Случайная широтно-импульсная модуляция
Случайная широтно-импульсная модуляция ( RPWM ) — это метод модуляции , введенный для уменьшения электромагнитных помех (EMI) силовых преобразователей путем распределения энергии шумового сигнала по более широкой полосе пропускания , чтобы не было значительных пиков шума. Это достигается путем случайного изменения основных параметров сигнала ШИМ . [ 1 ]
Описание
[ редактировать ]Фильтры электромагнитных помех (EMI) широко использовались для фильтрации кондуктивных излучений, генерируемых преобразователями мощности, с момента их появления. Однако, когда размер имеет большое значение, например, в самолетах и автомобилях , одним из практических решений по подавлению кондуктивных излучений является использование случайной широтно-импульсной модуляции (RPWM). В обычных широтно-импульсной модуляции схемах (ШИМ) мощность гармоник концентрируется на детерминированных или известных частотах значительной величины, что приводит к механической вибрации , шуму и электромагнитным помехам. Однако, применяя случайность к традиционной схеме ШИМ, мощность гармоник будет распределяться так, что не будет гармоник значительной величины, а пиковые гармоники на дискретной частоте значительно уменьшатся. [ 2 ]
В RPWM один из параметров переключения сигнала ШИМ, такой как частота переключения, положение импульса и рабочий цикл , изменяется случайным образом, чтобы распределить энергию сигнала ШИМ. Следовательно, в зависимости от параметра, который сделан случайным, RPWM можно классифицировать как модуляцию случайной частоты (RFM), случайную импульсно-позиционную модуляцию (RPPM) и модуляцию случайного рабочего цикла (RDCM). [ 3 ]
Свойства RPWM можно исследовать дальше, изучая спектральную плотность мощности (PSD). Для обычного ШИМ PSD можно определить непосредственно из в ряд Фурье разложения сигнала ШИМ . Однако PSD сигналов RPWM можно описать только на вероятностном уровне с использованием теории случайных процессов, таких как в широком смысле (WSS) стационарные случайные процессы . [ 4 ]
РФМ
[ редактировать ]Среди различных методов RPWM RFM (модуляция случайной частоты) является наиболее распространенным методом из трех основных типов, который используется во многих топологиях силовых преобразователей для прохождения теста на электромагнитную совместимость (ЭМС). В этом типе модуляции частота переключения ШИМ-сигнала изменяется случайным образом , чтобы распределить излучаемый шум преобразователей мощности , в которых он применяется. RFM очень легко реализовать, и он обеспечивает значительное снижение пиков шума по сравнению с обычным ШИМ. Однако применение ограничено силовыми преобразователями не требуется фиксированная частота переключения , которым для нормальной работы . Большая степень изменения частоты коммутации может повлиять на правильное функционирование устройств и компонентов внутри силового преобразователя схемы . [ 5 ]
РПДМ
[ редактировать ]RPPM также часто используется в преобразователях мощности для прохождения испытаний на соответствие требованиям ЭМС. Этот метод модуляции также обеспечивает значительное снижение кондуктивного излучения и, следовательно, излучаемого излучения силовых преобразователей . Однако по сравнению с RFM, RPPM менее эффективен в снижении электромагнитных помех. Это связано с тем, что PSD RPPM содержит как плотность, так и гармонические компоненты, а спектр не может быть полностью расширен в отличие от RFM, где спектр имеет только компонент плотности. Однако в этой модуляции схеме и частота переключения , и ширина импульса фиксированы, поэтому компоненты преобразователя, такие как катушки индуктивности и конденсаторы, могут работать правильно. [ 1 ] [ 3 ]
РДКМ
[ редактировать ]В RDCM ширина импульса или рабочий цикл ШИМ-сигнала изменяется случайным образом, чтобы расширить спектр шума . Этот вид модуляции встречается реже по сравнению с предыдущими. Это связано с тем, что RDCM менее эффективно рассеивает шум. Более того, случайное изменение рабочего цикла может вызвать выходного напряжения колебания и пульсации . Кроме того, в некоторых силовых преобразователей топологиях изменение рабочего цикла является основным средством управления входными-выходными напряжениями и токами с использованием систем управления с обратной связью . [ 3 ] Примером этого может быть привод коллекторного двигателя постоянного тока. Поскольку мощность двигателя уже «прекращается» на определенной частоте для изменения напряжения и тока, введение рандомизации в процесс может привести к ухудшению производительности системы.
