Способ уменьшения массы трансфильтров в многоканальном трехфазном инверторе напряжения с амплитудно-импульсной модуляцией
Ключевые слова:
трёхфазный инвертор напряжения, повышенная мощность, многоканальное преобразование, простейшие алгоритмы регулирования напряжения, суммирование токов каналов с помощью трансфильтров, амплитудная модуляция, искажения напряжения, уменьшение массы трансфильтра
Аннотация
Представлены результаты структурно-алгоритмического синтеза трёхфазных инверторов напряжения (ТИН) на основе трёхфазной мостовой схемы c простейшими алгоритмами управления. Повышение выходной мощности обеспечивается на основе принципа многоканального преобразования энергетического потока с суммированием его частей в выходной цепи с помощью трансфильтров. Выходное напряжение инвертора при этом имеет вид сигнала с амплитудно-импульсной модуляцией, обеспечивающей лучшую электромагнитную совместимость по сравнению с широтно-импульсной модуляцией. С ростом числа каналов искажения выходного напряжения уменьшаются. Показано, что установленная (габаритная по основной гармонике) мощность трансфильтра на одну фазу (в долях от выходной мощности одной фазы нагрузки) в простейшем 2-канальном его варианте составляет 10%. С увеличением числа каналов до четырех показатель возрастает до 16%. Для уменьшения показателя установленной мощности предложено использовать новый алгоритм управления 2-ТИН, обеспечивающий повышение рабочей частоты трансфильтра в 2n раз (n =1, 2, 3, …, N), при сохранении той же формы выходного напряжения с амплитудно-импульсной модуляцией. Соответственно показатель установленной мощности уменьшается при этом в 2n раз. Функция регулирования напряжения в этом случае отсутствует. Для реализации функции регулирования выходного напряжения используется энергосберегающий алгоритм управления, который характеризуется минимальным числом переключений ключей. Показано, что введение трансфильтра в режим работы на более высокой частоте с увеличением угла регулирования α приводит к ухудшению показателя установленной мощности. На основе исследования двух альтернативных топологий трансфильтра в 4-ТИН (при М = 4) показано, что более эффективным решением по показателю установленной мощности является вариант 4-обмоточного трансфильтра на общем (для одной фазы нагрузки) 4-стержневом пространственном магнитопроводе. Результаты исследования позволяют создать расширенное информационно-методическое обеспечение, необходимое для системного проектирования электротехнических комплексов с использованием такого класса М-ТИН.
Литература
1. Константинов В.Г. Многофазные преобразователи на транзисторах. М.: Энергия, 1972, 96 с.
2. Шуваев Ю.Н., Виленкин А.Г. Многофазные импульсные стабилизаторы. – Сборник статей под ред. Ю.И. Конева «Электронная техника в автоматике», 1977, вып. 9, с.70–83.
3. Иванов А.В., Климов В.И. Крутяков Е.А., Левин В.Н. Особенности работы инверторов с многотактной широтно-импульсной модуляцией. – Электричество, 1979, №8, с. 42–47.
4. Кобзев А.В. Многозонная импульсная модуляция. Новосибирск: Наука, Сиб. отд-ние, 1979, 298 с.
5. Моин В.С. Стабилизированные транзисторные преобразователи. М.: Энергоатомиздат, 1986, 376 с.
6. Фридман П.М. Разработка модуляционных способов формирования синусоидального напряжения на основе ключевых преобразователей: автореф. дис. … канд. техн. наук. М.: Изд-во МЭИ, 1992, 20 с.
7. Мыцык Г.С., Михеев В.В., Фридман П.М. Многоканальное построение преобразователей с промежуточным высокочастотным преобразованием. – Электричество, 1992, №4, с. 22–31.
8. Мыцык Г.С. Методология структурно-алгоритмического синтеза и анализа мало искажающих устройств силовой электроники для электротехнических комплексов автономных объектов: автореф. дис. … докт. техн. наук. М.: Изд-во МЭИ, 2001, 40 с.
