Górnośląskie Centrum Obliczeń Naukowych i Inżynierskich

Profesjonalne urządzenia elektroniczne podlegają ograniczeniu dopuszczalnych emitowanych zaburzeń elektromagnetycznych definiowanych przez normę EN 55022. Jakość napięcia wyjściowego falowników napięcia pracujących w układach UPS powinna spełniać wymogi normy EN 62040-3. Impulsowe układy zasilające ze względu na przełączanie wysokich napięć i dużych prądów są źródłem istotnych zaburzeń elektromagnetycznych.

Z uwagi na to, wszystkie działania mogące ograniczyć poziom tych zaburzeń są niezwykle ważne. Jedną z możliwości poprawy kompatybilności elektromagnetycznej falowników napięcia jest zaimplementowanie odpowiedniego algorytmu sterowania w oprogramowaniu sterujących nimi systemów mikroprocesorowych.

Schemat modulacji PWM w falowniku to algorytm sterowania jego przełącznikami. Typowym rozwiązaniem w falownikach przeznaczonych do systemów bezprzerwowego zasilania są jedno-fazowe, mostkowe przetwornice z modulacją trzy-poziomową. Badania dotyczyły trzech wykorzystywanych schematów modulacji. W pierwszym schemacie modulacji wszystkie przełączniki są sterowane z częstotliwością sygnału modulowanego (w badanym modelu było to 25600 Hz). W drugim schemacie modulacji przełączniki w jednej gałęzi mostka są przełączane z częstotliwością sygnału modulowanego (25600 Hz), a w drugiej gałęzi z częstotliwością podstawową (50 Hz). W trzecim schemacie modulacji wszystkie przełączniki w jednym półokresie podstawowej częstotliwości (50 Hz) są sterowane z częstotliwością modulowanego sygnału 25600 Hz, a w drugim półokresie są w stale włączone lub wyłączone.

Każdy z tych schematów ma inne cechy, w tym poziomy zakłóceń elektromagnetycznych w różnych zakresach częstotliwości. Celem ekspertyzy była analiza porównawcza poziomu zakłóceń elektromagnetycznych falownika przy stosowaniu odmiennych schematów PWM. Dwa z tych schematów są opisywane w literaturze, trzeci, najlepszy (jednak z pewnymi niedogodnościami w zakresie sterowania przy regulacji nadążnej) jest stosowany w rozwiązaniach przemysłowych. Dobierając modulację PWM (dwu-, trzy lub wielopoziomową) należy zwrócić uwagę na wprowadzane przez nią zniekształcenia napięcia wyjściowego definiowane współczynnikiem THD (jednak najlepiej nietypowo definiowanym dla określonych zakresów częstotliwości). Odrębnym zagadnieniem jest minimalna ilość próbek referencyjnej sinusoidy zapisana dla każdego okresu przełączania, która nie wprowadza dodatkowych zniekształceń. Związany z tym jest wybór mikroprocesora sterującego falownikiem, który jest w stanie z wymaganą dokładnością odtworzyć szerokość impulsów PWM. Dla trzy-poziomowej, dwu-zboczowej modulacji PWM, dla częstotliwości przełączania 25600 Hz częstotliwość wejściowa liczników komparatorów układu PWM w mikroprocesorze, nie wprowadzająca dodatkowych zniekształceń, musi być większa od 68 MHz. Podobna analiza dotyczy wpływu czasu martwego w sterowaniu przełącznikami tej samej gałęzi mostka na zniekształcenia. Przedstawiona w załączonym artykule analiza po raz pierwszy prezentuje wpływ oprogramowania sterowania falownika na jego kompatybilność elektromagnetyczną.

Pomiary kompatybilności przeprowadzono w certyfikowanej komorze CHC Frankonia. Wykorzystywany sprzęt mierzył zaburzenia promieniowane w zakresie 0,03-1 GHz i przewodzone zaburzenia w zakresie 0,15-30 MHz (zgodnie z normą EN 55022). Dodatkowo, użyto sondy pola bliskiego (HAMEG HZ 530) pracującej w zakresie 100 kHz–1 GHz w celu potwierdzenia wyników uzyskanych dla wyżej opisanej analizy. Przeprowadzono porównawcze pomiary tego samego modelu eksperymentalnego falownika napięcia, testowanego dokładnie w tych samych warunkach, z tą samą częstotliwością przełączania (25600 Hz), z tym samym rodzajem obciążenia (rezystancyjnym) i jego wartością. Zmieniano jedynie oprogramowanie schematu modulacji sterującego nim procesora ARM7. Wykazano zauważalną redukcję poziomu zaburzeń promieniowanych w zakresie 30 MHz–1 GHz dla trzeciego schematu modulacji PWM. Pomiary zaburzeń przewodzonych na zaciskach zasilających, przeprowadzono w zakresie 150 kHz–30 MHz, także wykazując ich najniższy poziom dla trzeciego schematu modulacji.

Podsumowując, badania porównawcze kompatybilności elektromagnetycznej jednofazowego, trzy-poziomowego falownika, przeprowadzone wykorzystując certyfikowany sprzęt (zgodny z normą EN 55022), wykazały istotny wpływ oprogramowania sterownika falownika na poziom zaburzeń elektromagnetycznych (promieniowanych i przewodzonych) w normatywnie określonym zakresie częstotliwości, co było oryginalnym celem niniejszej ekspertyzy.

Wyniki eksperytyzy opublikowano w artykule pt.: “Electromagnetic compatibility of voltage source inverters for UPS systems depending on the PWM scheme” w IET Power Electronics, 2015, doi: 10.1049/iet-pel.2014.0637.