Invertoare de tensiune comandate pe principiul modularii impulsurilor de comanda in durata (MID, in limba franceza MLI, in limba engleza PWM)

Invertoare de tensiune comandate pe principiul modularii impulsurilor de comanda in durata     (MID, in limba franceza MLI, in limba engleza PWM)

Generalitati

Cu invertoarele comandate pe principiul modulatiei impulsurilor in durata (MID) se obtin forme de unda calitativ mai bune, care nu mai trebuie filtrate, sau sunt mult mai usor de filtrat. Realizarea lor a fost posibila odata cu dezvoltarea dispozitivelor semiconductoare care permit comutatia cu frecventa ridicata a unor tensiuni si curenti de valoare mare.

Modulatia in latime permite variatia fundamentalei tensiunii la iesire ca valoare efectiva si frecventa si translateaza spre domeniul frecventelor inalte armonicile tensiunii de iesire, ceea ce explica filtrarea mai usoara.

In acest tip de invertoare, semnalele de comanda sunt generate prin comparatia intre o unda triunghiulara numita unda purtatoare, de frecventa si amplitudine si o unda de referinta, asemanatoare ca forma cu cea pe care dorim sa o obtinem la iesirea invertorului, notata cu , de frecventa si amplitudine . Comparatia celor doua unde se face in cadrul unui comparator. Forma undei de referinta poate fi oarecare, dar este preferata forma sinusoidala, atunci cand dorim sa obtinem o unda sinusoidala la iesirea invertorului. Frecventa undei de referinta trebuie sa fie egala cu cea dorita pentru fundamentala undei de iesire. Tensiunea de iesire a comparatorului, prelucrata, este tensiunea de comanda a dispozitivelor semiconductoare ale invertorului. Aceasta tensiune, notata este pozitiva, daca , sau negativa, daca . Frecventa da frecventa de comutatie a dispozitivelor semiconductoare.

Strategia MID poate fi:

singulara, cand dispozitivele semiconductoare primesc un singur impuls de comanda in timpul fiecarei perioade a tensiunii de iesire. Durata conductiei dispozitivului semiconductor poate fi modificata;

multipla, cand dispozitivele semiconductoare primesc mai multe impulsuri de comanda in timpul fiecarei perioade a tensiunii de iesire. Aceste impulsuri de comanda pot avea o durata reglabila si pot fi egale (cand tensiunea de referinta este de valoare constanta) sau neegale (cand unda de referinta este alternativa) in timpul fiecarei perioade.

O buna calitate a undei de iesire a invertorului este obtinuta aplicand modulatia multipla, cu unda de referinta sinusoidala, numita si modulatie sinusoidala.

Strategia MID este caracterizata de doi parametri:

indicele de modulatie (sau modulare), notat m si definit de:

(9.144)

coeficientul de reglaj in tensiune (sau gradul de modulare), notat r si definit de :

(9.145)

Modulatia poate fi:

sincrona, cand

asincrona, cand

Cand modulatia este sincrona, fundamentala este periodica, de perioada , continutul de armonici superioare depinzand de valoarea lui m (vezi paragraful 9.4.1). Modulatia asincrona intervine cand se utilizeaza si o frecventa variabila.

Centrarea se spune ca este optimala cand pozitia relativa a undei de referinta si a purtatoarei face ca fiecare alternanta a tensiunii sa fie simetrica fata de mijlocul ei. Variatia valorii efective a tensiunii se face prin modificarea lui r, iar variatia frecventei prin modificarea lui m.

Invertorul monofazat in semipunte comandat pe principiul modulatiei sinusoidale

Schema invertorului monofazat (vezi paragraful 9.2.2) este reluata in fig. 9.77,a, iar in fig. 9.77,b este prezentat principiul modulatiei sinusoidale.

Fig. 9.77    Invertor in semipunte comandat cu M.I.D.: a) schema de principiu; b) forme de unda.

Fie O punctul median al sursei de tensiune continua . Unda purtatoare va avea amplitudinea . Se considera cazul cel mai siplu al unei unde de referinta continua. Comanda componentelor semiconductoare se decide comparandu-se si (fig. 9.77), astfel:

cand , comutatorul conduce si:

(9.146.a)

cand , comutatorul conduce si:

(9.146.b)

Se observa ca cele doua intreruptoare nu sunt niciodata in conductie simultan si ca tensiunea de sarcina variaza intre si

Daca intre frecventele celor doua unde, relatia este verificata, se poate considera (vezi fig. 9.78) , intr-un interval de timp scurt.

Fig. 9.78 Aproximarea undei de referinta printr-o tensiune in trepte.

La inceputul subcapitolului 9.6 s-a afirmat ca unda de iesire este cel mai aproape de o sinusoida daca unda de referinta este de asemenea o sinusoida. Pentru a justifica aceasta afirmatie trebuie sa se studieze armonicile continute de unda de iesire. Se considera cazul modulatiei sincrone, cu si . Alegerea valorii indicelui de modulatie nu este intamplatoare. Din analiza armonicilor undei de iesire vor rezulta regulile ce trebuie respectate pentru a se obtine o valoare optima. Daca se lucreaza in mod sincron, unda de tensiune de iesire este simetrica daca se face centrarea modulatiei in raport cu referinta. Centrarea este optimala si tensiunea este simetrica in raport cu punctele sale extreme daca trece printr-un extrem (maxim sau minim) in acelasi timp cu

Fig. 9.79 Comanda M.I.D. cu m=6 si r=0,8.

sau:

Fig. 9.80 Comanda M.I.D. cu m=9 si r=0,8.

Alegerea frecventelor ( si ) si a parametrilor modulatiei (m si r)

Pentru orice valoare a lui si pentru armonicile tensiunii de iesire sunt grupate in familii, centrate pe frecventele , cu . Frecventa diferitelor armonici intr-o familie este data de:

(9.161)

Amplitudinile armonicilor unei familii, simetrice in raport cu sunt egale.