9. Kazuaki Mino, Guanghai Gong, Johann W. Kolar. Novel Hibrid 12-Pulse Boost-Type Rectifier with Controlled Output Voltage. – IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems, 2005, vol. 41, No.3, pp. 1008–1018.
10. Пронин М.В. Моделирование и анализ системы с многофазным асинхронным генератором и многотактным активным выпрямителем. – Электротехника, 2006, № 5, c. 55–60.
11. Пронин М.В., Воронцов А.Г., Терещенков В.В. Моделирование системы электродвижения судна с многотактными инверторами и двигателями на постоянных магнитах. – Труды V Международ. (16 Всеросс.) конф. по автоматизированному электроприводу (АЭП–2007), 2007, c. 377–381.
12. Бадер М.П., Иньков Ю.М. Повышение энергетической эффективности выпрямительных агрегатов тяговых подстанций. –
Электроснабжение и электрооборудование, 2007, № 6, c.18–23.
13. Мыцык Г.С., Берилов А.В., Михеев В.В. Поисковое проектирование устройств силовой электроники (трансформаторно-полупроводниковые устройства): учебное пос. М.: Издательский дом МЭИ, 2010, 284 с.
14. Мыцык Г.С., Тин Аунг Зо. Многоканальное преобразование постоянного напряжения в трёхфазное квазисинусоидальное напряжение. – Электричество, 2018, № 7, с. 37–46.
15. Мыцык Г.С., Тин Аунг Зо, Хейн Зо Хтет. Синтез трёхфазных инверторов напряжения повышенной мощности с амплитудно-импульсной модуляцией выходного напряжения. – Электричество, 2019, № 6, с. 42–50.
16. Lin H., Shu Z., Ht X., Liu M. N-D SVPWM with DC Voltage Balancing and Vector Smooth Transition Algorithm for a Cascaded Multilevel Converter. – IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2018, vol. 65, No. 5, pp. 3837–3847.
17. Asl E.Sh., Babaei E., Sabahi M., Babayi Nozadian M.H., Cecati C. New Half-Bridge and Full-Bridge Topologies for a Switched-Boost Inverter with Continuous Input Current. – IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2018, vol. 65, No. 4, pp. 3188–3197.
18. Tan I., Wu B., Narimani M., Xu D. et al. Multicarrier-Based PWM Strategies with Complete Voltage Balance Control for NNPC Inverters. – IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2018, vol. 65, No. 4, pp. 2863–2872.
19. Golembiovsky Y.M., Tomashevsky Y.B., Shcherbakov A.A., et al. Autonomous single-phase inverter with high quality output voltage. Vestn. SUSU. Ser.Energy. 2018. 18, No. 1, pp. 75–81.
20. Saeidabadi S., Gandomi A. Ashraf, Hosseini S. H., Sabahi M., et al. New improved three-phase hybrid multilevel inverter with reduced number of components. – IET Power Electron, 2017, vol. 10, No.12, pp. 1403–1412.
21. Tan L., Wu B., Narimani M., Xu D. Multicarrier-Based PWM Strategies with complete voltage balance control for NNPC Inverters. – IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2018, vol. 65, No. 4, pp. 2863–2872.
22. А. с. СССР №1714697 А1, H 01 F 27/24. Пространственный магнитопровод/А.М. Соколов, Г.С. Мыцык, В.В. Михеев, Ю.В. Тиняков. – БИ, 1992, № 7.
#
1. Konstantinov V.G. Mnogofaznye preobrazovateli na tranzis-torah (Multiphase transistor converters). М.: Energiya, 1972, 96 p.
2. Shuvaev Yu.N., Vilenkin A.G. Sbornik statey «Elektronnaya tekhnika v avtomatike» pod red. Yu.I. Koneva – in Russ. (Collection of articles "Electronic technology in automation", ed. by Yu. I. Konev), 1977, iss. 9, pp.70–83.
