Mathematical and Physical Modeling of Combined Inductive-and-Capacitive Converters on the Basis of a Multifunctional Integrated Electromagnetic Component

  • Sergey G. KONESEV
  • Regina T. KHAZIYEVA
Keywords: current stabilization, combined inductive-and-capacitive converter, hybrid electromagnetic element, multifunctional integrated electromagnetic component, parametric current stabilizer

Abstract

Combined inductive-and-capacitive converters (ICCs) are modeled on the basis of a multifunctional integrated electromagnetic component (MIEC), which is made as a single structural-and-process component that simultaneously performs the functions of a parametric current stabilizer, an inverter’s oscillatory circuit, an elevated frequency section, and a voltage amplifier. MIEC-based converters differ significantly from the ICCs made using discrete electromagnetic components assembled from separate capacitors and inductance coils in having improved mass and overall dimensions. The use of an MIEC operating in a resonance mode as a parametric current stabilizer is an efficient technical solution owing to its ability to stabilize the load current in wide variation ranges of load resistance and switching frequency of inverter semiconductor switches; in addition, it allows the switching losses to be minimized. This is because during operation in a resonance mode, the maximal values of the load current stabilization and voltage amplification coefficients are achieved, and “soft” switching of semiconductor switches is ensured at the moment in which the current crosses zero. Analytical expressions for determining the ICC currents and voltage using the MIEC integral parameters are obtained. The frequency responses of the MIEC-based ICC are analyzed. The physical experiment confirms that the obtained dependences and expressions adequately reflect the real parameters of MIEC-based ICCs.

Author Biographies

Sergey G. KONESEV

KONESEV Sergey G. (Ufa State Petroleum Technical University (USPTU), Ufa, Russia) — Associate Professor, Cand. Sci. (Eng.)

Regina T. KHAZIYEVA

KHAZIYEVA Regina T. (USPTU, Ufa, Russia) — Senior Lecturer, Cand. Sci. (Eng.)

References

1. Милях А.Н., Волков И.В. Системы неизменного тока на основе индуктивно-емкостных преобразователей. — Киев: Наукова Думка, 1974, 216 с.

2. Chin Shaoan A., John Tero, Milan M. Jovanovic, Raymond B. Ridley, and Fred C. Lee. A New IC Controller for Resonant-Mode Power Supplies. — IEEE Applied Power Electronics Conference Proceedings, Los Angeles, California, March, 1990, pp. 459—466.

3. Yuan Y.S., Chen M. and Qian Z.M. A Parallel Front-End LCL Resonant Push-Pull Converter with a Coupled Inductor for Automotive Applications, in Proceedings of IEEE APEC, Palm Springs, USA, 2010, pp. 1460—1463.

4. Волков И.В., Закревский С.И., Пшеничный В.В. Гибридный элемент электрической цепи — индукон и его использование в качестве преобразователя источника напряжения в источник тока. — Тезисы докладов Всесоюз. науч.-техн. конф. «Проблемы преобразовательной техники». Киев, 1983.

5. Кашин Ю.А., Сибагатуллин Р.С., Тухватуллин Р.А., Хомяков И.М. Деконнные системы преобразования электромагнитной энергии. — Тезисы докладов Всесоюз. науч.-техн. конф. «Проблемы преобразовательной техники». Киев, 1983.

6. Бердников С.В. Узлы принудительной коммутации тиристоров с обмоткой-емкостью. — Тезисы докладов Всесоюз. науч.-техн. конф. «Проблемы преобразовательной техники». Киев, 1983.

7. Бутырин П.А., Гусев Г.Г., Михеев Д.В., Сиренко В.В., Шакирзянов Ф.Н. Разработка математической модели и анализ особенностей режимов индуктивно-емкостного преобразователя на основе каткона. — Вестник МЭИ, 2018, № 4, с. 81—88.

