Математическое и физическое моделирование фильтра низких частот на основе многофункционального интегрированного электромагнитного компонента

  • Регина Тагировна Хазиева
  • Максим Дмитриевич Иванов
Ключевые слова: многофункциональный интегрированный электромагнитный компонент, фильтр низких частот, LC-фильтр, амплитудно-частотная характеристика, фазочастотная характеристика, четырехполюсник, преобразователь постоянного напряжения

Аннотация

Рассматривается возможность использования многофункционального интегрированного электромагнитного компонента (МИЭК) в качестве LC-фильтра. Выполнено математическое и физическое моделирование фильтра низких частот на основе МИЭК для преобразователей постоянного напряжения. Фильтры на основе МИЭК характеризуются улучшенными массогабаритными показателями по сравнению с фильтрами, выполненными на дискретных электромагнитных элементах. В статье использован подход к расчету параметров МИЭК на основе теории четырехполюсников. Получены выражения для A-параметров на основе эквивалентных интегральных параметров схемы замещения односекционного МИЭК с учетом влияния взаимной индуктивности проводящих обкладок компонента. Построены амплитудно-частотная и фазочастотная характеристики фильтра низких частот на основе МИЭК. Результаты компьютерного моделирования фильтра в Matlab Simulink подтвердили полученные аналитические выражения. Установлено, что применение фильтра низких частот на основе МИЭК снижает амплитуду высокочастотных пульсаций, возникающих при работе полупроводниковых ключей. Осциллограммы напряжений, полученные в ходе физического эксперимента, подтверждают адекватность полученных зависимостей и выражений.

Биографии авторов

Регина Тагировна Хазиева

канд. техн. наук, доцент, доцент кафедры «Электротехника и электрооборудование предприятий», Уфимский государственный нефтяной технический университет, Уфа, Россия

Максим Дмитриевич Иванов

инженер кафедры «Электротехника и электрооборудование предприятий», Уфимский государственный нефтяной технический университет, Уфа, Россия

