Трехфазный транзисторный матричный преобразователь частоты с ультраразреженной топологией: свойства и возможности применения
Ключевые слова:
матричные преобразователи частоты, секционирование, ультраразреженная топология, динамические потери, энергетические свойства, коэффициент гармонических искажений, компьютерное моделирование
Аннотация
Статья посвящена разработке алгоритма управления матричного преобразователя частоты в секционированном варианте, позволяющего обеспечить высокие энергетические показатели. Дана математическая основа и приведены принципы построения схем трехфазных матричных преобразователей частоты, имеющих, по сравнению с классической топологией, лучшие энергетические показатели. Предложен новый для отечественной электротехнической промышленности вариант реализации матричного преобразователя в секционированном виде. Программный пространственно-векторный способ управления позволяет увеличить КПД преобразователя (до 98 % и выше) и обеспечить синусоидальный характер тока сетевого источника с малым коэффициентом гармонических искажений и нулевой фазовый сдвиг тока сети по отношению к соответствующему фазному напряжению. Изложены принципиальные подходы снижения динамических потерь в матричном преобразователе. Показана технология совместного синхронизированного управления выпрямительной и инверторной секциями с переключением транзисторов выпрямительной секции без потерь при нулевом токе. Разработана интерактивная имитационная модель секционированного матричного преобразователя частоты по ультраразреженной топологии. Предложенный алгоритм управления преобразователем реализован в модели в форме m-файла. Средствами компьютерного моделирования получены результаты, подтверждающие высокие энергетические показатели секционированного преобразователя частоты.
Литература
1. Purnama H.S., Sutikno T., Facta M. Modulation Strategies for Indirect Matrix Converter: Complexity, Quality and Performance. – 5th International Conference on Electrical Engineering, Computer Science and Informatics (EECSI), 2018, pp. 97–100, DOI: 10.1109/EECSI.2018.8752702
2. Ammar A. et al. A Review on Three-Phase AC/AC Power Converters Derived from the Conventional Indirect Matrix Converter. – IEEE International Conference on Industrial Technology (ICIT), 2020, pp. 432– 437, DOI: 10.1109/ICIT45562.2020.9067114.
3. Friedli T. et al. Comparative Evaluation of Three-Phase AC–AC Matrix Converter and Voltage DC-Link Back-to-Back Converter Systems. – IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2012, vol. 59, No. 12, pp. 4487–4510, DOI: 10.1109/TIE.2011.2179278.
4. Siva V. et al. Ultra Sparse Matrix Converter with Impedance Network to Enhance the Voltage Gain. – IEEE 2nd International Conference on Sustainable Energy and Future Electric Transportation (SeFeT), 2022, DOI: 10.1109/SeFeT55524.2022.9909480.
5. Khaki B., Bahari M.I., Afjei S.E. DFIG Wind Turbines with Very Sparse and Sparse Matrix Converters to Control Frequency. – 8th Power Electronics, Drive Systems & Technologies Conference (PEDSTC), 2017, DOI: 10.1109/PEDSTC.2017.7910317.
6. Yuhendri M., Ahyanuardi A., Aswardi A. Direct Torque Control Strategy of PMSM Employing Ultra Sparse Matrix Converter. – International Journal of Power Electronics and Drive Systems (IJPEDS), 2018, 9(1), pp. 64–72, DOI: 10.11591/ijpeds.v9n1.pp64-72.
7. Li D. et al. Hybrid Modulation Strategy for Two-Stage Matrix Converter and its Application in Vector Control of Doubly Fed Induction Generato. – Journal of Advanced Computational Intelligence and Intelligent Informatics, 2016, vol. 20, No.1, pp. 171–180, DOI: 10.20965/jaciii.2016.p0171.
8. Shi T. et al. Harmonic Spectrum of Output Voltage for Space Vector Pulse Width Modulated Ultra Sparse Matrix Converter. – Energies, 2018,11(2): 390; DOI:10.3390/en11020390.
9. Gong Z. et al. Design and Evaluation of a Virtual Vector Based Modulated Model Predictive Control for the Indirect Matrix Converters with Improved Performance. – IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2022, vol. 69, No. 12, pp. 12019–12029, DOI: 10.1109/ TIE.2021.3130320.
10. Kislyakov M.A. et al. Improving the Characteristics of a Matrix Frequency Converter by Using Sliding Modes for the Control of Transistor Switching. – AIP Conference Proceedings, 2021, 2402, 030014, DOI:10.1063/5.0071855.
11. Курилин С.П., Соколов А.М., Прокимнов Н.Н. Компьютерная программа для моделирования показателей технического состояния электромеханических систем. – Прикладная информатика, 2022, т. 17, № 2, с.105–119.
