Структурно-алгоритмический синтез трехфазных тяговых инверторов напряжения
Ключевые слова:
многоканальное преобразование энергетического потока, трёхфазный инвертор напряжения, высоковольтный вход, структурно-алгоритмический синтез, амплитудно-импульсная модуляция, широтно-импульсная модуляция, трансфильтр
Аннотация
Статья посвящена развитию подхода к структурно-алгоритмическому синтезу устройств силовой электроники на основе многоканального преобразования энергетического потока. Ранее рассмотрено получение сильноточного выхода при ограниченных по току возможностях полупроводниковых ключевых элементов [1]. В данной работе подход распространён на использование высоковольтных ключевых элементов с ограниченным рабочим напряжением. Особенностью подхода является использование трансфильтров для выравнивания мгновенных значений напряжения каналов при одновременном заграждающем действии высших гармонических составляющих. Реализуемость подхода показана на примере двух вариантов формирования выходного напряжения двухканального трехфазного инвертора: по алгоритмам амплитудно-импульсной и широтно-импульсной модуляции. Адекватность результатов структурно-алгоритмического синтеза подтверждена имитационным компьютерным моделированием в среде OrCAD/PSpice [2]. Определены взаимосвязи между входным и выходным напряжениями инвертора, необходимые при проектировании. Рассмотрен принцип работы трансфильтров и дана оценка их габаритной мощности в долях от мощности нагрузки (по основной гармонике). Приведены рекомендации по применению трехфазного инвертора напряжения в высоковольтном тяговом частотно-управляемом электроприводе железнодорожного подвижного состава.
Литература
1. Мыцык Г.С., Тин А.З. Способ уменьшения массы трансфильтров в многоканальном трехфазном инверторе напряжения с амплитудно-импульсной модуляцией. – Электричество, 2021, № 6, с. 33–43.
2. OrCAD PSpice A/D. Reference Manual [Электрон. ресурс], URL: http://users.ntua.gr/manias/PSPICE-4.pdf (дата обращения 12.12.2021).
3. Хлаинг М.У. Создание информационно-методического обеспечения для системного проектирования преобразующих электронных, трансформаторно-электронных и генерирующих машинно-электронных систем электротехнических комплексов автономных объектов: автореферат дис. … докт. техн. наук. М.: НИУ «МЭИ», 2016, 40 с.
4. Мыцык Г.С., Тин А.З. Многоканальное преобразование постоянного напряжения в трёхфазное квазисинусоидальное напряжение. – Электричество, 2018, № 7, с. 37–46.
5. Тин А.З. Результаты исследования возможностей совершенствования электронных и машинно-электронных преобразователей повышенной мощности на основе использования принципа многоканального преобразования энергетического потока: автореферат дис. … канд. техн. наук. М.: НИУ «МЭИ», 2020, 20 с.
6. Saeidabadi S., et al. New Improved Three-Phase Hybrid Multilevel Inverter with Reduced Number of Components. ‒ IET Power Electronics, 2017, vol.10, No.12, pp. 1403–1412, DOI:10.1049/iet-pel.2016.0594.
7. Ye M.-Y., et al. SHEPWM Technology for CHB Multilevel Inverters with Non-Equal DC Sources. – Electric Machines and Control, 2018, vol. 22, No. 9, pp. 64–73, DOI:10.15938/j.emc.2018.09.009.
8. Salem A., et al. New Three-Phase Symmetrical Multilevel Voltage Source Inverter. – IEEE Journal on Emerging and Selected Topics in Circuits and Systems, 2015, vol. 5, No. 3, pp. 430–442, DOI: 10.1109/JETCAS.2015.2462173.
9. Chen L., Ge B. High Power Traction Inverter Design and Comparison for Electric Vehicles. – 2018 IEEE Transportation Electrification Conference and Expo (ITEC), 2018, pp. 583–588, DOI: 10.1109/ITEC.2018.8450259.
10. Chen W., et al. Multichannel Three-Phase Converter Based on Phase-Shift Space Vector Modulation. – Electric Power Automation. Equipment, 2015, vol. 35, No. 5, pp. 9–14, DOI:10.16081/j.issn.1006-6047.2015.05.002.
11. Feng J., et al. Subsection Synchronous Current Harmonic Minimum Pulse Width Modulation for ANPC-5L Inverter. – Journal of Electrical Engineering and Technoligy, 2017, 12(5), pp. 1872–1882, DOI: 10.5370/JEET.2017.12.5.1872.
12. Lopatkin N.N. Voltage Source Multilevel Inverter Voltage Quality Comparison under Multicarrier Sinusoidal PWM and Space Vector PWM of Two Delta Voltages. – 2017 International Multi-Conference on Engineering, Computer and Information Sciences (SIBIRCON), 2017, pp. 439–444, DOI:10.1109/SIBIRCON.2017.8109923.
