Cet article explore le potentiel des techniques de modulation de largeur d’impulsion basées sur des porteuses, telles que les formes d’onde en dents de scie, triangulaires et sinusoïdales, et examine comment elles impactent directement la distorsion harmonique dans les onduleurs haute tension.
Les onduleurs haute tension constituent une partie essentielle des systèmes d’énergie renouvelable, et ces onduleurs s’appuient sur la modulation de largeur d’impulsion (PWM) pour contrôler le processus de conversion d’énergie. La PWM permet une précision dans la génération des ondes et la qualité de l’énergie tout en offrant une suppression efficace des harmoniques. Grâce à la modulation de la largeur des impulsions de tension, les formes d’onde AC souhaitées dans les onduleurs haute tension peuvent être approchées pour un flux d’énergie fluide et efficace vers les charges. La forme de la porteuse distingue les différentes techniques PWM par rapport au signal de référence. Les trois principales techniques PWM basées sur des porteuses incluent les formes d’onde triangulaires, sinusoïdales et en dents de scie. Ces méthodes PWM offrent un ensemble d’avantages et d’inconvénients en matière de gestion de la distorsion harmonique, affectant leur adéquation dans différentes applications haute tension, nécessitant ainsi une analyse comparative pour fournir des informations plus précises sur le choix en fonction du cas d’utilisation.
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Vue d’ensemble de la PWM et de l’analyse harmonique
En variant la largeur des impulsions de tension à une période fixe, la PWM contrôle la tension délivrée à la charge. La PWM basée sur des porteuses génère des impulsions de commutation pour l’onduleur en utilisant des formes d’onde porteuses haute fréquence telles que les formes en dents de scie, sinusoïdales ou triangulaires, les comparant avec la forme d’onde de référence, qui est inférieure au signal de modulation.
Figure 1. La forme d’onde de modulation (Vm) est représentée par une onde sinusoïdale de la tension de sortie souhaitée, qui est comparée par la porteuse (Vc) pour la génération de la PWM résultante (si Vm ≥Vc, la sortie PWM est activée). Image utilisée avec la permission de Bob Odhiambo
Un des paramètres clés considérés dans la PWM basée sur des porteuses est l’indice de modulation, qui définit le ratio de l’amplitude de la forme d’onde de modulation (Am) par rapport à celle de la forme d’onde porteuse (Ac). Lorsque l’indice de modulation (M) est égal ou inférieur à un (région de modulation linéaire), la forme d’onde de tension de sortie ressemble étroitement à la forme d’onde de modulation de référence, ce qui garantit une sortie de tension AC de haute qualité avec une distorsion minimale. Cependant, lorsque l’indice de modulation est supérieur à un (région de surmodulation), la forme d’onde porteuse est dépassée par la tension de référence, augmentant la tension de sortie mais au prix de distorsions de la forme d’onde.
\[M = \frac{A_{m}}{A_{c}}\]
Un autre aspect à considérer dans la PWM est le ratio de fréquence entre la fréquence de commutation (fs) et la fréquence de sortie (fo), qui doit être suffisamment élevé pour garantir une sortie fluide et déplacer les harmoniques vers des fréquences plus élevées, facilement filtrées. Le signal PWM généré à une période donnée (t) peut être approximé en utilisant la formule générale ci-dessous qui compare la forme d’onde de sortie souhaitée (Vm(t)) et la forme d’onde porteuse (Vc(t)).
\[V_{PWM}(t)=\,\vdash^{V_{dc}\,\,\,\,\,si\,V_{m}(t)\geq V_{c}(t)}_{0\,\,\,\,\,\,sinon}\]
Où (Vdc) est la tension haute de la PWM.
Analyser les harmoniques produites pendant les opérations de commutation dans la PWM basée sur des porteuses est essentiel pour comprendre l’efficacité et la performance des onduleurs haute tension. Les harmoniques de fréquence de commutation dans les signaux PWM sont souvent plus faciles à filtrer à l’aide d’un filtre passe-bas LC et se produisent à une fréquence plus élevée. Les harmoniques élevées augmentent les pertes de l’onduleur, réduisent l’efficacité et la durée de vie en raison de la surchauffe, augmentent les interférences électromagnétiques (EMI) et réduisent la qualité de l’énergie.