12. Крутиков К.К., Кисляков М.А., Рожков В.В. Управление матричным непосредственным преобразователем частоты вторичных источников электропитания автономных объектов. – Электричество, 2021, № 7, с. 41–50.
13. Дарьенков А.Б. и др. Сравнительное имитационное моделирование работы матричного преобразователя частоты со скалярным и пространственно-векторным алгоритмами управления. – Труды НГТУ им. Р.Е. Алексеева, 2018, № 4 (123), с. 89– 99.
14. Климов В.Н., Климова С.В. Двунаправленные ключи в матричных структурах преобразователей переменного тока. – Силовая электроника, 2008, № 4, с. 58– 61.
15. Морозов А.В., Барсуков В.К., Морозов В.А. Алгоритмы управления и схемотехника матричного преобразователя частоты. – Интеллектуальные системы в производстве, 2014, № 1 (23), с. 140–144.
16. Поляков А.С. Применение непрямых матричных преобразователей с частотно-токовым управлением для систем вентиляции автономных объектов. – VII Международная научно-техническая конференция «Электромеханические преобразователи энергии», Томск, 2015, с. 254–258.
---
Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 22-61-00096, https://rscf.ru/project/22-61-00096.
#
1. Purnama H.S., Sutikno T., Facta M. Modulation Strategies for Indirect Matrix Converter: Complexity, Quality and Performance. – 5th International Conference on Electrical Engineering, Computer Science and Informatics (EECSI), 2018, pp. 97–100, DOI: 10.1109/EECSI.2018.8752702
2. Ammar A. et al. A Review on Three-Phase AC/AC Power Converters Derived from the Conventional Indirect Matrix Converter. – IEEE International Conference on Industrial Technology (ICIT), 2020, pp. 432– 437, DOI: 10.1109/ICIT45562.2020.9067114.
3. Friedli T. et al. Comparative Evaluation of Three-Phase AC–AC Matrix Converter and Voltage DC-Link Back-to-Back Converter Systems. – IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2012, vol. 59, No. 12, pp. 4487–4510, DOI: 10.1109/TIE.2011.2179278.
4. Siva V. et al. Ultra Sparse Matrix Converter with Impedance Network to Enhance the Voltage Gain. – IEEE 2nd International Conference on Sustainable Energy and Future Electric Transportation (SeFeT), 2022, DOI: 10.1109/SeFeT55524.2022.9909480.
5. Khaki B., Bahari M.I., Afjei S.E. DFIG Wind Turbines with Very Sparse and Sparse Matrix Converters to Control Frequency. – 8th Power Electronics, Drive Systems & Technologies Conference (PEDSTC), 2017, DOI: 10.1109/PEDSTC.2017.7910317.
6. Yuhendri M., Ahyanuardi A., Aswardi A. Direct Torque Control Strategy of PMSM Employing Ultra Sparse Matrix Converter. – International Journal of Power Electronics and Drive Systems (IJPEDS), 2018, 9(1), pp. 64–72, DOI: 10.11591/ijpeds.v9n1.pp64-72.
7. Li D. et al. Hybrid Modulation Strategy for Two-Stage Matrix Converter and its Application in Vector Control of Doubly Fed Induction Generato. – Journal of Advanced Computational Intelligence and Intelligent Informatics, 2016, vol. 20, No.1, pp. 171–180, DOI: 10.20965/jaciii.2016.p0171.
8. Shi T. et al. Harmonic Spectrum of Output Voltage for Space Vector Pulse Width Modulated Ultra Sparse Matrix Converter. – Energies, 2018,11(2): 390; DOI:10.3390/en11020390.
9. Gong Z. et al. Design and Evaluation of a Virtual Vector Based Modulated Model Predictive Control for the Indirect Matrix Converters with Improved Performance. – IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2022, vol. 69, No. 12, pp. 12019–12029, DOI: 10.1109/ TIE.2021.3130320.
10. Kislyakov M.A. et al. Improving the Characteristics of a Matrix Frequency Converter by Using Sliding Modes for the Control of Transistor Switching. – AIP Conference Proceedings, 2021, 2402, 030014, DOI:10.1063/5.0071855.
11. Kurilin S.P., Sokolov A.M., Prokimnov N.N. Prikladnaya informatika – in Russ. (Applied Computer Science), 2022, vol. 17, No. 2, pp.105–119.
12. Krutikov K.K., Kislyakov M.A., Rozhkov V.V. Elektrichestvo – in Russ. (Electricity), 2021, No. 7, pp. 41–50.
13. Dar'enkov А.B. et al. Trudy NGTU im. R.E. Alekseeva – in Russ. (Proceedings of the NSTU n.a. R.E. Alekseev), 2018, No. 4 (123), pp. 89– 99.
