Omvormercontroller

Het systeem van de Inverter Control bestaat uit twee functiecircuits. Eén daarvan is de "Origin Wave Generator" voor wisselspanning, en de andere is de "AC-generator" die een beoogde wisselspanningsgolf produceert. De Origin Wave Generator maakt een reeks pulsen waarvan de hoogte identiek is, maar de breedte wordt geselecteerd door de generator; de reeks pulsen is "Oorsprongsgolf" voor de doelwisselstroomgolf. De breedte van elke puls wordt bepaald door een speciale berekening die later zal worden geïllustreerd.
En de AC-generator wijzigt de Origin Wave naar de AC-golf. Dit circuit bevat verschillende paren schakelaars. Beschouw voor een eenvoudige uitleg het geval waarin er slechts één paar van twee schakelaars aanwezig is in het functiecircuit. Eén van de aansluitingen van de ene schakelaar is verbonden met de gelijkspanningsbron (V+) en de andere schakelaar op aardniveau. Andere aansluitingen van beide schakelaars zijn met elkaar verbonden, waardoor de uitgangsaansluiting van de AC-generator ontstaat. Elke schakelaar wordt bestuurd door modificatiegolven van de Origin Wave. Deze configuratie kan drie spanningsniveaus produceren: gelijkspanningsniveau (V+), aardeniveau en een tussenniveau tussen V+ en aarde.
Deze uitleg is gewijd aan slechts twee schakelaars, maar het is duidelijk dat meer schakelaars en geavanceerde schakelaarbediening ingewikkelder AC-golven zullen creëren op basis van de eenvoudige DC- en GND-niveaus.

Sinus curve
In veel gevallen zouden de doel-AC-golven sinuscurven zijn. Een motorbesturingssysteem heeft bijvoorbeeld een sinusgolf nodig om een ​​motor aan te drijven, omdat een ideale sinuscurve de stilste rotatie of het minste energieverbruik zou moeten opleveren. Een ander voorbeeld is een powerconditioner die een sinusgolf van 60 Hz genereert op elektriciteitsleidingen voor commercieel gebruik.
De oorsprongsgolf van de sinuscurve wordt als volgt gegenereerd.
In eerste instantie moet er een definitie worden gegeven. Het maximale uitgangsniveau en het minimale uitgangsniveau van de AC-generator zijn respectievelijk +V en -V. En de amplitude van de sinuscurve als uitgang is kleiner dan de waarde 2 x V.
Vervolgens wordt een gelijkbenige driehoek voorbereid. De hoogte van de driehoek is 2 x V en herhaalt zich langs de horizontale as (tijdas) en de basis is een vast tijdsinterval. De sinuscurve wordt samen met de achtergrond van de driehoeken op de kaart gezet.
Vergelijk de waarden van de driehoeken met die van de sinuscurve en definieer 'één' als de sinuscurve groter is dan de driehoek en 'nul' als dat niet het geval is. Dat zou een opeenvolging van pulsen op eenheidshoogte opleveren, wat de oorsprongsgolf van de sinuscurve is.
De Origin Wave (Signaal S) zorgt ervoor dat de bredere puls verschijnt op de grotere waarde in de sinuscurve. Voor een beter begrip of de pulsen zullen worden aangepast om de aangrenzende ruimte in te vullen zonder het gebied van de puls te veranderen, doemt een vorm van een sinuscurve op (Signaal Sa). Zoals gemakkelijk voor te stellen komt de vorm dichter bij een sinuscurve wanneer de gelijkbenige driehoek steiler wordt (de basis is kleiner). Merk op dat het Signaal Sa geen echte golf is, maar een conceptuele golf.
De technologie om een ​​golf zoals de Origin Wave te genereren, die bestaat uit pulsen van constante hoogte en variabele breedte, wordt PWM (Pulse Breedte Modulatie) genoemd. De omvormerbesturing wordt gerealiseerd met PWM-technologie.

Feedback controle
De fundamentele functie van de omvormerbesturing is dat de Origin Wave-generator PWM Origin-golf produceert en dat de AC-generator een sinusgolf genereert die wordt getransformeerd door de Origin Wave. Dit is nog niet alles in de daadwerkelijke implementatie. Het besturingssysteem heeft een motor of een ander apparaat dat in de elektrische wereld "een belasting" zou worden genoemd. Wanneer de belasting in werking is, vervormt deze de sinusgolf van de uitvoer van de AC-generator; de amplitude van de sinusgolf kan afnemen, de fase kan enigszins veranderen of de frequentie kan onstabiel zijn, enzovoort.
Er zouden meer verschillende functies in het systeem moeten zijn om de ideale curve van de sinusgolf te verkrijgen. Een monitorfunctie van de uitgangsgolf van de AC-generator (het is de ingang van de belasting). Vervolgens moet het bewaakte signaal worden vergeleken met de ideale golfvorm. Als gevolg hiervan zou, als de amplitude van het bewaakte signaal kleiner is, de uitvoer van de Origin Wave Generator, PWM-pulsen, langer moeten zijn, en omgekeerd. Na herhaling van dit proces ligt de uitgangsgolf vrij dicht bij de ideale golf en probeer de golfvorm in dezelfde vorm te houden.
Een dergelijke lus, zoals hierboven beschreven, staat in het algemeen wel bekend als een "feedbackcontrole"-systeem. Dankzij de feedbackregeling kan de inverterregeling worden toegepast op een verscheidenheid aan verschillende belastingswaarden.