8. Бутырин П.А., Гусев Г.Г., Кужман В.В. Математическая модель фильтрокомпенсирующего устройства на основе катушки-конденсатора. — Изв. РАН. Энергетика, 2014, № 2, с. 130—135.

9. Бутырин П.А., Гусев Г.Г., Михеев Д.В., Шакирзянов Ф.Н. Алгоритм определения параметров каткона — элемента оптимизации режимов электрических сетей. — Изв. РАН. Энергетика, 2015, № 2, с. 69—75.

10. Пат. РФ № 2585248. Многофункциональный интегрированный электромагнитный компонент/С.Г. Конесев. — БИ, 2016, № 15.

11. Кувалдин А.Б., Утегулов Б.Б., Захаров И.В., Ижикова А.Д. Анализ потерь активной мощности в многослойном индукторе с самокомпенсацией реактивной мощности. — Элек­тричество, 2005, № 2, с. 53—56.

12. Пат. РФ № 1492453. Спиральный генератор импульсов напряжения/В.И. Мельников, С.Г. Конесев, С.В. Осинцев, Р.А. Тухватуллин. - БИ, 1989, № 24.

13. Конесев С.Г., Хазиева Р.Т., Кириллов Р.В. Исследование частотных характеристик двухсекционных многофункциональных интегрированных электромагнитных компонентов. — Вестник УГАТУ, 2015, т.19, № 4 (70), с. 66—71.

14. Konesev S.G., Khazieva R.T., Kirillov R.V., Konev A.A.
Research on stabilization properties of inductive-capacitive transducers based on hybrid electromagnetic elements. — Journal of Physics: Conf. Series, 2017, vol. 803. No. 1. Doi: 10.1088/1742-6596/803/1/012076.

15. Konesev S.G., Khazieva R.T., Kirillov R.V. The research of stabilization properties of inductive-capacitive converters based on the two-sections hybrid electromagnetic elements. Dynamics of Systems, Mechanisms and Machines. — X International IEEE Scientific and Technical Conference, 15-17 November 2016, Omsk, 2017, pp. 1-7. DOI: 10.1109/Dynamics.2016.7819030.

16. Кабан В.П. Сравнительный анализ Т-образных индуктивно-емкостных преобразователей CLL-структуры по установленной мощности реактивных элементов. — Сб. Института электродинамики НАН Украины, Киев, 2012, № 33, с. 87—91.

17. Губаревич В.Н., Спирин В.М., Кабан В.П., Матвеев В.Ю. Регулирование выходного напряжения в инверторе в однофазной системе инвертор - индуктивно-емкостный преобра­зователь. — Сб. Института электродинамики НАН Украины. Киев, 2010, № 25, с. 114—118.

18. Кабан В.П., Матвеев В.Ю., Губаревич В.Н., Спирин В.М. Расчет схем Г-образных индуктивно-емкостных преобразователей CL-вида с учетом характера нагрузки. — Сб. Института электродинамики НАН Украины, Киев, 2012, № 33 с. 83—87.

19. Брылина О.Г., Гельман М.В. Исследование двухзвенных преобразователей частоты. — Электротехнические системы и комплексы, 2013, № 21, с. 270—278.

20. Храмшин Т.Р., Храмшин Р.Р., Корнилов Г.П., Крубцов Д.С. Формирование фазных напряжений четырехуровневого высоковольтного преобразователя частоты. — Электротехниче­ские системы и комплексы, 2011, № 1, c. 174—181.

21. Конесев С.Г., Хазиева Р.Т. Анализ стабилизационных свойств индуктивно-емкостных преобразователей при различных способах подключения гибридного электромагнитного эле­мента. — Электротехнические системы и комплексы, 2017, № 1. c. 49-55. DOI: 10.18503/2311-8318-2017-1(34)-49-55.

