Моделирование трехключевого трехфазного транзисторного выпрямителя как компонента преобразователя частоты для электропривода
DOI:
https://doi.org/10.24160/0013-5380-2026-3-76-88Ключевые слова:
трехключевой транзисторный выпрямитель, высокочастотное управление, регулирование выходного напряжения, преобразователь частоты, энергетические показатели, динамические свойства, моделированиеАннотация
В статье рассмотрена технология управления схемой трехключевого трехфазного транзисторного выпрямителя, обеспечивающего регулирование выходного напряжения вниз от номинального в широком диапазоне в схеме с высоким КПД и малым коэффициентом нелинейных искажений входного потребляемого тока. Дано математическое описание системы управления ключами выпрямителя и приведен ее алгоритм работы. Рассчитаны параметры элементов схемы преобразователя номинальной мощностью 1 кВт. Для анализа свойств системы управления разработана MATLAB-модель трехключевого трехфазного транзисторного выпрямителя. С помощью разработанной MATLAB-модели проведена оценка регулировочных свойств и энергетических показателей для предлагаемой топологии. Исследованы режимы работы преобразователя с активной и активно-индуктивной нагрузкой, включая перегрузку по мощности на 25 %. Получены зависимости КПД, потерь на транзисторах, выходной мощности, точности стабилизации выходного напряжения. Показаны диапазон регулирования для обеспечения высоких энергетических показателей и ограничения реализации динамических режимов схемы. Установлено, что преобразователь способен обеспечить регулирование выходного напряжения с высоким КПД (95,0–98,3 %). Определена целесообразная область использования схемы как компонента преобразователя частоты для уменьшения пульсаций выходного напряжения инвертора и, как следствие, снижения пульсаций электромагнитного момента в позиционном и следящем электроприводе.
Библиографические ссылки
1. Дементьев Ю.Н. и др. Асинхронный частотно-регулируемый электропривод типовых производственных механизмов. Томск: ТПУ, 2017, 404 с.
2. Томасов В.С., Усольцев А.А., Вертегел Д.А. Особенности использования многоуровневых инверторов в системах прецизионного сервопривода. – Известия высших учебных заведений. Приборостроение, 2018, т. 61, № 12, с. 1052–1059.
3. Томасов В.С., Усольцев А.А., Вертегел Д.А. Минимизация пульсаций электромагнитного момента в пятифазном асинхронном электроприводе. – Известия высших учебных заведений. Приборостроение, 2022, т. 65, № 12, с. 874–885.
4. Томасов В.С. и др. Многоуровневые инверторы напряжения в прецизионном сервоприводе. – Силовая электроника, 2019, № 2 (77), с. 42–48.
5. Nussbaumer T., Baumann M., Kolar J.W. Comprehensive Design of a Three-Phase Three-Switch Buck-Type PWM Rectifier. – IEEE Transactions on Power Electronics, 2007, vol. 22, No. 2, pp. 551–562, DOI: 10.1109/TPEL.2006.889987.
6. Kolar J.W. et al. Novel Three-Phase AC–AC Sparse Matrix Converters. – IEEE Transactions on Power Electronics, 2007, vol. 22, No. 5, pp. 1649–1661, DOI: 10.1109/TPEL.2007.904178.
7. Empringham L. et al. Technological Issues and Industrial Application of Matrix Converters: A Review. – IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2013, vol. 60, No. 10, pp. 4260–4271, DOI: 10.1109/TIE.2012.2216231.
8. Rodriguez J. et al. A Review of Control and Modulation Methods for Matrix Converters. – IEEE Transactions on Industrial Eleсtronics, 2012, vol. 59, No. 1, pp. 58–70, DOI: 10.1109/TIE.2011.2165310.
9. Кисляков М.А. и др. Трехфазный транзисторный матричный преобразователь частоты с ультраразреженной топологией: свойства и возможности применения. – Электричество, 2024, № 2, с. 53–66.
10. Gopalan S. A Comparative Study of Control Techniques for Three Phase PWM Rectifier. – 10th Int. Conf. on Intelligent Systems and Control (ISCO), 2016, DOI: 10.1109/ISCO.2016.7727142.
11. Chen S., Zhang Y., Wang J. An Improved Control Strategy for Suppressing Voltage Measurement Error in Three-Phase PWM Rectifier. – Asia Energy and Electrical Engineering Symposium (AEEES), 2020, pp. 425–430, DOI: 10.1109/AEEES48850.2020.9121370.
12. Yang D., Zhou F., Xiong J. Research on Improved Three-Phase PWM Rectifier Based on Sliding Mode Control. – 4th Int. Conf. on Electrical Engineering and Control Technologies (CEECT), 2022, pp. 1178–1182, DOI: 10.1109/CEECT55960.2022.10030600.