13. Kamani P.L., Mulla M.A. Simpson's Rule Based SHE Pulse Amplitude Modulation for Cascaded Multilevel Inverters. – 2017 7th International Conference on Power Systems (ICPS), 2017, pp. 585– 590, DOI:10.1109/ICPES.2017.8387361.
14. Tolbert L.M., Peng F.Z., Habetler T.G. Multilevel converters for large electric drives. IEEE Transactions on Industry Applications, 1999, 35(1), pp. 36–44, DOI:10.1109/28.740843.
15. Мнацаканов В.А. О выборе системы тяги для ВСМ России. – Железнодорожный транспорт, 2020, № 8, с. 30–35.
16. Мыцык Г.С., Пикулин В.П., Шевякова Н.Б. Анализ и оценка форм выходного напряжения преобразователей с амплитудно-импульсной модуляцией. – Электричество, 1979, № 11, с. 25–30.
#
1. Mytsyk G.S., Тin А.Z. Elektrichestvo ‒ in Russ. (Electricity), 2021, No. 6, pp. 33–43.
2. OrCAD PSpice A/D. Reference Manual [Electron. resource], URL: http://users.ntua.gr/manias/PSPICE-4.pdf (Date of appeal 12.12.2021).
3. Hlaing М.U. Sozdaniye informatsionno-metodicheskogo obespecheniya dlya sistemnogo proyektirovaniya preobrazuyushchikh elektronnykh, transformatorno-elektronnykh i generiruyushchikh mashinno-elektronnykh sistem elektrotekhnicheskikh kompleksov avtonomnykh ob"yektov: аvtoref. dis. …dokt. tekhn. nauk (Creation of Information and Methodological Support for the System Design of Converting Electronic, Transformer-Electronic and Generating Machine-Electronic Systems of Electrical Complexes of Autonomous Objects: Abstract of the dis. ... Dr. Sci (Eng.)). М.: NIU «МEI», 2016, 40 p.
4. Mytsyk G.S., Тin А.Z. Elektrichestvo ‒ in Russ. (Electricity), 2018, No. 7, pp. 37–46.
5. Tin А.Z. Rezul'taty issledovaniya vozmozhnostey sovershenst-vovaniya elektronnykh i mashinno-elektronnykh preobrazovateley povyshennoy moshchnosti na osnove ispol'zovaniya printsipa mnogokanal'nogo preobrazovaniya energeticheskogo potoka: аvtoref. dis. …kand. tekhn. nauk (Results of research on the possibilities of improving electronic and machine-electronic converters with increased power by using the principle of multi-channel conversion of the energy flow: Abstract of the dis. … Cand. Sci. (Eng)). М.: NIU «МEI», 2020, 20 p.
6. Saeidabadi S., et al. New Improved Three-Phase Hybrid Multilevel Inverter with Reduced Number of Components. ‒ IET Power Electronics, 2017, vol.10, No.12, pp. 1403–1412, DOI:10.1049/iet-pel.2016.0594.
7. Ye M.-Y., et al. SHEPWM Technology for CHB Multilevel Inverters with Non-Equal DC Sources. – Electric Machines and Control, 2018, vol. 22, No. 9, pp. 64–73, DOI:10.15938/j.emc.2018.09.009.
8. Salem A., et al. New Three-Phase Symmetrical Multilevel Voltage Source Inverter. – IEEE Journal on Emerging and Selected Topics in Circuits and Systems, 2015, vol. 5, No. 3, pp. 430–442, DOI: 10.1109/JETCAS.2015.2462173.
9. Chen L., Ge B. High Power Traction Inverter Design and Comparison for Electric Vehicles. – 2018 IEEE Transportation Electrification Conference and Expo (ITEC), 2018, pp. 583–588, DOI: 10.1109/ITEC.2018.8450259.
10. Chen W., et al. Multichannel Three-Phase Converter Based on Phase-Shift Space Vector Modulation. – Electric Power Automation. Equipment, 2015, vol. 35, No. 5, pp. 9–14, DOI:10.16081/j.issn.1006-6047.2015.05.002.
11. Feng J., et al. Subsection Synchronous Current Harmonic Minimum Pulse Width Modulation for ANPC-5L Inverter. – Journal of Electrical Engineering and Technoligy, 2017, 12(5), pp. 1872–1882, DOI: 10.5370/JEET.2017.12.5.1872.
12. Lopatkin N.N. Voltage Source Multilevel Inverter Voltage Quality Comparison under Multicarrier Sinusoidal PWM and Space Vector PWM of Two Delta Voltages. – 2017 International Multi-Conference on Engineering, Computer and Information Sciences (SIBIRCON), 2017, pp. 439–444, DOI:10.1109/SIBIRCON.2017. 8109923.