Литература

1. Варганова А.В. О методах оптимизации режимов работы электроэнергетических систем и сетей. – Вестник ЮУрГУ. Серия «Энергетика», 2017, т. 17, № 3, с. 76–85.
2. Кузнецов Р.В., Федотов Е.А. Применение динамических компенсаторов искажений напряжения для повышения надежности системы электроснабжения. – Проблемы энергетики, 2013, № 3-4, с. 82–88.
3. Абрамович Б.Н. и др. Минимизация ущерба при добыче нефти из-за кратковременных перерывов электроснабжения. – Промышленная энергетика, 2009, № 7, с. 25–28.
4. Вершинин Н.Ф., Карпов А.М., Кузнецов С.В. DC/DC-преобразователь с гальванической развязкой на SIC-MOSFET для гибридного автотранспортного средства. – Электричество, 2022, № 9, с. 53–65.
5. Исхаков А.С. и др. Прямое апериодическое управление понижающим широтно-импульсным преобразователем. – Электри=чество, 2022, № 12, с. 48–58.
6. Сычев Ю.А. Фильтрокомпенсирующие устройства с активными преобразователями для повышения качества электроэнергии в электротехнических комплексах нефтегазовых предприятий: дис. … канд. техн. наук. СПб., 2021, 365 с.
7. Гиршин С.С., Владимиров Л.В. Методы расчета и оптимизации электроэнергетических систем: конспект лекций. Омск: Изд-во ОмГТУ, 2010, 48 с.
8. Ткаченко С.В., Нич Ю.Б., Коровкин Н.В. Влияние высокочастотных электромагнитных полей на провода большого сечения. – Электричество, 2018, № 7, с. 4–18.
9. Абрамович Б.Н. и др. О компенсации высших гармоник тока и напряжения, создаваемых источником бесперебойного питания. – Нефтяное хозяйство, 2013, № 10, с. 126–127.
10. Голубчик Т.В., Куликов А.С., Аль-Антаки А.М.А. Опыт применения автоматизированных систем накопления энергии на базе литий-ионных аккумуляторных батарей в автономных солнечно-дизельных электростанциях. – Электричество, 2022, № 9, с. 66–76.
11. Цицикян Г.Н., Антипов М.Ю. Индуктивность и электродинамические силы в круговых витках с параллельными осями. – Электричество, 2023, № 1, с. 52–56.
12. Hidayatullah N.A., Paracha Z.J., Kalam A. Impact of Distributed Generation on Smart Grid Transient Stability. – Smart Grid and Renewable Energy, 2011, vol. 2, pp. 99–109.
13. Prasad T.N., Mohan V.C.J., Reddy V.C.V. Harmonic Reduction in Hybrid Filters for Power Quality Improvement in Distribution Systems. – Journal of Theoretical and Applied Information Technology, 2012, vol. 35, No.1, pp. 44–55.
14. Sattarov R., Khazieva R., Ivanov M. Integrated LC-Components for Electrical Systems and Devices. – International Ural Conference on Electrical Power Engineering (UralCon): 2021, DOI:10.1109/UralCon52005.2021.9559527.
15. Budunova K.A., Kravchenko V.F. Low-Pass Filters on Atomic Functions ha(x) and Their Application in Digital to Analog Conversion. – Physical Bases of Instrumentation, 2021, vol. 10, No. 1(39), pp. 26–35, DOI:10.25210/jfop-2101-026035.
16. Laforge P.D., Mansour R.R., Yu M. The Use of Low-Pass Filters as Impedance Inverters for Highly Miniaturized Superconducting Bandstop Filter Designs. – IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 2011, vol. 21, No. 3, pp. 575–578, DOI: 10.1109/TASC.2010.2087733.
17. Михеев Д.В. Экспериментальное исследование частотных характеристик катушки-конденсатора при различных граничных условиях – Электричество, 2018. № 9, с. 52–55.
18. Jung J.-H. Bifilar Winding of a Center-Tapped Transformer Including Integrated Resonant Inductance for LLC Resonant Converters. – IEEE Transactions on Power Electronics, 2013, vol. 28, No. 2, pp. 615–620, DOI: 10.1109/TPEL.2012.2213097.
19. Long X. et al. The Structure and Modelling Method of Integrated LLC Transformer with Wide Range Resonant Inductance Regulation. – IEEE 1st International Power Electronics and Application Symposium (PEAS), 2021, DOI:10.1109/PEAS53589.2021.9628473.