3. Ivanov A.V., Klimov V.I. Krutyakov E.A., Levin V.N. Elektri-chestvo – in Russ. (Electricity), 1979, No.8, pp. 42–47.
4. Kobzev А.V. Mnogozonnaya impul'snaya modulyatsiya (Multi-zone pulse modulation). Novosibirsk: Nauka, Sib. otdelenie, 1979, 298 p.
5. Моin V.S. Stabilizirovannye tranzistornye preobrazovateli (Stabilized Transistor Converters). М.: Energoatomizdat, 1986, 376 p.
6. Fridman P.М. Razrabotka modulyatsionnyh sposobov for-mirovaniya sinusoidal'nogo napryazheniya na osnove klyuchevyh preobrazovateley: avtoref. dis. … kand. tekhn. nauk (Development of modulation methods for generating sinusoidal voltage based on key converters: abst-ract of the dis. ... Cand. Sci. (Eng.)). М.: Izd-vo MEI, 1992, 20 p.
7. Mytsyk G.S., Miheev V.V., Fridman P.М. Elektrichestvo – in Russ. (Electricity), 1992, No. 4, pp. 22–31.
8. Mytsyk G.S. Metodologiya strukturno-algoritmicheskogo sin-teza i analiza malo iskazhayushchih ustroystv silovoy elektroniki dlya elektrotekhnicheskih kompleksov avtonomnyh ob"ektov: avtoref. dis. … dokt. tekhn. nauk (Methodology of structural and algorithmic synthesis and analysis of low-distortion power electronics devices for electrical complexes of autonomous objects: abstract of the dis. ... Dr. Sci. (Eng.)). М.: Izd-vo MEI, 2001, 40 p.
9. Kazuaki Mino, Guanghai Gong, Johann W. Kolar. Novel Hibrid 12-Pulse Boost-Type Rectifier with Controlled Output Voltage. – IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems, 2005, vol. 41, No.3, pp. 1008–1018.
10. Pronin М.V. Elektrotekhnika – in Russ. (Electrical Engineering), 2006, No. 5, pp. 55–60.
11. Pronin М.V., Vorontsov A.G., Tereshchenkov V.V. Trudy V Mezhdunarod. (16 Vseross.) konf. po avtomatizirovannomu elektroprivodu (AEP–2007) – in Russ. (Proceedings of the V International (16 All-Russian) Conference on Automated Electric Drive. AEP-2007), 2007, pp. 377–381.
12. Bader M.P., In'kov Yu.M. Elektrosnabzhenie i elektro-oborudovanie – in Russ. (Power supply and electrical equipment), 2007, No. 6, pp.18–23.
13. Mytsyk G.S., Berilov A.V., Miheev V.V. Poiskovoe proektirovanie ustroystv silovoy elektroniki (transformatorno-poluprovodnikovye ustroystva): uchebnoe pos. (Exploratory design of power electronics devices (transformer-semiconductor devices: training manual). М.: Izdatel'skiy dom MEI, 2010, 284 p.
14. Mytsyk G.S., Tin Aung Zaw. Elektrichestvo – in Russ. (Electricity), 2018, No. 7, pp. 37–46.
15. Mytsyk G.S., Tin Aung Zaw, Hein Zaw Htet. Elektrichestvo – in Russ. (Electricity), 2019, No. 6, pp. 42–50.
16. Lin H., Shu Z., Ht X., Liu M. N-D SVPWM with DC Voltage Balancing and Vector Smooth Transition Algorithm for a Cascaded Multilevel Converter. – IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2018, vol. 65, No. 5, pp. 3837–3847.
17. Asl E.Sh., Babaei E., Sabahi M., Babayi Nozadian M.H., Cecati C. New Half-Bridge and Full-Bridge Topologies for a Switched-Boost Inverter with Continuous Input Current. – IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2018, vol. 65, No. 4, pp. 3188–3197.
