Влияние последовательностей переключений на баланс напряжения нейтральной точки в трёхуровневом инверторе напряжения

Обложка


Цитировать

Полный текст

Аннотация

Обоснование. Обеспечение баланса напряжения нейтральной точки звена постоянного тока в допустимых пределах является одним из обязательных требований в процессе эксплуатации трёхуровневых автономных инверторов напряжений с фиксированной нейтральной точкой. Как известно, дисбаланс напряжения нейтральной точки может неблагоприятно повлиять на работу инвертора и нагрузки в целом, привести к выводу из строя как силовых ключей, так и конденсаторов в звене постоянного тока. Дисбаланс напряжения нейтральной точки чаще всего происходит из-за несимметрии номинальных величин конденсаторов постоянного тока, несогласованных свойств коммутационных силовых приборов, несимметричной трёхфазной нагрузки, а также из-за несовершенства алгоритма управления преобразователем.

Цель работы выбор оптимальной последовательности, обеспечивающей наименьшее отклонение напряжения нейтральной точки и число переключений силовых ключей в трёхуровневом инверторе напряжения.

Материалы и методы. Для объективного сравнения рассмотренных последовательностей переключений и их влияния на баланс напряжения нейтральной точки в программе MATLAB/Simulink была разработана компьютерная модель трёхуровневого инвертора напряжения. Для управления данным инвертором использован метод пространственно-векторной широтно-импульсной модуляции с тремя разными последовательностями переключений: пятиступенчатой, семиступенчатой и стандартной.

Результаты. Приведена топология трёхуровневого инвертора напряжения с фиксированной нейтральной точкой. Сняты экспериментальные зависимости ошибки отклонения напряжения нейтральной точки при изменении коэффициента модуляции, частоты основной гармоники на выходе инвертора и свойств нагрузки для трёх различных последовательностей включения силовых ключей.

Заключение. В данной работе исследованы влияние базовых векторов и влияние последовательностей переключения силовых ключей на баланс напряжения нейтральной точки. Комбинации состояний больших и нулевых базовых векторов не влияют на напряжение нейтральной точки. Для средних базовых векторов напряжение нейтральной точки может повышаться или понижаться в зависимости от условий работы инвертора. Малые базовые векторы значительно влияют на напряжение нейтральной точки. С учётом всего вышесказанного наилучшей последовательностью переключений для трёхуровневого инвертора следует считать семиступенчатую последовательность, обеспечивающую как оптимальный баланс напряжения нейтральной точки, так и уровень коммутационных потерь в силовых ключах.

Об авторах

Александр Николаевич Шишков

Московский политехнический университет

Email: shan1982@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-9851-8745
SPIN-код: 5099-9286
Scopus Author ID: 43861781400
ResearcherId: A-4517-2014

доцент, канд. техн. наук, заведующий кафедрой Электрооборудование и промышленная электроника

Россия, 107023, Москва, ул. Большая Семеновская, д. 38

Максим Михайлович Дудкин

Южно-Уральский государственный университет (Национальный исследовательский университет)

Email: dudkinmax@mail.ru
ORCID iD: 0000-0003-4876-8775
SPIN-код: 5703-3117
Scopus Author ID: 55755728100

доктор техн. наук, профессор кафедры Электропривод мехатроника и электромеханика

Россия, 454080, Уральский федеральный округ, Челябинск, просп. В.И. Ленина, д. 76

Ван Кань Ле

Московский политехнический университет

Автор, ответственный за переписку.
Email: canhlv.mta@gmail.ru
ORCID iD: 0009-0007-5183-6077

аспирант кафедры «Электрооборудование и промышленная электроника»

