Διαisνisματική διαμόρφωση (SVPWM): Πώς ένας ελεγκτής παράγει ημιτόνια με έξι διακόπτες

Η διανυσματική εντολή υπολογίζει ανά πάσα στιγμή την τάση που πρέπει να εφαρμοστεί στον κινητήρα. Μένει να παραχθεί με μια γέφυρα έξι διακοπτών που ξέρουν μόνο δύο πράγματα: να είναι ανοιχτοί ή κλειστοί. Αυτός είναι ο ρόλος της διαμόρφωσης, και η πιο διαδεδομένη μέθοδος ονομάζεται διανυσματική διαμόρφωση, ή SVPWM («Space Vector Pulse Width Modulation»).

Οκτώ καταστάσεις, ούτε μία παραπάνω

Κάθε φάση του κινητήρα συνδέεται είτε στο θετικό είτε στο αρνητικό της μπαταρίας, ανάλογα με το ποιος από τους δύο διακόπτες της είναι κλειστός (βλ. εσωτερικό ενός ελεγκτή κινητήρα). Με τρεις φάσεις και δύο θέσεις η καθεμία, υπάρχουν 2 × 2 × 2 = 8 συνδυασμοί.

• Έξι ενεργοί συνδυασμοί: τουλάχιστον μία φάση είναι στο θετικό και τουλάχιστον μία στο αρνητικό. Κάθενας σπρώχνει το πεδίο του κινητήρα σε μια σταθερή κατεύθυνση. Αυτές οι έξι κατευθύνσεις απέχουν μεταξύ τους κατά 60° και σχηματίζουν ένα εξάγωνο.
• Δύο μηδενικοί συνδυασμοί: και οι τρεις φάσεις στο θετικό, ή και οι τρεις στο αρνητικό. Καμία τάση δεν εφαρμόζεται μεταξύ των φάσεων.

Παραγωγή οποιασδήποτε τάσης μέσω μέσου όρου

Η διανυσματική εντολή ζητά μια τάση συγκεκριμένης ισχύος, σε μια συγκεκριμένη κατεύθυνση, η οποία περιστρέφεται με τον ρότορα. Αυτή η κατεύθυνση πέφτει σχεδόν πάντα ανάμεσα σε δύο από τις έξι διαθέσιμες κατευθύνσεις.

Η ιδέα της SVPWM είναι απλή: κατά τη διάρκεια κάθε περιόδου μεταγωγής, εφαρμόζουμε την πρώτη γειτονική κατεύθυνση για ένα κλάσμα του χρόνου, τη δεύτερη για ένα άλλο κλάσμα, και έναν μηδενικό συνδυασμό για τον υπόλοιπο χρόνο. Κατά μέσο όρο κατά τη διάρκεια της περιόδου, ο κινητήρας «βλέπει» ακριβώς την απαιτούμενη τάση. Όσο πιο ισχυρή είναι η επιθυμητή τάση, τόσο λιγότερος χρόνος απομένει για τον μηδενικό συνδυασμό.

Τα πηνία του κινητήρα εξομαλύνουν αυτούς τους παλμούς. Καθώς η περίοδος επαναλαμβάνεται δεκάδες χιλιάδες φορές το δευτερόλεπτο, το ρεύμα που προκύπτει είναι ένα σχεδόν τέλειο ημιτόνιο.

Γιατί 15% επιπλέον τάση

Με μια απλή ημιτονοειδή διαμόρφωση, κάθε φάση ακολουθεί το δικό της ημιτόνιο, κεντραρισμένο στο ήμισυ της τάσης της μπαταρίας. Το πλάτος της δεν μπορεί να υπερβεί αυτό το ήμισυ: η τάση μεταξύ δύο φάσεων σταθεροποιείται τότε κάτω από αυτό που θα μπορούσε να δώσει η μπαταρία.

Ο κινητήρας, από την πλευρά του, αισθάνεται μόνο τις διαφορές τάσης μεταξύ των φάσεών του. Η SVPWM το εκμεταλλεύεται αυτό: μετακινεί συνεχώς το κοινό «κέντρο» των τριών φάσεων για να αξιοποιήσει ολόκληρη την τάση της μπαταρίας. Το ανώτατο όριο της ωφέλιμης τάσης αυξάνεται από το ήμισυ της τάσης της μπαταρίας σε περίπου 58% (ένα διαιρεμένο με την τετραγωνική ρίζα του τρία), δηλαδή κέρδος περίπου 15%.

Στην πράξη, με την ίδια μπαταρία και τον ίδιο κινητήρα, η μέγιστη ταχύτητα πριν από το αποδυνάμωση πεδίου είναι υψηλότερη. Το ίδιο αποτέλεσμα επιτυγχάνεται προσθέτοντας σε κάθε ημιτόνιο ένα στοιχείο σε τριπλάσια συχνότητα, το οποίο μηδενίζεται μεταξύ των φάσεων: αυτό είναι το ίδιο κόλπο διδόμενο διαφορετικά.

Πέρα από αυτό: η υπέρδιαμόρφωση

Όταν η ζητούμενη τάση υπερβαίνει αυτό που το εξάγωνο μπορεί να παράγει συνεχώς, ο ελεγκτής μπορεί να κερδίσει λίγο ακόμη παραμορφώνοντας το ημιτόνιο, μέχρι να εφαρμόσει μόνο τους έξι ενεργούς συνδυασμούς, έναν ανά έκτο περιστροφής: αυτό είναι το κύμα «έξι βημάτων». Κερδίζουμε λίγο τοις εκατό σε τάση, με τίμημα ένα λιγότερο ημιτονοειδές ρεύμα, πρόσθετες απώλειες και θόρυβο.

Οι λεπτομέρειες που μετρούν στην πράξη

• Ο νεκρός χρόνος μεταξύ του ανοίγματος ενός διακόπτη και του κλεισίματος του άλλου παραμορφώνει ελαφρώς την παραγόμενη τάση. Οι καλοί ελεγκτές το αντισταθμίζουν.
• Η μέτρηση του ρεύματος πραγματοποιείται κατά τη διάρκεια ενός μηδενικού συνδυασμού, όταν το ρεύμα διέρχεται από τις αντιστάσεις μέτρησης χωρίς να διαταράσσεται. Σε πολύ υψηλή ζήτηση τάσης, αυτό το παράθυρο μικραίνει.
• Η συμμετρική τοποθέτηση των μηδενικών συνδυασμών στην αρχή και στο τέλος κάθε περιόδου μειώνει τις κυματώσεις του ρεύματος και τον θόρυβο.