13. Kamani P.L., Mulla M.A. Simpson's Rule Based SHE Pulse Amplitude Modulation for Cascaded Multilevel Inverters. – 2017 7th International Conference on Power Systems (ICPS), 2017, pp. 585– 590, DOI:10.1109/ICPES.2017.8387361.
14. Tolbert L.M., Peng F.Z., Habetler T.G. Multilevel converters for large electric drives. IEEE Transactions on Industry Applications, 1999, 35(1), pp. 36–44, DOI:10.1109/28.740843.
15. Mnatsakanov V.А. Zheleznodorozhnyy transport‒ in Russ. (Railway transport), 2020, No. 8, pp. 30–35.
16. Mytsyk G.S., Pikulin V.P., Shevyakova N.B. Elektrichestvo ‒ in Russ. (Electricity), 1979, No. 11, pp. 25–30.
2. OrCAD PSpice A/D. Reference Manual [Электрон. ресурс], URL: http://users.ntua.gr/manias/PSPICE-4.pdf (дата обращения 12.12.2021).
3. Хлаинг М.У. Создание информационно-методического обеспечения для системного проектирования преобразующих электронных, трансформаторно-электронных и генерирующих машинно-электронных систем электротехнических комплексов автономных объектов: автореферат дис. … докт. техн. наук. М.: НИУ «МЭИ», 2016, 40 с.
4. Мыцык Г.С., Тин А.З. Многоканальное преобразование постоянного напряжения в трёхфазное квазисинусоидальное напряжение. – Электричество, 2018, № 7, с. 37–46.
5. Тин А.З. Результаты исследования возможностей совершенствования электронных и машинно-электронных преобразователей повышенной мощности на основе использования принципа многоканального преобразования энергетического потока: автореферат дис. … канд. техн. наук. М.: НИУ «МЭИ», 2020, 20 с.
6. Saeidabadi S., et al. New Improved Three-Phase Hybrid Multilevel Inverter with Reduced Number of Components. ‒ IET Power Electronics, 2017, vol.10, No.12, pp. 1403–1412, DOI:10.1049/iet-pel.2016.0594.
7. Ye M.-Y., et al. SHEPWM Technology for CHB Multilevel Inverters with Non-Equal DC Sources. – Electric Machines and Control, 2018, vol. 22, No. 9, pp. 64–73, DOI:10.15938/j.emc.2018.09.009.
8. Salem A., et al. New Three-Phase Symmetrical Multilevel Voltage Source Inverter. – IEEE Journal on Emerging and Selected Topics in Circuits and Systems, 2015, vol. 5, No. 3, pp. 430–442, DOI: 10.1109/JETCAS.2015.2462173.
9. Chen L., Ge B. High Power Traction Inverter Design and Comparison for Electric Vehicles. – 2018 IEEE Transportation Electrification Conference and Expo (ITEC), 2018, pp. 583–588, DOI: 10.1109/ITEC.2018.8450259.
10. Chen W., et al. Multichannel Three-Phase Converter Based on Phase-Shift Space Vector Modulation. – Electric Power Automation. Equipment, 2015, vol. 35, No. 5, pp. 9–14, DOI:10.16081/j.issn.1006-6047.2015.05.002.
11. Feng J., et al. Subsection Synchronous Current Harmonic Minimum Pulse Width Modulation for ANPC-5L Inverter. – Journal of Electrical Engineering and Technoligy, 2017, 12(5), pp. 1872–1882, DOI: 10.5370/JEET.2017.12.5.1872.
12. Lopatkin N.N. Voltage Source Multilevel Inverter Voltage Quality Comparison under Multicarrier Sinusoidal PWM and Space Vector PWM of Two Delta Voltages. – 2017 International Multi-Conference on Engineering, Computer and Information Sciences (SIBIRCON), 2017, pp. 439–444, DOI:10.1109/SIBIRCON.2017.8109923.
13. Kamani P.L., Mulla M.A. Simpson's Rule Based SHE Pulse Amplitude Modulation for Cascaded Multilevel Inverters. – 2017 7th International Conference on Power Systems (ICPS), 2017, pp. 585– 590, DOI:10.1109/ICPES.2017.8387361.
14. Tolbert L.M., Peng F.Z., Habetler T.G. Multilevel converters for large electric drives. IEEE Transactions on Industry Applications, 1999, 35(1), pp. 36–44, DOI:10.1109/28.740843.
15. Мнацаканов В.А. О выборе системы тяги для ВСМ России. – Железнодорожный транспорт, 2020, № 8, с. 30–35.
16. Мыцык Г.С., Пикулин В.П., Шевякова Н.Б. Анализ и оценка форм выходного напряжения преобразователей с амплитудно-импульсной модуляцией. – Электричество, 1979, № 11, с. 25–30.