18. Tan I., Wu B., Narimani M., Xu D. et al. Multicarrier-Based PWM Strategies with Complete Voltage Balance Control for NNPC Inverters. – IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2018, vol. 65, No. 4, pp. 2863–2872.
19. Golembiovsky Y.M., Tomashevsky Y.B., Shcherbakov A.A., et al. Autonomous single-phase inverter with high quality output voltage. Vestn. SUSU. Ser.Energy. 2018. 18, No. 1, pp. 75–81.
20. Saeidabadi S., Gandomi A. Ashraf, Hosseini S.H., Sabahi M. et al. New improved three-phase hybrid multilevel inverter with reduced number of components. – IET Power Electron, 2017, vol. 10, No.12, pp. 1403–1412.
21. Tan L., Wu B., Narimani M., Xu D. Multicarrier-Based PWM Strategies with complete voltage balance control for NNPC Inverters. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2018, vol. 65, No. 4, pp. 2863–2872.
22. А. s. SSSR № 1714697 А1, H 01 F 27/24. Prostranstvennyy magnitoprovod (Spatial magnetic circuit) / M.Sokolov, G.S. Mytsyk, V.V.Mikheev, Yu.V. Tinyakov. – Bulletin of Inventions, 1992, No. 7.
2. Шуваев Ю.Н., Виленкин А.Г. Многофазные импульсные стабилизаторы. – Сборник статей под ред. Ю.И. Конева «Электронная техника в автоматике», 1977, вып. 9, с.70–83.
3. Иванов А.В., Климов В.И. Крутяков Е.А., Левин В.Н. Особенности работы инверторов с многотактной широтно-импульсной модуляцией. – Электричество, 1979, №8, с. 42–47.
4. Кобзев А.В. Многозонная импульсная модуляция. Новосибирск: Наука, Сиб. отд-ние, 1979, 298 с.
5. Моин В.С. Стабилизированные транзисторные преобразователи. М.: Энергоатомиздат, 1986, 376 с.
6. Фридман П.М. Разработка модуляционных способов формирования синусоидального напряжения на основе ключевых преобразователей: автореф. дис. … канд. техн. наук. М.: Изд-во МЭИ, 1992, 20 с.
7. Мыцык Г.С., Михеев В.В., Фридман П.М. Многоканальное построение преобразователей с промежуточным высокочастотным преобразованием. – Электричество, 1992, №4, с. 22–31.
8. Мыцык Г.С. Методология структурно-алгоритмического синтеза и анализа мало искажающих устройств силовой электроники для электротехнических комплексов автономных объектов: автореф. дис. … докт. техн. наук. М.: Изд-во МЭИ, 2001, 40 с.
9. Kazuaki Mino, Guanghai Gong, Johann W. Kolar. Novel Hibrid 12-Pulse Boost-Type Rectifier with Controlled Output Voltage. – IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems, 2005, vol. 41, No.3, pp. 1008–1018.
10. Пронин М.В. Моделирование и анализ системы с многофазным асинхронным генератором и многотактным активным выпрямителем. – Электротехника, 2006, № 5, c. 55–60.
11. Пронин М.В., Воронцов А.Г., Терещенков В.В. Моделирование системы электродвижения судна с многотактными инверторами и двигателями на постоянных магнитах. – Труды V Международ. (16 Всеросс.) конф. по автоматизированному электроприводу (АЭП–2007), 2007, c. 377–381.
12. Бадер М.П., Иньков Ю.М. Повышение энергетической эффективности выпрямительных агрегатов тяговых подстанций. –
Электроснабжение и электрооборудование, 2007, № 6, c.18–23.
13. Мыцык Г.С., Берилов А.В., Михеев В.В. Поисковое проектирование устройств силовой электроники (трансформаторно-полупроводниковые устройства): учебное пос. М.: Издательский дом МЭИ, 2010, 284 с.