Technique PWM en dents de scie, triangulaire et sinusoïdale
Dans les onduleurs haute tension, le contrôle de la distorsion harmonique dépend de la sélection du signal porteuse. En plus de la conception du filtre harmonique pour l’atténuation de certaines harmoniques de bandes latérales spécifiques, il est essentiel de réaliser une comparaison basée sur des applications des trois PWM basées sur des porteuses.
Dans le processus de modulation en dents de scie, l’amplitude et la fréquence de la forme d’onde sont certaines des principales propriétés qui affectent la montée linéaire et les chutes brusques de la forme d’onde porteuse dans un motif répétitif. Dans ce cas, l’indice de modulation est dicté par l’amplitude de la forme d’onde, tandis que la fréquence porteuse est influencée par la vitesse de commutation. En ce qui concerne l’asymétrie et l’impact harmonique, cette technique PWM est caractérisée par un contenu d’harmonique de bande latérale accru, résultant d’impulsions de largeur inégale. Cela, ainsi que la fréquence de commutation (fs), affectent considérablement la qualité de la forme d’onde de sortie. De plus, les harmoniques de faible ordre provenant des bords nets du signal porteuse rendent le filtrage difficile en raison de leur nature proéminente. En ce qui concerne l’application la plus appropriée, la porteuse en dents de scie fonctionne mieux là où la réponse transitoire est critique, comme dans les applications de commutation haute vitesse.
Une porteuse sinusoïdale est caractérisée par une forme d’onde lisse et continue qui ressemble à la forme d’onde de modulation de référence. Avant d’introduire le concept de modulation dans la PWM sinusoïdale, il est essentiel d’examiner les formes d’onde triangulaires pour comprendre comment elles se rapportent aux signaux sinusoïdaux. La forme d’onde triangulaire monte et descend linéairement en un cycle complet pour produire un intervalle de commutation beaucoup plus équilibré. Cela entraîne la concentration de l’énergie harmonique à une fréquence prévisible, améliorant ainsi la performance globale du signal porteuse en minimisant les composants basse fréquence. Comparé à la PWM en dents de scie, la PWM triangulaire présente de meilleures caractéristiques harmoniques et des distorsions réduites en raison d’une distribution harmonique plus étroite. Cela rend la PWM triangulaire adaptée à des applications telles que le contrôle du couple dans les variateurs de moteur et les onduleurs pour les intégrations d’énergie renouvelable où des sorties plus douces et des motifs de commutation équilibrés sont cruciaux.
Dans la génération de signaux PWM, la forme d’onde porteuse triangulaire haute fréquence est comparée à la forme d’onde sinusoïdale, dans laquelle les points d’intersection des deux signaux sont utilisés pour déterminer l’instant de commutation. Un des principaux aspects qui impactent directement la sortie PWM résultante est la fréquence de commutation de la porteuse triangulaire. Une porteuse de fréquence plus élevée augmente les pertes de commutation et, positivement, accroît la résolution du signal PWM. La variation sinusoïdale du cycle de service du signal PWM pour correspondre étroitement au signal de référence crée une forme d’onde lisse nécessitant moins de filtrage pour produire une sortie sinusoïdale. Comparé aux autres techniques PWM basées sur des porteuses, la PWM en dents de scie présente la plus faible distorsion harmonique totale (DHT), résultant de sa précision dans le suivi du signal de référence.
Figure 2. Pour faciliter la sélection et l’identification des compromis entre complexité et performance, le choix des formes d’onde porteuses adaptées pour les onduleurs haute tension peut être effectué sur la base des percepts issus de ce graphique. Image utilisée avec la permission de Bob Odhiambo
Les résultats
Après une analyse comparative de la DHT, de l’étalement des harmoniques et de la complexité d’implémentation, les ingénieurs ont de meilleures perspectives pour faire des choix appropriés lors de la conception d’onduleurs haute tension.
À partir de cette analyse :
- La PWM sinusoïdale est le choix le plus approprié dans les onduleurs haute tension et les systèmes raccordés au réseau en raison de sa DHT minimale, de sa distribution harmonique efficace et de la qualité de sa forme d’onde.
- La PWM triangulaire offre une complexité modérée avec un profil harmonique équilibré, ce qui la rend mieux adaptée aux onduleurs polyvalents et aux variateurs de moteur.
- Les caractéristiques de distorsion harmonique élevée de la PWM en dents de scie fonctionnent le mieux dans des applications basse précision.