13. Chae B., Suh Y., Kang T. Carrier Based PWM for Reduced Capacitor Voltage Ripple in Three-Phase Three-Switch Buck-Type Rectifier System. – IEEE Energy Conversion Congress and Exposition (ECCE), 2017, pp. 4609–4616, DOI: 10.1109/ECCE.2017.8096788.
14. Goh M.-S. et al. Design of Three-Phase Three-Switch PWM Current Source Rectifier/Inverter of Induction Heating Power Supply for Forging Applicationsaper. – IEEE 9th Int. Power Electronics and Motion Control Conf. (IPEMC2020-ECCE Asia), 2020, pp. 2806–2811, DOI: 10.1109/IPEMC-ECCEAsia48364.2020.9367823.
---
Исследование выполнено в рамках государственного задания Минобрнауки России (проект № FSWF-2026-0010).
#
1. Dement’ev Yu.N. et al. Asinhronnyy chastotno-reguliruemyy elektroprivod tipovyh proizvodstvennyh mekhanizmov (Asynchronous Frequency-Controlled Electric Drive of Typical Production Mecha-nisms). Tomsk: TPU, 2017, 404 p.
2. Tomasov V.S., Usol’tsev A.A., Vertegel D.A. Izvestiya vysshih uchebnyh zavedeniy. Priborostroenie – in Russ. (News of Higher Edu-cational Institutions. Instrument Engineering), 2018, vol. 61, No. 12, pp. 1052–1059.
3. Tomasov V.S., Usol’tsev A.A., Vertegel D.A. Izvestiya vysshih uchebnyh zavedeniy. Priborostroenie – in Russ. (News of Higher Educational Institutions. Instrument Engineering), 2022, vol. 65, No. 12, pp. 874–885.
4. Tomasov V.S. et al. Silovaya elektronika – in Russ. (Power Electronics), 2019, No. 2 (77), pp. 42–48.
5. Nussbaumer T., Baumann M., Kolar J.W. Comprehensive Design of a Three-Phase Three-Switch Buck-Type PWM Rectifier. – IEEE Transactions on Power Electronics, 2007, vol. 22, No. 2, pp. 551–562, DOI: 10.1109/TPEL.2006.889987.
6. Kolar J.W. et al. Novel Three-Phase AC–AC Sparse Matrix Converters. – IEEE Transactions on Power Electronics, 2007, vol. 22, No. 5, pp. 1649–1661, DOI: 10.1109/TPEL.2007.904178.
7. Empringham L. et al. Technological Issues and Industrial Application of Matrix Converters: A Review. – IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2013, vol. 60, No. 10, pp. 4260–4271, DOI: 10.1109/TIE.2012.2216231.
8. Rodriguez J. et al. A Review of Control and Modulation Methods for Matrix Converters. – IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2012, vol. 59, No. 1, pp. 58–70, DOI: 10.1109/TIE.2011.2165310.
9. Kislyakov M.A. et al. Elektrichestvo – in Russ. (Electricity), 2024, No. 2, pp. 53–66.
10. Gopalan S. A Comparative Study of Control Techniques for Three Phase PWM Rectifier. – 10th Int. Conf. on Intelligent Systems and Control (ISCO), 2016, DOI: 10.1109/ISCO.2016.7727142.
11. Chen S., Zhang Y., Wang J. An Improved Control Strategy for Suppressing Voltage Measurement Error in Three-Phase PWM Recti-fier. – Asia Energy and Electrical Engineering Symposium (AEEES), 2020, pp. 425–430, DOI: 10.1109/AEEES48850.2020.9121370.
12. Yang D., Zhou F., Xiong J. Research on Improved Three-Phase PWM Rectifier Based on Sliding Mode Control. – 4th Int. Conf. on Electrical Engineering and Control Technologies (CEECT), 2022, pp. 1178–1182, DOI: 10.1109/CEECT55960.2022.10030600.
13. Chae B., Suh Y., Kang T. Carrier Based PWM for Reduced Capacitor Voltage Ripple in Three-Phase Three-Switch Buck-Type Rectifier System. – IEEE Energy Conversion Congress and Exposition (ECCE), 2017, pp. 4609–4616, DOI: 10.1109/ECCE.2017.8096788.
14. Goh M.-S. et al. Design of Three-Phase Three-Switch PWM Current Source Rectifier/Inverter of Induction Heating Power Supply for Forging Applicationsaper. – IEEE 9th Int. Power Electronics and Motion Control Conf. (IPEMC2020-ECCE Asia), 2020, pp. 2806–2811, DOI: 10.1109/IPEMC-ECCEAsia48364.2020.9367823
---
The study was carried out within the framework of the state assignment of the Ministry of Science and Higher Education of the Russian Federation (project no. FSWF-2026-0010)