14. Klimov V.N., Klimova S.V. Silovaya elektronika – in Russ. (Power Electronics), 2008, No. 4, pp. 58– 61.
15. Morozov A.V., Barsukov V.K., Morozov V.А. Intellektual'nye sistemy v proizvodstve – in Russ. (Intelligent Systems in Production), 2014, No. 1 (23), pp. 140–144.
16. Polyakov А.S. VII Mezhdunarodnaya nauchno-tekhnicheskaya konferentsiya «Elektromekhanicheskie preobrazovateli energii» – in Russ. (VII Int. Scientific and Technical Conference "Electromechanical Energy Converters"), Тоmsk, 2015, pp. 254–258.
---
The research was financially supported by the Russian Science Foundation, grant no. 22-61-00096, https://rscf.ru/project/22-61-00096.
2. Ammar A. et al. A Review on Three-Phase AC/AC Power Converters Derived from the Conventional Indirect Matrix Converter. – IEEE International Conference on Industrial Technology (ICIT), 2020, pp. 432– 437, DOI: 10.1109/ICIT45562.2020.9067114.
3. Friedli T. et al. Comparative Evaluation of Three-Phase AC–AC Matrix Converter and Voltage DC-Link Back-to-Back Converter Systems. – IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2012, vol. 59, No. 12, pp. 4487–4510, DOI: 10.1109/TIE.2011.2179278.
4. Siva V. et al. Ultra Sparse Matrix Converter with Impedance Network to Enhance the Voltage Gain. – IEEE 2nd International Conference on Sustainable Energy and Future Electric Transportation (SeFeT), 2022, DOI: 10.1109/SeFeT55524.2022.9909480.
5. Khaki B., Bahari M.I., Afjei S.E. DFIG Wind Turbines with Very Sparse and Sparse Matrix Converters to Control Frequency. – 8th Power Electronics, Drive Systems & Technologies Conference (PEDSTC), 2017, DOI: 10.1109/PEDSTC.2017.7910317.
6. Yuhendri M., Ahyanuardi A., Aswardi A. Direct Torque Control Strategy of PMSM Employing Ultra Sparse Matrix Converter. – International Journal of Power Electronics and Drive Systems (IJPEDS), 2018, 9(1), pp. 64–72, DOI: 10.11591/ijpeds.v9n1.pp64-72.
7. Li D. et al. Hybrid Modulation Strategy for Two-Stage Matrix Converter and its Application in Vector Control of Doubly Fed Induction Generato. – Journal of Advanced Computational Intelligence and Intelligent Informatics, 2016, vol. 20, No.1, pp. 171–180, DOI: 10.20965/jaciii.2016.p0171.
8. Shi T. et al. Harmonic Spectrum of Output Voltage for Space Vector Pulse Width Modulated Ultra Sparse Matrix Converter. – Energies, 2018,11(2): 390; DOI:10.3390/en11020390.
9. Gong Z. et al. Design and Evaluation of a Virtual Vector Based Modulated Model Predictive Control for the Indirect Matrix Converters with Improved Performance. – IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2022, vol. 69, No. 12, pp. 12019–12029, DOI: 10.1109/ TIE.2021.3130320.
10. Kislyakov M.A. et al. Improving the Characteristics of a Matrix Frequency Converter by Using Sliding Modes for the Control of Transistor Switching. – AIP Conference Proceedings, 2021, 2402, 030014, DOI:10.1063/5.0071855.
11. Курилин С.П., Соколов А.М., Прокимнов Н.Н. Компьютерная программа для моделирования показателей технического состояния электромеханических систем. – Прикладная информатика, 2022, т. 17, № 2, с.105–119.
12. Крутиков К.К., Кисляков М.А., Рожков В.В. Управление матричным непосредственным преобразователем частоты вторичных источников электропитания автономных объектов. – Электричество, 2021, № 7, с. 41–50.
13. Дарьенков А.Б. и др. Сравнительное имитационное моделирование работы матричного преобразователя частоты со скалярным и пространственно-векторным алгоритмами управления. – Труды НГТУ им. Р.Е. Алексеева, 2018, № 4 (123), с. 89– 99.
14. Климов В.Н., Климова С.В. Двунаправленные ключи в матричных структурах преобразователей переменного тока. – Силовая электроника, 2008, № 4, с. 58– 61.
15. Морозов А.В., Барсуков В.К., Морозов В.А. Алгоритмы управления и схемотехника матричного преобразователя частоты. – Интеллектуальные системы в производстве, 2014, № 1 (23), с. 140–144.
