistości używane w obwodzie falownika. Zamiast przełączników jako przełączniki służą tranzystory, takie jak tranzystory bipolarne z izolowaną bramką (IGBP) lub półprzewodnikowe tranzystory polowe z tlenkiem metalu (MOSFET).

Tranzystory te umożliwiają również stopniowy wzrost i spadek prądu podczas otwierania i zamykania. Jest to konieczne, aby prąd wyjściowy miał postać fali sinusoidalnej. Jeżeli tranzystory otwierają się i zamykają natychmiast, sygnał wyjściowy z falownika będzie falą prostokątną, która w przypadku wielu urządzeń nie będzie bezpiecznie działać jako prąd przemienny.

Na koniec falownik będzie musiał podnieść poziom napięcia do 120 VAC. Aby to osiągnąć, falownik wykorzystuje transformator podwyższający.