20. Бутырин П.А. и др. Разработка математической модели и анализ особенностей режимов индуктивно-емкостного преобразователя на основе каткона. – Вестник МЭИ, 2018, № 4, с. 81–88.
21. Бутырин П.А., Гусев Г.Г., Кужман В.В. Математическая модель фильтрокомпенсирующего устройства на основе катушки-конденсатора. – Известия РАН. Энергетика, 2014, № 2, с. 130–135.
22. Бутырин П.А. и др. Алгоритм определения параметров каткона – элемента оптимизации режимов электрических сетей. – Известия РАН. Энергетика, 2015, № 2, с. 69–75.
23. Пат. RU 2585248 C2. Многофункциональный интегрированный электромагнитный компонент / С.Г. Конесев, 2016.
24. Wang Y.L. et al. Component-Based Functional Integrated Circuit System Design and Its Straight Implementation. – International Journal of Engineering and Industries, 2011, vol. 2(4), DOI:10.4156/ijei.vol2.issue4.3.
25. Пат. SU1492453A1. Спиральный генератор импульсов напряжения / В.И. Мельников и др., 1989.
26. 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.
27. Губаревич В.Н. и др. Регулирование выходного напряжения в инверторе в однофазной системе инвертор – индуктивно-емкостный преобразователь. – Сб. Института электродинамики НАН Украины. Киев, 2010, № 25, с. 114–118.
28. Кабан В.П. и др. Расчет схем Г-образных индуктивно-емкостных преобразователей CL-вида с учетом характера нагрузки. – Сб. Института электродинамики НАН Украины. Киев, 2012, № 33, с. 83–87.
29. Брылина О.Г., Гельман М.В. Исследование двухзвенных преобразователей частоты. – Электротехнические системы и комплексы, 2013, № 21, с. 270–278.
30. Khazieva R., Aflyatunov R., Vasilyev P. Investigation of LC Filter Function Based on Multifunctional Integrated Electromagnetic Component. – International Ural Conference on Electrical Power Engineering (UralCon), 2022, pp. 16–20, DOI: 10.1109/UralCon54942.2022.9906768.
31. 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, с. 49–55.
32. Бутырин П.А. и др. Математическая модель фильтрокомпенсирующих устройств на основе гармонической линеаризации характеристики магнитопровода каткона. – Вестник МЭИ, 2015, № 5, с. 79–84.
33. Бутырин П.А. и др. Идентификация математической модели фильтрокомпенсирующего устройства на основе каткона с учетом нелинейной характеристики магнитопровода. – Электричество, 2017, № 10, с. 55–60.
34. Бутырин П.А. и др. Математическое и физическое моделирование фильтрокомпенсирующего устройства на основе каткона. – Электричество, 2014, № 11, с. 58–62.
35. Пат. RU 2632412 C1. Индуктивно-емкостный преобразователь / С.Г. Конесев, Р.Т. Хазиева, Т.А. Бочкарева, 2017.
36. 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.
37. Konesev S.G. et al. Research on Stabilization Properties of Inductive-Capacitive Transducers Based on Hybrid Electromagnetic Elements. – Journal of Physics: Conference Series, 2017, vol. 803, No 1. DOI: 10.1088/1742-6596/803/1/012076.
38. 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, 2016, DOI: 10.1109/Dynamics.2016.7819030.
39. Конесев С.Г., Хазиева Р.Т. Математическое и физическое моделирование индуктивно-емкостных преобразователей. – Электричество, 2020, № 1, с. 32–38.
40. Sattarov R. et al. Amplitude-Frequency Characteristic of a MIEC-Based Filter for DC/DC Converters. – International Conference on Industrial Engineering, Applications and Manufacturing (ICIEAM), 2022, pp. 362–367, DOI: 10.1109/ICIEAM54945.2022.9787145.
41. Ларин В.С. Входная проводимость и частотная характеристика обмотки силового трансформатора. – Электричество, 2022, № 8, с. 33–39
---
Исследование выполнено на средства гранта Стипендии Президента Российской Федерации в 2022–2024 гг. для молодых ученых и аспирантов, осуществляющих перспективные научные исследования и разработки по приоритетным направлениям модернизации российской экономики. Грантополучатель Хазиева Регина Тагировна. Тема исследований «Разработка и исследование фильтрокомпенсирующего устройства для повышения качества электроэнергии»