22. Бутырин П.А., Гусев Г.Г., Кужман В.В., Михеев Д.В., Шакирзянов Ф.Н. Математическая модель фильтрокомпенсирующих устройств на основе гармонической линеаризации ха­рактеристики магнитопровода каткона. — Вестник Московско­го энергетического института, 2015, № 5, с. 79—84.

23. Бутырин П.А., Гусев Г.Г., Михеев Д.В., Шакирзянов Ф.Н. Идентификация математической модели фильтрокомпенсирующего устройства на основе каткона с учетом нелинейной характеристики магнитопровода. — Электричество, 2017, № 10, с. 55—60.

24. Бутырин П.А., Гусев Г.Г., Кужман В.В., Михеев Д.В. Математическое и физическое моделирование фильтрокомпенсирующего устройства на основе каткона. — Электричество, 2014, № 11, с. 58—62.

25. Пат. РФ № 2632412. Индуктивно-емкостный преобра­зователь/ С.Г. Конесев, Р.Т. Хазиева, Т.А. Бочкарева. — БИ, 2017, № 28.
#
1. Milyakh A.N., Volkov I.V. Sistemy ntizmennogo toka na osnove induktivno-emkostnykh preobrasovatelei (Constant current systems on the basis of combined inductive-and-capacitive converters). Kiev, Naukova Dumka, 1974, 216 p.

2. Chin Shaoan A., John Tero, Milan M. Jovanovic, Raymond B. Ridley, and Fred C. Lee. A New IC Controller for Resonant-Mode Power Supplies. — IEEE Applied Power Electronics Conference Proceedings, Los Angeles, California, March, 1990, pp. 459-466.

3. Yuan Y.S., Chen M. and Qian Z.M. A Parallel Front-End LCL Resonant Push-Pull Converter with a Coupled Inductor for Automotive Applications, in Proceedings of IEEE APEC, Palm Springs, USA, 2010, pp. 1460-1463.

4. Volkov I.V., Zakrevsky S.I., Pshenichnyi V.V. Gibridnyi element elektricheskoi tsepi — indukon i ego ispol’zovaniye v kachestve preobrazovatelya istochnika napryazheniya v istochnik toka (Inducon: an electric circuit hybrid element and its application as a voltage source to current source converter), in Proceedings of the All-Russia Scientific-Technical Conference «Converter Engineering Problems». Kiev, 1983.

5. Kashin Yu.A., Sibagatullin R.S., Tukhvatullin R.A., Khomyakov I.M. Dekonnye sistemy preobrazovaniya elektromagnitnoi energii (Decon-based electromagnetic energy conversion systems), in Proceedings of the All-Russia Scientific-Technical Conference «Converter Engineering Problems»). Kiev, 1983.

6. Berdnikov S.V. Uzly prinuditel’noi kommutatsii tiristorov s obmotkoi-emkost’yu (Forced thysistor switching units with a winding-capacitor), in Proceedings of the All-Russia
Scientific-Technical Conference «Converter Engineering Problems»). Kiev, 1983.

7. Butyrin P.A., Gusev G.G., Mikheyev D.V., Sirenko V.V., Shakirzyanov F.N. Vestnik MEI — in Russ. (Bulletin of National Research University «Moscow Power Engineering Institute»), 2018, No. 4, p. 81—88.

8. Butyrin PA, Gusev G.G., Kuzhman V.V. Izvestiya RAN. Energetika — in Russ. (News of Russian Academy of Sciences. Energetics), 2014, No. 2, p. 130—135.

9. Butyrin P.A., Gusev G.G., Mikheyev D.V., Shakirzyanov F.N.
Energetika — in Russ. (News of Russian Academy of Sciences. Energetics), 2015, No. 2, p. 69—75.

10. Pat. RF No. 2585248. Mnogofunktsional’nyi integrirovannyi elektromagnitnyi komponent (A multifunctional integrated electromagnetic component) / S.G. Konesev. Bulletin of inventions, 2016, No. 15.