14. Мыцык Г.С., Тин Аунг Зо. Многоканальное преобразование постоянного напряжения в трёхфазное квазисинусоидальное напряжение. – Электричество, 2018, № 7, с. 37–46.
15. Мыцык Г.С., Тин Аунг Зо, Хейн Зо Хтет. Синтез трёхфазных инверторов напряжения повышенной мощности с амплитудно-импульсной модуляцией выходного напряжения. – Электричество, 2019, № 6, с. 42–50.
16. Lin H., Shu Z., Ht X., Liu M. N-D SVPWM with DC Voltage Balancing and Vector Smooth Transition Algorithm for a Cascaded Multilevel Converter. – IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2018, vol. 65, No. 5, pp. 3837–3847.
17. Asl E.Sh., Babaei E., Sabahi M., Babayi Nozadian M.H., Cecati C. New Half-Bridge and Full-Bridge Topologies for a Switched-Boost Inverter with Continuous Input Current. – IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2018, vol. 65, No. 4, pp. 3188–3197.
18. Tan I., Wu B., Narimani M., Xu D. et al. Multicarrier-Based PWM Strategies with Complete Voltage Balance Control for NNPC Inverters. – IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2018, vol. 65, No. 4, pp. 2863–2872.
19. Golembiovsky Y.M., Tomashevsky Y.B., Shcherbakov A.A., et al. Autonomous single-phase inverter with high quality output voltage. Vestn. SUSU. Ser.Energy. 2018. 18, No. 1, pp. 75–81.
20. Saeidabadi S., Gandomi A. Ashraf, Hosseini S. H., Sabahi M., et al. New improved three-phase hybrid multilevel inverter with reduced number of components. – IET Power Electron, 2017, vol. 10, No.12, pp. 1403–1412.
21. Tan L., Wu B., Narimani M., Xu D. Multicarrier-Based PWM Strategies with complete voltage balance control for NNPC Inverters. – IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2018, vol. 65, No. 4, pp. 2863–2872.
22. А. с. СССР №1714697 А1, H 01 F 27/24. Пространственный магнитопровод/А.М. Соколов, Г.С. Мыцык, В.В. Михеев, Ю.В. Тиняков. – БИ, 1992, № 7.
#
1. Konstantinov V.G. Mnogofaznye preobrazovateli na tranzis-torah (Multiphase transistor converters). М.: Energiya, 1972, 96 p.
2. Shuvaev Yu.N., Vilenkin A.G. Sbornik statey «Elektronnaya tekhnika v avtomatike» pod red. Yu.I. Koneva – in Russ. (Collection of articles "Electronic technology in automation", ed. by Yu. I. Konev), 1977, iss. 9, pp.70–83.
3. Ivanov A.V., Klimov V.I. Krutyakov E.A., Levin V.N. Elektri-chestvo – in Russ. (Electricity), 1979, No.8, pp. 42–47.
4. Kobzev А.V. Mnogozonnaya impul'snaya modulyatsiya (Multi-zone pulse modulation). Novosibirsk: Nauka, Sib. otdelenie, 1979, 298 p.
5. Моin V.S. Stabilizirovannye tranzistornye preobrazovateli (Stabilized Transistor Converters). М.: Energoatomizdat, 1986, 376 p.
6. Fridman P.М. Razrabotka modulyatsionnyh sposobov for-mirovaniya sinusoidal'nogo napryazheniya na osnove klyuchevyh preobrazovateley: avtoref. dis. … kand. tekhn. nauk (Development of modulation methods for generating sinusoidal voltage based on key converters: abst-ract of the dis. ... Cand. Sci. (Eng.)). М.: Izd-vo MEI, 1992, 20 p.