#
1. Varganova А.V. Vestnik YuUrGU. Seriya «Energetika» – in Russ. (Bulletin of SUSU. Power Engineering Series), 2017, vol. 17, No. 3, pp. 76–85.
2. Kuznetsov R.V., Fedotov Е.А. Problemy energetiki – in Russ. (Power Engineering Problems), 2013, No. 3-4, с. 82–88.
3. Abramovich B.N. et al. Promyshlennaya energetika – in Russ. (Industrial Power Engineering), 2009, No. 7, pp. 25–28.
4. Vershinin N.F., Karpov A.M., Kuznetsov S.V. Elektrichestvo – in Russ. (Electricity), 2022, No. 9, pp. 53–65.
5. Iskhakov A.S. et al. Elektrichestvo – in Russ. (Electricity), 2022, № 12, с. 48–58.
6. Sychev Yu.А. Fil'trokompensiruyushchie ustroystva s aktivnymi preobrazovatelyami dlya povysheniya kachestva elektroenergii v elektrotekhnicheskih kompleksah neftegazovyh predpriyatiy: dis. … kand. tekhn. nauk (Filter-Compensating Devices with Active Converters for Improving the Quality of Electricity in Electrical Complexes of Oil and Gas Enterprises: Dis. ... Cand. Sci. (Eng.)). SPb., 2021, 365 p.
7. Girshin S.S., Vladimirov L.V. Metody rascheta i optimizatsii elektroenergeticheskih sistem: konspekt lektsiy (Methods of Calculation and Optimization of Electric Power Systems: Lecture Notes). Omsk: Izd-vo OmGTU, 2010, 48 p.
8. Tkachenko S.V., Nich Yu.B., Korovkin N.V. Elektrichestvo – in Russ. (Electricity), 2018, No. 7, pp. 4–18.
9. Abramovich B.N. et al. Neftyanoe hozyaystvo – in Russ. (Oil Industry), 2013, No. 10, pp. 126–127.
10. Golubchik T.V., Kulikov A.S., Al'-Antaki А.М.А. Elektrichestvo – in Russ. (Electricity), 2022, No. 9, pp. 66–76.
11. Tsitsikyan G.N., Antipov M.Yu. Elektrichestvo – in Russ. (Electricity), 2023, No. 1, pp. 52–56.
12. Hidayatullah N.A., Paracha Z.J., Kalam A. Impact of Distributed Generation on Smart Grid Transient Stability. – Smart Grid and Renewable Energy, 2011, vol. 2, pp. 99–109.
13. Prasad T.N., Mohan V.C.J., Reddy V.C.V. Harmonic Reduction in Hybrid Filters for Power Quality Improvement in Distribution Systems. – Journal of Theoretical and Applied Information Technology, 2012, vol. 35, No.1, pp. 44–55.
14. Sattarov R., Khazieva R., Ivanov M. Integrated LC-Components for Electrical Systems and Devices. – International Ural Conference on Electrical Power Engineering (UralCon): 2021, DOI:10.1109/UralCon52005.2021.9559527.
15. Budunova K.A., Kravchenko V.F. Low-Pass Filters on Atomic Functions ha(x) and Their Application in Digital to Analog Conversion. – Physical Bases of Instrumentation, 2021, vol. 10, No. 1(39), pp. 26–35, DOI:10.25210/jfop-2101-026035.
16. Laforge P.D., Mansour R.R., Yu M. The Use of Low-Pass Filters as Impedance Inverters for Highly Miniaturized Superconducting Bandstop Filter Designs. – IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 2011, vol. 21, No. 3, pp. 575–578, DOI: 10.1109/TASC.2010.2087733.
17. Miheev D.V. Elektrichestvo – in Russ. (Electricity), 2018. No. 9, pp. 52–55.
18. Jung J.-H. Bifilar Winding of a Center-Tapped Transformer Including Integrated Resonant Inductance for LLC Resonant Converters. – IEEE Transactions on Power Electronics, 2013, vol. 28, No. 2, pp. 615–620, DOI: 10.1109/TPEL.2012.2213097.
19. Long X. et al. The Structure and Modelling Method of Integrated LLC Transformer with Wide Range Resonant Inductance Regulation. – IEEE 1st International Power Electronics and Application Symposium (PEAS), 2021, DOI:10.1109/PEAS53589.2021.9628473.
20. Butyrin P.А. et al. Vestnik MEI – in Russ. (Bulletin of MPEI), 2018, No. 4, pp. 81–88.
