آموزش استفاده از اینورتر ولتاژ با مدولاسیون عرض پالس (PWM)
اینورتر ولتاژ با مدولاسیون عرض پالس
اینورتر ولتاژ با مدولاسیون عرض پالس (PWM) یکی از تکنولوژی های کلیدی در الکترونیک قدرت است. فناوری PWM نه تنها باعث بهبود کارایی و کاهش تلفات انرژی می شود، بلکه با کاهش نویز، عمر مفید تجهیزات الکتریکی را افزایش داده و عملکرد کلی سیستم ها را بهبود می بخشد. بنابراین، استفاده از اینورترهای ولتاژ با مدولاسیون عرض پالس برای کاهش نویز به عنوان یک راه حل موثر و پایدار در صنایع مختلف شناخته می شود.
PWM چگونه کار می کند؟
به طور کلی یکی از مشکلات عمده در درایوهای AC وجود ضربان های ناخواسته در گشتاور تولیدی ماشین می باشد که در بلند مدت موجب ایجاد فرسودگی مکانیکی و الکتریکی در سیستم می شود. منشا این ضربان ها وجود مولفه های غیر اصلی (هارمونیک ها) در ولتاژ یا جریان تغذیه ماشین می باشد از این رو در طراحی درایو سعی می شود که ولتاژ یا جریان تغذیه سیستم را تا حد امکان به شکل موج سینوسی ایده آل نزدیک نمایند. بدین منظور یکی از روش های مورد توجه، استفاده از اینورترهای مدولاسیون پهنای پالس ولتاژ می باشد. در این گونه دستگاه اینورتر صنعتی با به کارگیری تکنیک مدولاسیون پهنای پالس، از یک ولتاژ تغذیه DC ثابت ورودی و از طریق اعمال روش کنترل مناسب برای تعیین وضعیت لحظه ای روشن یا خاموش بودن کلیدهای اینورتر، می توان ولتاژ با شکل موج سینوسی با دامنه و فرکانس متغییر در خروجی بدست آورد (شکل 2-4).
در این روش بر اساس مقایسه زمانی یک موج مثلثی مرجع به عنوان موج حامل با موج های کنترل ساخته شده از سیگنال های مرجع سه فاز با دامنه و فرکانس مورد نظر استوار است تا پالس تحریک کلیدها بدست آید.
اگر 𝑓𝑡𝑟𝑖، فرکانس موج مثلثی و f𝑐𝑜𝑛𝑡، فرکانس موج کنترل باشد، دو پارامتر مشخصه مهم به نام های ضریب مدولاسیون فرکانس 𝑚𝑓 و ضریب مدولاسیون دامنه 𝑚𝑎، مطابق با روابط زیر تعریف می شوند.
𝑚 = 𝑉𝑐𝑜𝑛𝑡
𝑉𝑡𝑟𝑖
𝑚 = 𝑓𝑡𝑟𝑖
𝑓𝑐𝑜𝑛𝑡
که 𝑉𝑐𝑜𝑛𝑡، دامنه سیگنال کنترل و 𝑉𝑡𝑟𝑖،دامنه سیگنال مثلثی می باشد. باید توجه داشت که برای این اینورترها فرکانس موج کنترل 𝑓𝑐𝑜𝑛𝑡، مشخص کننده فرکانس مولفه اصلی ولتاژ خروجی اینورتر بوده و ضریب m𝑎 به طور مستقیم دامنه این مولفه را تعیین می نمایند.
شکل (2-4) اینورتر ولتاژ سه فاز
در اینورتر PWM سینوسی، سیگنال های کنترل سه فاز، سه موج سینوسی متقارن با اختالف فاز 120° الکتریکی می باشد در این حالت با محاسبه سری فوریه برای ولتاژ خروجی اینورتر رابطه بین دامنه مولفه اول ولتاژ فاز، ضریب 𝑚𝑎 و ولتاژ منبع 𝑉𝑠 حاصل می شود.
𝑉𝑎 = 0.5 𝑚𝑎 𝑉𝑠
برای موج مثلثی
برای شبیه سازی اینورتر، با در نظر گرفتن=1 𝑉𝑡𝑟𝑖 و مشخص بودن فرکانس 𝑓𝑡𝑟 مورد نیاز برحسب ضریب m𝑓 و فرکانس مولفه اصلی موج خروجی، به طور زمانی موج حامل ساخته می شود. همچنین مطابق با دامنه ساخته شده برای مولفه اول ولتاژ فازی موتور، ضریب مدولاسیون دامنه 𝑚𝑎 محاسبه شده و دامنه ولتاژ کنترل بدست می آید.