11. Kuvaldin A.B., Utegulov B.B., Zakharov I.V., Izhikova A.D. Elektrichestvo — in Russ. (Electricity), 2005, No. 2, p. 53—56.

12. Pat. RF No. 1492453. Spiral’nyi generator impul’sov napryazheniya (A helical generator of voltage impulses)/V.I. Melnikov, S.G. Konesev, S.V. Osintsev, R.A. Tukhvatullin. Bulletin of inventions, 1989, No. 24.

13. Konesev S.G., Khaziyeva R.T., Kirillov R.V. Vestnik UGATU — in Russ. (Bulletin of Ufa State Aviation Technical University), 2015, vol. 19, No. 4 (70), pp. 66—71.

14. Konesev S.G., Khaziyeva R.T., Kirillov R.V., Konev A.A. Research on stabilization properties of inductive-capacitive transducers based on hybrid electromagnetic elements. — Journal of
Physics: Conf. Series, 2017, vol. 803, No. 1. Doi: 10.1088/1742-6596/803/1/012076.

15. Konesev S.G., Khazieva R.T., Kirillov R.V. The research of stabilization properties of inductive-capacitive converters based on the two-sections hybrid electromagnetic elements. Dynamics of Systems, Mechanisms and Machines. — X International IEEE Scientific and Technical Conference, 15—17 November, 2016, Omsk, 2017, pp. 1-7. DOI: 10.1109/Dynamics. 2016.7819030.

16. Kaban V.P. Sb. Instituta elektrodinamiki NAN Ukrainy — in Ukraine (Proc. Institute Electrodynamics NAS of Ukraine), Kuev, 2012, No. 33, pp. 87—91.

17. Gubarevich V.N., Spirin V.M., Kaban V.P., Matveyev V.Yu. Sb. Instituta electrodinamiki NAN Ukrainy — in Ukraine (Proc. Institute of Electrodinamics NAS of Ukraine), Kuev, 2010, No. 25, pp. 114—118.

18. Kaban V.P., Matveyev V.Yu., Gubarevich V.N., Spirin V.M. Sb. Instituta electrodinamiki NAN Ukrainy — in Ukraine (Proc. Institute of Electrodinamics NAS of Ukraine). Kuev, 2012, No. 33, pp. 83—87.

19. Brylina O.G., Gel’man M.V. Elektrotekhnicheskiye sistemy i kompleksy — in Russ. (Electrical Engineering systems and complexes), 2013, No. 21, pp. 270—278.

20. Khramshin T.R., Khramshin R.R., Kornilov G.P., Krubtsov D.S. Elektrotekhnicheskiye sistemy i kompleksy — in Russ. (Electrical Engineering systems and complexes), 2011, No. 1, pp. 174—181.

21. Konesev S.G., Khaziyeva R.T. Electrotekhnicheskiye sistemy i kompleksy — in Russ. (Electrical Engineering systems and complexes). DOI: 10.18503/2311-8318-2017-1(34)-49-55.

22. Butyrin P.A., Gusev G.G., Kuzhman V.V., Mikheyev D.V., Shakirzyanov F.N. Vestnik Moskovskogo energeticheskogo instituta — in Russ. (Bulletin of Moscow Power Engineering Institute), 2015, No. 5, pp. 79—84.

23. Butyrin P.A., Gusev G.G., Mikheyev D.V., Shakirzyanov F.N. Elektrichestvo — in Russ. (Electricity), 2017, No. 10, pp. 55—60.

24. Butyrin P.A., Gusev G.G., Kuzhman V.V., Mikheyev D.V. Elektrichestvo — in Russ. (Electricity), 2014, No. 11, p. 58—62.

25. Pat. RF No. 2632412. Induktivno-emkostnyi preobrazovatel’ (Inductive-capacitive converter)/S.G. Konesev, R.T. Khaziyeva, T.A. Bochkareva. Bulletin of inventions, 2017, No. 28.
Published
2020-01-01
Section
Article