В инверторных системах переменной частоты
[ редактировать ]Этот тип модуляции становится все более распространенным в преобразователях частоты всех размеров и применений. в ЧРП потребительского размера, в которых эта функция включена в качестве функции, он представляет собой выбираемый пользователем параметр, часто с несколькими различными рабочими уровнями. Некоторые приводы также могут использовать более одного метода одновременно. Однако, хотя термин «RPWM» обычно используется для обозначения этого типа модуляции в техническом смысле, эта технология еще не имеет названия в мире названий параметров VFD. Например, Fuji Electric называет свой параметр шумоподавления «моторным тоном», а Mitsubishi Electric и Teco Westinghouse называют его «мягким ШИМ». Использование термина «мягкая ШИМ» потенциально может вызвать путаницу у тех, кто не знаком с этим методом, поскольку контроль пересечения нуля иногда называют «мягким переключением».
Термин, который потенциально может использоваться в качестве стандартного обозначения, может быть «зашифрованная ШИМ» или «скремблирование несущей», поскольку слово «скремблирование» в этом смысле неспецифично для используемого метода RPWM, но информирует пользователя о том, что действительно существует происходит специализированный процесс, который влияет на форму и свойства выходного сигнала. Кроме того, это слово имеет свое место в сфере телекоммуникаций , где скремблер — это любое устройство (обычно аналоговое), которое используется для кодирования сигнала так, чтобы он стал неразборчивым в случае его перехвата до того, как он сможет достичь предполагаемого получателя без должным образом настроенного устройства. - скремблер. То есть слово «скрэмбл» не было бы неуместным, если бы оно использовалось для обозначения RPWM в более общем смысле.
Независимо от маркировки, при просмотре руководства к ЧРП потребительского размера, в которые она входит, оказывается, что основное внимание в описании параметров уделяется снижению акустического шума, а не уменьшению электромагнитных помех и здоровью двигателя.
В современных преобразователях железнодорожной тяги этот метод проявляется в изменении звука, издаваемого двигателями при приведении их в действие инверторами, которые его используют. В отличие от обычно устойчивого завывания на основе несущей, характерного для классического преобразователя SPWM, звук больше похож на шипение, похожее на белый шум . Поскольку преобразователи железнодорожной тяги работают на таких высоких уровнях мощности, в таких системах легче возникают электромагнитные помехи. В этих случаях RPWM очень полезен для здоровья двигателя и уровня излучаемых электромагнитных помех.