𝑉𝑐𝑜𝑛𝑡 = 𝑚𝑎 𝑉𝑡𝑟𝑖
با مشخص شدن دامنه و در هر زاویه فاز، مقدارلحظه ای سیگنال کنترل بدست آمده و با مقدار سیگنال مثلثی در هر زمان مقایسه می گردد و از روی تابع کلید زنی مربوط به فاز A به صورت زیر مقدار ولتاژ فازی و پالس تحریک هر بازو و مطابق با شکل (B-2-5) بدست می آید.
اگر: V𝐶𝑂𝑁𝑇(𝑡)𝑝ℎ𝐴 ≥ 𝑉𝑡𝑟𝑖(𝑡) → 𝑇+(𝑜𝑛). 𝑉𝐴𝑁 = 𝑉
اگر: V𝐶𝑂𝑁𝑇(𝑡)𝑝ℎ𝐴 < 𝑉𝑡𝑟𝑖(𝑡) → 𝑇−(𝑜𝑛). 𝑉𝐴𝑁 = 0
به طریق مشابه با در نظر گرفتن ولتاژ کنترلی فازهای BوC و مقایسه با موج مثلثی مرجع 𝑉𝐵𝑁 و 𝑉𝐶𝑁 محاسبه می گردد. همچنین مقدار ولتاژ خط نسبت به صفر سیستم از روابط صفحه بعد بدست می آید.
2 1
𝑉𝐴𝑂 = 3 𝑉𝐴𝑁 − 3 (𝑉𝐵𝑁 + 𝑉𝐶𝑁)
𝑉 2 1
𝐵𝑂 = 3 𝑉𝐵𝑁 − 3 (𝑉𝐴𝑁 + 𝑉𝐶𝑁)
2 1
𝑉𝐶𝑂 = 3 𝑉𝐶𝑁 − 3 (𝑉𝐴𝑁 + 𝑉𝐵𝑁)
که به طور مستقیم می توان این مقادیر را در معادلات ریاضی بیان کننده سیستم قرار داده و عملکرد درایو تحت اعمال این نوع اینورتر را بررسی نمود.
عدد 𝑚
در ارتباط با انتخاب پارامترهای اینورتر، ذکر این نکته ضروری است که در صورتیکه صحیحی باشد، مدولاسیون انجام گرفته را سنکرون می نامند و برای نوع سینوسی 𝑚𝑓 ، را عمال برابر با یک عدد صحیح فرد و مضرب 3 انتخاب می نمایند. علت فرد انتخاب شدن 𝑚𝑓، اجتناب از وجود هارمونیک های زوج در خروجی است و انتخاب مضرب 3، جهت حذف هارمونیک های مضرب 3 می باشد. در این حالت ثابت می شود که هارمونیک های موجود در ولتاژ خط موتور عبارت اند از:
ℎ = 𝑘. 𝑚𝑓 ± j و { 𝑘 = فرد 𝑗 = زوج
𝑘 = زوج 𝑗 = فرد
h شماره هارمونیک موجود در ولتاژ خط می باشد
شکل (5-2) توابع سوئیچ کلیدها به همراه ولتاژهای مربوطه در روش مدوالسیون پهنای پالس سینوسی
کاربرد فناوری مدولاسیون عرض پالس در منبع تغذیه اینورتر
فناوری مدولاسیون عرض پالس (PWM) یکی از روش های کلیدی در کنترل توان الکتریکی است. این روش به ما این امکان را می دهد تا با تغییر عرض پالس های یک سیگنال مربعی، مقدار متوسط ولتاژ یا جریان را کنترل کنیم. در واقع، PWM یک روش تبدیل سیگنال آنالوگ به دیجیتال (ADC) و سپس تبدیل مجدد آن به سیگنال آنالوگ است. در فناوری PWM، یک موج مدولاسیونی (معمولاً سینوسی، گاهی اوقات ذوزنقه ای یا مربعی) به عنوان سیگنال مرجع استفاده می شود. موج حامل معمولاً یک موج مثلثی (یا گاهی یک موج دندانه اره) است که فرکانسی بسیار بالاتر از موج مدولاسیون دارد. این موج حامل برای مقایسه با موج مدولاسیون به کار می رود. وقتی موج مدولاسیون از موج حامل بزرگتر باشد، یک پالس مستطیلی با عرض و دامنه ای متناسب با موج مدولاسیون تولید می شود. این پالس های مستطیلی به طور مستمر تولید می شوند تا معادل موج مدولاسیون باشند. این فرآیند باعث تبدیل یک سیگنال آنالوگ به سیگنال دیجیتال یا سوئیچینگ می شود.