Dupa analiza facuta in paragraful 1.1, valorile impare ale lui m sunt preferate datorita continutului in armonici mai redus (doar cele de rang impar). In aceste conditii, rezulta din relatia (9.161) ca:

si

Se utilizeaza frecvent invertoare cu MID cu (exceptand pentru puteri mari). Amplitudinea armonicilor este practic independenta de m, dar m defineste frecventele la care apar armonicile. Ca regula generala, valoarea armonicilor scade cand frecventa centrala a familiei creste si, in interiorul aceleiasi familii, cand sunt mai departate de valoarea centrala. De obicei, se acorda atentie primelor doua familii, celelalte armonici fiind din ce in ce mai scazute si, deci, mai usor de filtrat.

Pentru valori mici ale lui m (<21) nu se utilizeaza decat MID sincrona. Pantele lui si trebuie sa fie de polaritate opusa in momentul trecerii lor comune prin zero. La valori foarte mici ale lui m (<6) semnul pantelor este foarte important. Intotdeauna pentru m<6, separarea diverselor familii este mai putin neta deoarece distanta dintre doua consecutive este prea mica.

Pentru valori mari ale lui m (>21) nu se utilizeaza decat MID asincrona, deoarece amplitudinea subarmonicilor care apar este mica. Doar in cazul in care invertorul este destinat sa alimenteze un motor, subarmonicile tensiunii de iesire, la frecvente foarte joase (chiar zero), determina curenti suficient de importanti pentru a jena functionarea; MID asincrona trebuie deci evitata in acest caz.

Deoarece este mai usor sa se filtreze armonicile de tensiune cand sunt de frecevnte inalte, suntem tentati sa utilizam tensiuni purtatoare cu frecventa cea mai mare posibila. Dar determina si frecventa de comutatie a componentelor semiconductoare ale invertorului si pierderile in comutatie cresc proportional cu . De aceea, in multe aplicatii se lucreaza cu: sau

Daca frecventa optima pentru montaj se afla in domeniul 620kHz, dezavantajele datorate cresterii lui la valoarea de 20 kHz sunt deseori anihilate de avantajul lucrului in domeniul zgomotelor care nu se aud. De aceea, pentru invertoare utilizate la 50 sau 60Hz (comanda motoarelor de curent alternativ), pentru care frecventa tensiunii de iesire poate ajunge la valoarea de 200 Hz, se va utiliza m=9 si , sau si

Fig. 9.81 Variatia amplitudinii fundamentalei cu coeficientul de reglaj in tensiune a MID.

Tot ceea ce a fost prezentat pana aici ramane valabil pentru , ceea ce corespunde unei MID sinusoidale in domeniul liniar. Amplitudinea fundamentalei are o variatie liniara cu r, ca in ecuatia (9.160).

Armonicile superioare sunt de frecvente destul de mari si de amplitudini suficient de mici pentru a putea fi filtrate usor. In ciuda acestor avantaje, aceasta strategie MID nu este utila cand este nevoie de o tensiune de valoare ridicata. O 'supramodulare' cu conduce la o tensiune de iesire cu numar mult mai mare de armonici. Cu se utilizeaza intotdeauna si modulatia sincrona. Amplitudinea fundamentalei tensiunii de iesire este cuprinsa, pentru , intre: . Pentru m=15 variatia lui in valoare raportata la , ca functie de r, este prezentata in fig. 9.81.

Invertorul in punte monofazata, comandat pe principiul modulatiei sinusoidale

Pentru sarcinile monofazate este preferata o schema in punte completa, ca cea de la comanda cu unda plina, deoarece filtrarea este mai usoara, datorita unei aproximatii mai bune a sinusoidei printr-o variatie de o singura polaritate in timpul fiecarei perioade, intre (sau ) si zero.

Pentru generarea semnalelor de comanda MID se compara analog o unda de referinta (de obicei sinusoidala) cu o unda purtatoare . Dar acum, unda tot triunghiulara are doua componente (fig. 9.82): o componenta triunghiulara variabila intre 0 si si o componenta triunghiulara variabila intre 0 si

Cu o astfel de unda purtatoare, unda la iesirea invertorului are, in decursul alternantelor pozitive, variatii intre 0 si , cu portiuni de valoare nula si, in decursul alternantelor negative, variatii intre 0 si , de asemenea cu intervale cu nula.

Functionarea presupune urmatoarele etape (vezi fig. 9.11):

Fig 9.11 Invertor de tensiune monofazat, in punte

pentru alternanta pozitiva: inchis permanent, comutator fara comutatii; si comutatoare de chopare;

Potentialul bornei N va fi mereu egal cu , datorita lui

Potentialul bornei M va fi: , cand va fi inchis si atunci:

, cand va fi inchis si atunci:

pentru alternanta negativa: inchis in permanenta, comutator fara comutatii; si comutatoare de choppare;

Potentialul bornei N va fi mereu egal cu datorita lui

Potentialul bornei M va fi: , cand va fi inchis si atunci:

, cand va fi inchis si atunci:

Comutatoarele sunt mereu comandate de un semnal rezultat din comparatia intre si , asa cum arata relatia (9.146).

cand comutatorul conduce (dispozitiv comandat sau dioda);

cand comutatorul conduce (dispozitiv comandat sau dioda).

Formele de unda si perioadele de conductie ale fiecarui dispozitiv semiconductor se deduc usor din formele de unda din fig. 9.82, tinand cont de sensul curentului si al tensiunii pentru fiecare comutator si prin sarcina.

Fig. 9.82    Modulatia in durata a impulsurilor de comanda pentru o punte monofazata.