7. Mytsyk G.S., Miheev V.V., Fridman P.М. Elektrichestvo – in Russ. (Electricity), 1992, No. 4, pp. 22–31.
8. Mytsyk G.S. Metodologiya strukturno-algoritmicheskogo sin-teza i analiza malo iskazhayushchih ustroystv silovoy elektroniki dlya elektrotekhnicheskih kompleksov avtonomnyh ob"ektov: avtoref. dis. … dokt. tekhn. nauk (Methodology of structural and algorithmic synthesis and analysis of low-distortion power electronics devices for electrical complexes of autonomous objects: abstract of the dis. ... Dr. Sci. (Eng.)). М.: Izd-vo MEI, 2001, 40 p.
9. Kazuaki Mino, Guanghai Gong, Johann W. Kolar. Novel Hibrid 12-Pulse Boost-Type Rectifier with Controlled Output Voltage. – IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems, 2005, vol. 41, No.3, pp. 1008–1018.
10. Pronin М.V. Elektrotekhnika – in Russ. (Electrical Engineering), 2006, No. 5, pp. 55–60.
11. Pronin М.V., Vorontsov A.G., Tereshchenkov V.V. Trudy V Mezhdunarod. (16 Vseross.) konf. po avtomatizirovannomu elektroprivodu (AEP–2007) – in Russ. (Proceedings of the V International (16 All-Russian) Conference on Automated Electric Drive. AEP-2007), 2007, pp. 377–381.
12. Bader M.P., In'kov Yu.M. Elektrosnabzhenie i elektro-oborudovanie – in Russ. (Power supply and electrical equipment), 2007, No. 6, pp.18–23.
13. Mytsyk G.S., Berilov A.V., Miheev V.V. Poiskovoe proektirovanie ustroystv silovoy elektroniki (transformatorno-poluprovodnikovye ustroystva): uchebnoe pos. (Exploratory design of power electronics devices (transformer-semiconductor devices: training manual). М.: Izdatel'skiy dom MEI, 2010, 284 p.
14. Mytsyk G.S., Tin Aung Zaw. Elektrichestvo – in Russ. (Electricity), 2018, No. 7, pp. 37–46.
15. Mytsyk G.S., Tin Aung Zaw, Hein Zaw Htet. Elektrichestvo – in Russ. (Electricity), 2019, No. 6, pp. 42–50.
16. Lin H., Shu Z., Ht X., Liu M. N-D SVPWM with DC Voltage Balancing and Vector Smooth Transition Algorithm for a Cascaded Multilevel Converter. – IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2018, vol. 65, No. 5, pp. 3837–3847.
17. Asl E.Sh., Babaei E., Sabahi M., Babayi Nozadian M.H., Cecati C. New Half-Bridge and Full-Bridge Topologies for a Switched-Boost Inverter with Continuous Input Current. – IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2018, vol. 65, No. 4, pp. 3188–3197.
18. Tan I., Wu B., Narimani M., Xu D. et al. Multicarrier-Based PWM Strategies with Complete Voltage Balance Control for NNPC Inverters. – IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2018, vol. 65, No. 4, pp. 2863–2872.
19. Golembiovsky Y.M., Tomashevsky Y.B., Shcherbakov A.A., et al. Autonomous single-phase inverter with high quality output voltage. Vestn. SUSU. Ser.Energy. 2018. 18, No. 1, pp. 75–81.
20. Saeidabadi S., Gandomi A. Ashraf, Hosseini S.H., Sabahi M. et al. New improved three-phase hybrid multilevel inverter with reduced number of components. – IET Power Electron, 2017, vol. 10, No.12, pp. 1403–1412.
21. Tan L., Wu B., Narimani M., Xu D. Multicarrier-Based PWM Strategies with complete voltage balance control for NNPC Inverters. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2018, vol. 65, No. 4, pp. 2863–2872.
22. А. s. SSSR № 1714697 А1, H 01 F 27/24. Prostranstvennyy magnitoprovod (Spatial magnetic circuit) / M.Sokolov, G.S. Mytsyk, V.V.Mikheev, Yu.V. Tinyakov. – Bulletin of Inventions, 1992, No. 7.