21. Butyrin P.A., Gusev G.G., Kuzhman V.V. Izvestiya RAN. Energetika – in Russ. (News of the Russian Academy of Sciences. Power Engineering), 2014, No. 2, pp. 130–135.
22. Butyrin P.А. et al. Izvestiya RAN. Energetika – in Russ. (News of the Russian Academy of Sciences. Power Engineering), 2015, No. 2, pp. 69–75.
23. Pаt. RU 2585248 C2. Mnogofunktsional'nyy integrirovannyy elektromagnitnyy komponent (Multifunctional Integrated Electro-magnetic Component) / S.G. Konesev, 2016.
24. Wang Y.L. et al. Component-Based Functional Integrated Circuit System Design and Its Straight Implementation. – International Journal of Engineering and Industries, 2011, vol. 2(4), DOI:10.4156/ijei.vol2.issue4.3.
25. Pаt. SU1492453A1. Spiral'nyy generator impul'sov napryazheniya (Spiral Voltage Pulse Generator) / V.I. Mel'nikov et al., 1989.
26. Kaban V.P. Sb. Instituta elektrodinamiki NAN Ukrainy – in Russ. (Collection of the Institute of Electrodynamics of the National Academy of Sciences of Ukraine). Kiev, 2012, No. 33, pp. 87–91.
27. Gubarevich V.N. et al. Sb. Instituta elektrodinamiki NAN Ukrainy – in Russ. (Collection of the Institute of Electrodynamics of the National Academy of Sciences of Ukraine). Kiev, 2010, No. 25, pp. 114–118.
28. Kaban V.P. et al. Sb. Instituta elektrodinamiki NAN Ukrainy – in Russ. (Collection of the Institute of Electrodynamics of the National Academy of Sciences of Ukraine). Kiev, 2012, No. 33, pp. 83–87.
29. Brylina O.G., Gel'man M.V. Elektrotekhnicheskie sistemy i kompleksy – in Russ. (Electrical Systems and Complexes), 2013, No. 21, pp. 270–278.
30. Khazieva R., Aflyatunov R., Vasilyev P. Investigation of LC Filter Function Based on Multifunctional Integrated Electromagnetic Component. International Ural Conference on Electrical Power Engineering (UralCon), 2022, pp. 16–20, DOI: 10.1109/UralCon54942. 2022.9906768.
31. Konesev S.G., Hazieva R.T. Elektrotekhnicheskie sistemy i kompleksy – in Russ. (Electrical Systems and Complexes), 2017, No. 1, pp. 49–55.
32. Butyrin P.А. et al. Vestnik MEI – in Russ. (Bulletin of MPEI), 2015, No. 5, pp. 79–84.
33. Butyrin P.А. et al. Elektrichestvo – in Russ. (Electricity), 2017, No. 10, pp. 55–60.
34. Butyrin P.А. et al. Elektrichestvo – in Russ. (Electricity), 2014, No. 11, pp. 58–62.
35. Pаt. RU 2632412 C1. Induktivno-emkostnyy preobrazovatel' (Inductive-Capacitive Converter) / S.G. Konesev, R.T. Hazieva, T.A. Bochkareva, 2017.
36. Konesev S.G., Hazieva R.T., Kirillov R.V. Vestnik UGATU – in Russ. (Bulletin of USPTU), 2015, vol. 19, No. 4 (70), pp. 66–71.
37. Konesev S.G. et al. Research on Stabilization Properties of Inductive-Capacitive Transducers Based on Hybrid Electromagnetic Elements. – Journal of Physics: Conference Series, 2017, vol. 803, No 1. DOI: 10.1088/1742-6596/803/1/012076.
38. 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, 2016, DOI: 10.1109/Dynamics.2016.7819030.
39. Konesev S.G., Hazieva R.Т. Elektrichestvo – in Russ. (Electricity), 2020, No. 1, pp. 32–38.
40. Sattarov R. et al. Amplitude-Frequency Characteristic of a MIEC-Based Filter for DC/DC Converters. – International Conference on Industrial Engineering, Applications and Manufacturing (ICIEAM), 2022, pp. 362–367, DOI: 10.1109/ICIEAM54945.2022.9787145.
41. Larin V.S. Elektrichestvo – in Russ. (Electricity), 2022, No. 8, pp. 33–39.
---
The research was carried out at the expense of the grant of the Scholarship of the President of the Russian Federation in 2022-2024 for young scientists and postgraduates engaged in promising research and development in priority areas of modernization of the Russian economy. Grantee Khazieva Regina Tagirovna. The research topic is "Development and research of a filter-compensating device to improve the quality of electricity".
Опубликован
2023-06-29
Раздел
Статьи