Проблема сосуществования
[ редактировать ]Методы RPWM очень эффективны для снижения электромагнитных помех силовых преобразователей . Однако когда силовые преобразователи с этим особым типом модуляции сосуществуют с системами связи , может возникнуть серьезный конфликт электромагнитных помех между энергосистемой и системой связи . Этот вредный эффект можно наблюдать в системах связи по линиям электропередачи (ПЛК), где сосуществуют как силовые преобразователи , так и системы связи . Действительно, недавние исследования подтвердили, что RPWM, применяемый в силовых преобразователях для минимизации кондуктивных излучений, может отрицательно влиять на систему ПЛК. [ 6 ] [ 7 ]
Помехи могут усилиться, если частота переключения и полоса пропускания системы ПЛК перекрываются с полосой пропускания энергосистемы. Большинство преобразователей мощности используют частоту переключения ниже 150 кГц, что находится в диапазоне низкочастотной электромагнитной совместимости . Это может вызвать проблемы сосуществования, главным образом, в узкополосных системах ПЛК (специализированные протоколы ПЛК, которые используются для приложений интеллектуальных сетей , таких как Prime PLC и G3-PLC, на частотах ниже 150 кГц). В обычном ШИМ шум преобразователя мощности ПЛК перекрывается с полосой частот только в дискретных значениях, кратных частоте переключения . Это приводит к меньшему вмешательству в систему ПЛК. Однако в RPWM шум распределяется более равномерно, и как ПЛК, так и шум преобразователя мощности имеют более широкую полосу пропускания . Это создает больше помех для системы ПЛК. Поэтому целесообразно внимательно наблюдать за свойствами любых сосуществующих систем, чтобы выбрать частоту переключения для случайно модулированных систем. преобразователи мощности , которые не перекрываются с преобразователями мощности сосуществующей системы ПЛК. [ 6 ]
См. также
[ редактировать ]- Кондуктивные выбросы
- Электромагнитная совместимость
- Электромагнитные помехи
- Линия электропередачи
- Распространение спектра
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б Тшинадловский, AM; Блаабьерг, Ф.; Педерсен, Дж. К.; Кирлин, РЛ; Леговский, С. (сентябрь 1994 г.). «Методы случайной широтно-импульсной модуляции для приводных систем с преобразовательным питанием - обзор». Транзакции IEEE для промышленных приложений . 30 (5): 1166–1175. дои : 10.1109/28.315226 .
- ^ Хамид, Абдуселам; Ван, Лу; Лощи, Гермес; Насименто, Дуглас делают; Грасси, Флавия; Смоленский, Роберт; Спадачини, Джордано; Пиньяри, Серджио А. (20 октября 2020 г.). «Совместное моделирование PSpice-Simulink кондуктивных излучений преобразователя постоянного тока со случайной модуляцией». 2020 6-я Глобальная конференция по электромагнитной совместимости (GEMCCON) . стр. 1–4. дои : 10.1109/GEMCCON50979.2020.9456753 . hdl : 11311/1199958 . ISBN 978-1-7281-8463-0 . S2CID 235618318 .
- ^ Jump up to: а б с Станкович, AM; Вергезе, GE; Перро, диджей (ноябрь 1995 г.). «Анализ и синтез схем рандомизированной модуляции преобразователей мощности». Транзакции IEEE по силовой электронике . 10 (6): 680–693. Бибкод : 1995ИТПЭ...10..680С . дои : 10.1109/63.471288 . hdl : 1721.1/86944 .
- ^ Бек, ММ; Педерсен, Дж. К.; Блаабьерг, Ф.; Тшинадловский, AM (май 1999 г.). «Методология истинного сравнения аналитических и измеренных спектров частотной области в преобразователях случайной ШИМ». Транзакции IEEE по силовой электронике . 14 (3): 578–586. Бибкод : 1999ITPE...14..578B . дои : 10.1109/63.761702 .
- ^ Лощи, Гермес; Лезинский, Петр; Смоленский, Роберт; Насименто, Дуглас; Слешинский, Войцех (январь 2020 г.). «Система на основе FPGA для оценки электромагнитных помех в преобразователях постоянного тока со случайной модуляцией» . Энергии . 13 (9): 2389. doi : 10.3390/en13092389 .
- ^ Jump up to: а б Бешир, Абдулсалам Хамид; Эль-Сайед, Васим; Ван, Лу; Грасси, Флавия; Кроветти, Паоло Стивен; Лю, Сяокан; У, Синлун; Кровь, Амр; Смоленский, Роберт; Пиньяри, Серджио Амедео (январь 2022 г.). «Влияние преобразователя мощности со случайной модуляцией на связь по линии электропередачи G3» . Прикладные науки . 12 11):5550.doi : ( 10.3390/app12115550 . hdl : 11311/1223549 .
- ^ Саид, Васим Эль; Лезинский, Петр; Смоленский, Роберт; Мади, Амр; Пазера, Марцин; Кемпски, Адам (январь 2021 г.). «Детерминированные и случайные модулированные помехи в связи по линии электропередачи G3» . Энергии . 14 (11): 3257. дои : 10.3390/en14113257 .