Circuits die nodig zijn voor de besturing van de inverter
Een monitorcircuit om de output van de AC-generator te bewaken, een gelijkbenige driehoeksgenerator, een vergelijkingscircuit van het bewaakte signaal en de gelijkbenige driehoek (een generator van signaal S), een comparator van signaal S van het bewaakte signaal en het ideale signaal S van het ideale signaal sinusgolf, een opslag van het ideale signaal S, PWM-pulsgenerator en natuurlijk de AC-generator zelf.
Het monitorcircuit voor de AC-generatoruitgang zou een AD-converter zijn die het bewaakte analoge signaal omzet in digitale waarden. Deze conversie maakt het gemakkelijker om grootheden tussen de conversiewaarden en de gelijkbenige driehoekswaarden (digitale waarden) te vergelijken.
Er wordt een tegenschakeling gebruikt om de gelijkbenige driehoek te maken. De teller moet de pulsen tellen met een vrij snelle frequentieklok, en hij wordt verhoogd tot een vooraf gedefinieerde telwaarde en neemt af nadat de telwaarde is bereikt; waardoor de gelijkbenige driehoek ontstaat.
De vergelijking zou worden gedaan door een digitaal rekencircuit.
Het signaal S van de ideale sinuscurve wordt opgeslagen in een opslaggeheugen.
En PWM-pulsen worden gegenereerd door een speciaal circuit dat speciaal is bedoeld voor het besturen van een reeks PWM-pulsen.

Controledoelstellingen
De belangrijkste doelstellingen van vermogenselektronische inverterbesturing zijn het regelen van de uitgangsspanning of -stroom, het synchroniseren met het elektriciteitsnet of de belasting, het minimaliseren van de harmonische vervorming en de schakelverliezen, en het garanderen van de stabiliteit en betrouwbaarheid van het systeem. Afhankelijk van de toepassing en de bedrijfsomstandigheden kunnen verschillende regelstrategieën en technieken worden toegepast om deze doelstellingen te bereiken. Enkele van de meest voorkomende zijn pulsbreedtemodulatie (PWM), hysteresiscontrole, ruimtevectormodulatie (SVM) en droopcontrole.

Controlemethoden
De besturingsmethoden van vermogenselektronische omvormers kunnen in twee categorieën worden ingedeeld: lineair en niet-lineair. Lineaire besturingsmethoden maken gebruik van lineaire feedbackcontrollers, zoals proportioneel-integrale (PI) of proportioneel-integrale-afgeleide (PID) controllers, om de uitgangsspanning of -stroom te regelen. Ze zijn eenvoudig en gemakkelijk te implementeren, maar ze hebben beperkingen op het gebied van robuustheid, bandbreedte en dynamische prestaties. Niet-lineaire besturingsmethoden maken gebruik van niet-lineaire feedbackcontrollers, zoals glijdende modusbesturing (SMC) of fuzzy logic control (FLC), om de uitgangsspanning of -stroom te regelen.

Controlelussen
De regelcircuits van vermogenselektronische omvormers kunnen in twee niveaus worden verdeeld: binnen en buiten. De binnenste regellus is verantwoordelijk voor het genereren van de schakelsignalen voor de inverterschakelaars, op basis van de referentie- en de feedbacksignalen. De buitenste regellus is verantwoordelijk voor het genereren van de referentiesignalen voor de binnenste regellus, op basis van de gewenste uitgangsspanning of -stroom. De binnenste regellus werkt doorgaans op een hogere frequentie dan de buitenste regellus, om een ​​snelle en nauwkeurige respons te garanderen.

Beheers uitdagingen
De besturing van vermogenselektronische omvormers wordt geconfronteerd met verschillende uitdagingen, zoals parametervariaties, niet-lineariteiten, onzekerheden, verstoringen en beperkingen. Deze factoren kunnen de prestaties en stabiliteit van het systeem beïnvloeden en vereisen adaptieve en robuuste besturingstechnieken. Bovendien brengt de besturing van vermogenselektronische omvormers ook afwegingen met zich mee tussen tegenstrijdige doelstellingen, zoals efficiëntie, kwaliteit en betrouwbaarheid. Deze afwegingen vereisen optimalisatie en multi-objectieve controletechnieken.

Een eenvoudige manier om te begrijpen hoe een omvormer gelijkstroom naar wisselstroom omzet, is door het omvormercircuit te beschouwen als twee paar van twee schakelaars, voor een totaal van vier schakelaars. De schakelaars zijn zo gekoppeld dat wanneer schakelaar 1 en 3 gesloten zijn, schakelaars 2 en 4 open zijn. Als 1 en 3 open zijn, zijn 2 en 4 gesloten. Elk paar schakelaars zorgt ervoor dat de stroom van richting verandert wanneer deze gesloten is.

Schakelaars worden eigenlijk niet gebruikt in een invertercircuit. In plaats van schakelaars fungeren transistors zoals bipolaire transistors met geïsoleerde poort (IGBP) of metaaloxide halfgeleider veldeffecttransistors (MOSFET) als schakelaars.

Die transistors zorgen er ook voor dat de stroom geleidelijk stijgt en daalt als ze openen en sluiten. Dit is nodig om de stroomuitvoer de vorm van een sinusgolf te laten hebben. Als de transistors onmiddellijk zouden openen en sluiten, zou de uitvoer van de omvormer een blokgolf zijn, die voor veel apparaten niet veilig als wisselstroom zal werken.

Ten slotte moet de omvormer het spanningsniveau verhogen naar 120 VAC. Een omvormer gebruikt hiervoor een step-up transformator.