#
1. Mytsyk G.S., Тin А.Z. Elektrichestvo ‒ in Russ. (Electricity), 2021, No. 6, pp. 33–43.
2. OrCAD PSpice A/D. Reference Manual [Electron. resource], URL: http://users.ntua.gr/manias/PSPICE-4.pdf (Date of appeal 12.12.2021).
3. Hlaing М.U. Sozdaniye informatsionno-metodicheskogo obespecheniya dlya sistemnogo proyektirovaniya preobrazuyushchikh elektronnykh, transformatorno-elektronnykh i generiruyushchikh mashinno-elektronnykh sistem elektrotekhnicheskikh kompleksov avtonomnykh ob"yektov: аvtoref. dis. …dokt. tekhn. nauk (Creation of Information and Methodological Support for the System Design of Converting Electronic, Transformer-Electronic and Generating Machine-Electronic Systems of Electrical Complexes of Autonomous Objects: Abstract of the dis. ... Dr. Sci (Eng.)). М.: NIU «МEI», 2016, 40 p.
4. Mytsyk G.S., Тin А.Z. Elektrichestvo ‒ in Russ. (Electricity), 2018, No. 7, pp. 37–46.
5. Tin А.Z. Rezul'taty issledovaniya vozmozhnostey sovershenst-vovaniya elektronnykh i mashinno-elektronnykh preobrazovateley povyshennoy moshchnosti na osnove ispol'zovaniya printsipa mnogokanal'nogo preobrazovaniya energeticheskogo potoka: аvtoref. dis. …kand. tekhn. nauk (Results of research on the possibilities of improving electronic and machine-electronic converters with increased power by using the principle of multi-channel conversion of the energy flow: Abstract of the dis. … Cand. Sci. (Eng)). М.: NIU «МEI», 2020, 20 p.
6. Saeidabadi S., et al. New Improved Three-Phase Hybrid Multilevel Inverter with Reduced Number of Components. ‒ IET Power Electronics, 2017, vol.10, No.12, pp. 1403–1412, DOI:10.1049/iet-pel.2016.0594.
7. Ye M.-Y., et al. SHEPWM Technology for CHB Multilevel Inverters with Non-Equal DC Sources. – Electric Machines and Control, 2018, vol. 22, No. 9, pp. 64–73, DOI:10.15938/j.emc.2018.09.009.
8. Salem A., et al. New Three-Phase Symmetrical Multilevel Voltage Source Inverter. – IEEE Journal on Emerging and Selected Topics in Circuits and Systems, 2015, vol. 5, No. 3, pp. 430–442, DOI: 10.1109/JETCAS.2015.2462173.
9. Chen L., Ge B. High Power Traction Inverter Design and Comparison for Electric Vehicles. – 2018 IEEE Transportation Electrification Conference and Expo (ITEC), 2018, pp. 583–588, DOI: 10.1109/ITEC.2018.8450259.
10. Chen W., et al. Multichannel Three-Phase Converter Based on Phase-Shift Space Vector Modulation. – Electric Power Automation. Equipment, 2015, vol. 35, No. 5, pp. 9–14, DOI:10.16081/j.issn.1006-6047.2015.05.002.
11. Feng J., et al. Subsection Synchronous Current Harmonic Minimum Pulse Width Modulation for ANPC-5L Inverter. – Journal of Electrical Engineering and Technoligy, 2017, 12(5), pp. 1872–1882, DOI: 10.5370/JEET.2017.12.5.1872.
12. Lopatkin N.N. Voltage Source Multilevel Inverter Voltage Quality Comparison under Multicarrier Sinusoidal PWM and Space Vector PWM of Two Delta Voltages. – 2017 International Multi-Conference on Engineering, Computer and Information Sciences (SIBIRCON), 2017, pp. 439–444, DOI:10.1109/SIBIRCON.2017. 8109923.
13. Kamani P.L., Mulla M.A. Simpson's Rule Based SHE Pulse Amplitude Modulation for Cascaded Multilevel Inverters. – 2017 7th International Conference on Power Systems (ICPS), 2017, pp. 585– 590, DOI:10.1109/ICPES.2017.8387361.
14. Tolbert L.M., Peng F.Z., Habetler T.G. Multilevel converters for large electric drives. IEEE Transactions on Industry Applications, 1999, 35(1), pp. 36–44, DOI:10.1109/28.740843.
15. Mnatsakanov V.А. Zheleznodorozhnyy transport‒ in Russ. (Railway transport), 2020, No. 8, pp. 30–35.
16. Mytsyk G.S., Pikulin V.P., Shevyakova N.B. Elektrichestvo ‒ in Russ. (Electricity), 1979, No. 11, pp. 25–30.