Россия, 107023, Москва, ул. Большая Семеновская, д. 38

Список литературы

  1. Gorozhankin A.N., Dudkin M.M. Algorithms and Control Systems for Electric Drives of Cold Pipe-Rolling Mills // Russian Electrical Engineering. 2020. Vol. 91, № 7. P. 440–446. doi: 10.3103/s1068371220070068
  2. Дудкин М.М. Энергосберегающие технологии в испытательных стендах с использованием однофазных обратимых преобразователей // Вестник ЮУрГУ. Серия «Энергетика». 2013. Т. 13, № 1. С. 5–18.
  3. Храмшим Р.Р., Храмшин Т.Р., Храмшина Е.А., и др. Многоуровневый высоковольтный преобразователь частоты для электропривода // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2010. C. 191-196.
  4. Донской Н., Иванов А., Матисон В., и др. Многоуровневые автономные инверторы для электропривода и электроэнергетики // Силовая Электроника. 2008. № 1. C. 43-46.
  5. Макаров В.Г., Хайбрахманов Р.Н. Многоуровневые инверторы напряжения. Обзор топологий и применение // Вестник технологического университета. 2016. Т.19. № 22. C. 134-138.
  6. Лазарев С.А. Применение инверторов напряжения в высоковольтном электроприводе // Экспозиция Нефть Газ. 2013. С. 31-35.
  7. Peddapelli S.K. Pulse Width Modulation: Analysis and Performance in multilevel inverter. Oldenbourg: De Gruyter Oldenbourg, 2017.
  8. Holmes G.D., Lipo T.A. Pulse Width Modulation for Power Converters: Principles and Practice. New York: Wiley-IEEE Press, 2003.
  9. Choi U.-M., Lee K.-B. Neutral-Point Voltage Balancing Method for Three-Level Inverter Systems with a Time-Offset Estimation Scheme // Journal of Power Electronics. 2013. Vol. 13. № 2. P. 243–249. doi: 10.6113/JPE.2013.13.2.243
  10. Абулвелеев И.Р., Храмшин Т.Р., Корнилов Г.П., и др. Принципы построения векторной широтно-импульсной модуляции для трехуровневого инвертора // Электротехнические системы и комплексы. 2016. № 4 (33). C. 72-77.
  11. Busquets-Monge S., Bordonau J., Boroyevich D., et al. The nearest three virtual space vector PWM - a modulation for the comprehensive neutral-point balancing in the three-level NPC inverter // IEEE Power Electronics Letters. 2004. Vol. 2, N 1. doi: 10.1109/LPEL.2004.828445
  12. Гельман М.В., Дудкин М.М. Вентильные преобразователи постоянного и переменного тока. Челябинск: Изд. центр Южно-Уральского государственного университета, 2013.
  13. Lewicki A., Krzeminski Z., Abu-Rub H. Space-Vector Pulse width Modulation for Three-Level NPC Converter With the Neutral Point Voltage Control // IEEE Transactions on Industrial Electronics. 2011. Vol. 58, N 11. P. 5076-5086. doi: 10.1109/TIE.2011.2119453
  14. Koyama M., Fujii T., Uchida R., et al. Space voltage vector-based new PWM method for large capacity three-level GTO inverter // Proceedings of the 1992 International Conference on Industrial Electronics, Control, Instrumentation, and Automation. San Diego: IEEE, 1992. P. 271-276. doi: 10.1109/IECON.1992.254621.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Силовая схема электропривода на базе 3У АИН с ФНТ.

Скачать (6KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Действие тока НТ на напряжение звена постоянного тока.

Скачать (4KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Влияние большого и нулевого базовых векторов на баланс напряжения НТ.

Скачать (7KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Влияние среднего базового вектора на баланс напряжения НТ.

Скачать (3KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Влияние малых базовых векторов на баланс напряжения НТ.

Скачать (17KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Векторная диаграмма сектора 1 для 3У АИН с ФНТ.

Скачать (28KB)
Метаданные
8. Рис. 7. Пятиступенчатая последовательность переключения для сектора 1.

Скачать (5KB)
Метаданные
9. Рис. 8. Семиступенчатая последовательность переключения для сектора 1.

Скачать (10KB)
Метаданные
10. Рис. 9. Стандартная последовательность переключения для сектора 1.

Скачать (9KB)
Метаданные
11. Рис. 10. Временные диаграммы тока i0 и напряжений uCd1, uCd2 при коэффициенте модуляции μ=0,8; f(1)=50 Гц; cosφ=0,8 для пятиступенчатой (а), семиступенчатой (b) и стандартной (c) последовательностей переключений.

Скачать (241KB)
Метаданные
12. Рис. 11. Зависимость δuC.max от коэффициента μ при f(1)=50Гц, cosφ=0,8 для пятиступенчатой (1), семиступенчатой (2) и стандартной (3) последовательностей переключений.

Скачать (61KB)
Метаданные
13. Рис. 12. Зависимость δuC.max от частоты f(1) при μ=0,8, cosφ=0,8 для пятиступенчатой (1), семиступенчатой (2) и стандартной (3) последовательностей переключений.

Скачать (51KB)
Метаданные
14. Рис. 13. Зависимость δuC.max от cosφ при μ=0,8, f(1)=50 Гц для пятиступенчатой (1), семиступенчатой (2) и стандартной (3) последовательностей переключений.

Скачать (44KB)
Метаданные

© Эко-Вектор, 2023

Creative Commons License
Эта статья доступна по лицензии Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International License.

Согласие на обработку персональных данных

 

Используя сайт https://journals.rcsi.science, я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных») даю согласие на обработку персональных данных на этом сайте (текст Согласия) и на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика» (текст Согласия).