اصلی ترین کاربرد فناوری PWM در منبع تغذیه اینورتر دلتا و سایر برندهای دیگر اینورتر، تبدیل انرژی DC (که معمولاً از باتری ها، پنل های خورشیدی یا منابع تغذیه DC تامین می شود) به AC است. اینورترها با استفاده از سیگنال های PWM، ولتاژ DC را به یک موج AC با فرکانس و دامنه قابل کنترل تبدیل می کنند. سیگنال های PWM به وسیله ی سوئیچ ها (معمولاً ترانزیستورها) در اینورتر، به صورت پالس های مستطیلی تولید می شوند که با تغییر عرض پالس ها، مقدار متوسط ولتاژ را تنظیم می کنند. این کار باعث ایجاد یک موج سینوسی شبیه سازیشده در خروجی AC می شود.
PWM به اینورترها اجازه می دهد که شکل موج AC تولیدی را بهبود دهند و از ایجاد هارمونیک های اضافی که باعث کاهش کیفیت انرژی و افزایش تلفات می شوند، جلوگیری کنند. با تنظیم دقیق عرض پالس ها، می توان شکل موج AC خروجی را به شکل یک موج سینوسی خالص یا تقریبی سینوسی تبدیل کرد، که این کار باعث کاهش نویز و ارتعاشات در بارهای حساس مانند موتورها و تجهیزات الکترونیکی می شود.
فناوری مدولاسیون عرض پالس چندگانه (MPWM)
فناوری مدولاسیون عرض پالس چندگانه (MPWM) یکی از تکنیک های پیشرفته در مهندسی برق است که برای کنترل و بهبود عملکرد مدارهای قدرت و سیستم های الکترونیکی استفاده می شود. در این فناوری، از چندین پالس با عرض های مختلف به طور همزمان استفاده می شود تا خروجی بهتری نسبت به مدولاسیون عرض پالس معمولی (PWM) بهدست آید. این سیگنال ها می توانند به طور همزمان به مدارات قدرت اعمال شوند تا یک پاسخ دقیق تر و پایدارتری در خروجی حاصل شود. این روش برای کاهش نویز و ارتعاشات در سیستم های الکترونیکی و بهبود راندمان در تبدیل انرژی به کار می رود. به دلیل دقت بیشتر در تولید سیگنال های پالس و کاهش تداخل ها، کارایی سیستم های الکترونیکی افزایش می یابد.
برای کنترل موتورها و سایر بارهای الکتریکی، در اینورترها و سیستمهای تولید برق خورشیدی، در مدارهای قدرت مانند درایورهای موتور و منابع تغذیه سوئیچینگ از این فناوری استفاده می شود.
جمع بندی نهایی درباره استفاده از اینورتر ولتاژ با مدولاسیون عرض پالس برای کاهش نویز
استفاده از اینورترهای ولتاژ با مدولاسیون عرض پالس (PWM) یکی از راهکارهای موثر برای کاهش نویز در سیستم های الکتریکی و الکترونیکی است. این فناوری به وسیله تولید پالس های سوئیچینگ دقیق و متناسب با سیگنال مدولاسیونی، امکان تبدیل انرژی DC به AC با حداقل هارمونیک ها و نویز را فراهم می آورد. با کنترل دقیق عرض پالس ها، اینورترهای PWM قادر به ایجاد شکل موج های نزدیک به موج سینوسی می شوند که باعث کاهش نویزهای ناشی از فرکانس های اضافی و تداخل های الکترومغناطیسی (EMI) می گردد. این ویژگی به ویژه در کاربردهایی که به دقت و کیفیت بالا نیاز دارند، مانند موتورهای الکتریکی، سیستم های مخابراتی و تجهیزات پزشکی، اهمیت زیادی دارد.