16. Поляков А.С. Применение непрямых матричных преобразователей с частотно-токовым управлением для систем вентиляции автономных объектов. – VII Международная научно-техническая конференция «Электромеханические преобразователи энергии», Томск, 2015, с. 254–258.
---
Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 22-61-00096, https://rscf.ru/project/22-61-00096.
#
1. Purnama H.S., Sutikno T., Facta M. Modulation Strategies for Indirect Matrix Converter: Complexity, Quality and Performance. – 5th International Conference on Electrical Engineering, Computer Science and Informatics (EECSI), 2018, pp. 97–100, DOI: 10.1109/EECSI.2018.8752702
2. Ammar A. et al. A Review on Three-Phase AC/AC Power Converters Derived from the Conventional Indirect Matrix Converter. – IEEE International Conference on Industrial Technology (ICIT), 2020, pp. 432– 437, DOI: 10.1109/ICIT45562.2020.9067114.
3. Friedli T. et al. Comparative Evaluation of Three-Phase AC–AC Matrix Converter and Voltage DC-Link Back-to-Back Converter Systems. – IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2012, vol. 59, No. 12, pp. 4487–4510, DOI: 10.1109/TIE.2011.2179278.
4. Siva V. et al. Ultra Sparse Matrix Converter with Impedance Network to Enhance the Voltage Gain. – IEEE 2nd International Conference on Sustainable Energy and Future Electric Transportation (SeFeT), 2022, DOI: 10.1109/SeFeT55524.2022.9909480.
5. Khaki B., Bahari M.I., Afjei S.E. DFIG Wind Turbines with Very Sparse and Sparse Matrix Converters to Control Frequency. – 8th Power Electronics, Drive Systems & Technologies Conference (PEDSTC), 2017, DOI: 10.1109/PEDSTC.2017.7910317.
6. Yuhendri M., Ahyanuardi A., Aswardi A. Direct Torque Control Strategy of PMSM Employing Ultra Sparse Matrix Converter. – International Journal of Power Electronics and Drive Systems (IJPEDS), 2018, 9(1), pp. 64–72, DOI: 10.11591/ijpeds.v9n1.pp64-72.
7. Li D. et al. Hybrid Modulation Strategy for Two-Stage Matrix Converter and its Application in Vector Control of Doubly Fed Induction Generato. – Journal of Advanced Computational Intelligence and Intelligent Informatics, 2016, vol. 20, No.1, pp. 171–180, DOI: 10.20965/jaciii.2016.p0171.
8. Shi T. et al. Harmonic Spectrum of Output Voltage for Space Vector Pulse Width Modulated Ultra Sparse Matrix Converter. – Energies, 2018,11(2): 390; DOI:10.3390/en11020390.
9. Gong Z. et al. Design and Evaluation of a Virtual Vector Based Modulated Model Predictive Control for the Indirect Matrix Converters with Improved Performance. – IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2022, vol. 69, No. 12, pp. 12019–12029, DOI: 10.1109/ TIE.2021.3130320.
10. Kislyakov M.A. et al. Improving the Characteristics of a Matrix Frequency Converter by Using Sliding Modes for the Control of Transistor Switching. – AIP Conference Proceedings, 2021, 2402, 030014, DOI:10.1063/5.0071855.
11. Kurilin S.P., Sokolov A.M., Prokimnov N.N. Prikladnaya informatika – in Russ. (Applied Computer Science), 2022, vol. 17, No. 2, pp.105–119.
12. Krutikov K.K., Kislyakov M.A., Rozhkov V.V. Elektrichestvo – in Russ. (Electricity), 2021, No. 7, pp. 41–50.
13. Dar'enkov А.B. et al. Trudy NGTU im. R.E. Alekseeva – in Russ. (Proceedings of the NSTU n.a. R.E. Alekseev), 2018, No. 4 (123), pp. 89– 99.
14. Klimov V.N., Klimova S.V. Silovaya elektronika – in Russ. (Power Electronics), 2008, No. 4, pp. 58– 61.
15. Morozov A.V., Barsukov V.K., Morozov V.А. Intellektual'nye sistemy v proizvodstve – in Russ. (Intelligent Systems in Production), 2014, No. 1 (23), pp. 140–144.
16. Polyakov А.S. VII Mezhdunarodnaya nauchno-tekhnicheskaya konferentsiya «Elektromekhanicheskie preobrazovateli energii» – in Russ. (VII Int. Scientific and Technical Conference "Electromechanical Energy Converters"), Тоmsk, 2015, pp. 254–258.
---
The research was financially supported by the Russian Science Foundation, grant no. 22-61-00096, https://rscf.ru/project/22-61-00096.
