Науковий вісник НГУ

Методика оптимізації частоти комутації в перетворювачах частоти

• 
• 

Рейтинг користувача:  / 0

ГіршийКращий 

Деталі

Категорія: Зміст №1 2021

Останнє оновлення: 10 березня 2021

Опубліковано: 30 листопада -0001

Перегляди: 1697

Authors:

В. П. Нерубацький, orcid.org/0000-0002-4309-601X, Український державний університет залізничного транспорту, м. Харків, Україна, e-mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.

О. А. Плахтій, orcid.org/0000-0002-1535-8991, Український державний університет залізничного транспорту, м. Харків, Україна, e-mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.

Д. В. Тугай, orcid.org/0000-0003-2617-0297, Харківський національний університет міського господарства імені О. М. Бекетова, м. Харків, Україна, e-mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.

Д. А. Гордієнко, orcid.org/0000-0002-0347-5656, Український державний університет залізничного транспорту, м. Харків, Україна, e-mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.

повний текст / full article

Naukovyi Visnyk Natsionalnoho Hirnychoho Universytetu. 2021, (1): 103 - 110

https://doi.org/10.33271/nvngu/2021-1/103

Abstract:

Мета. Представити методику визначення оптимальної частоти комутації в перетворювачах частоти та автономних інверторах напруги, навантаженням яких є асинхронний електродвигун. Методика базується на визначенні залежностей статичних і динамічних втрат потужності в силових ключах інвертора від частоти комутації та залежності втрат потужності в обмотках асинхронного двигуна від вищих гармонік струмів, що також залежать від частоти комутації.

Методика. Поліноміальна апроксимація енергетичних характеристик силових транзисторів. Загальні положення теорії електричних кіл. Визначення додаткових втрат потужності в обмотках асинхронного двигуна від вищих гармонік виконано на базі аналітичного розрахунку та імітаційного моделювання у програмному середовищі Matlab/Simulink і спеціалізованої програми від виробника силових ключів Mitsubishi – MelcoSim 5.1.

Результати. Представлена методика оптимізації частоти широтно-імпульсної модуляції в перетворювачах частоти, навантаженням яких є асинхронний двигун, за критерієм мінімуму сумарних втрат потужності в силових транзисторах інвертора та опорі обмоток двигуна. Запропонована методика розрахунку дозволяє у програмному середовищі MelcoSim із досить високою точністю визначати залежність статичних і динамічних втрат в силових IGBT-транзисторах. Для розрахунку втрат у двигуні показано, що частота комутації силових ключів впливає на коефіцієнт гармонічних спотворень і середньоквадратичне значення фазного струму асинхронного двигуна. За умови, що корисну дію в асинхронному двигуні виконує лише перша гармоніка струму, приведена залежність додаткових втрат потужності від частоти комутації.

Наукова новизна. Представлена методика оптимізації частоти широтно-імпульсної модуляції за критерієм мінімуму додаткових втрат потужності в опорі обмоток двигуна від вищих гармонік струму та статичних і динамічних втрат у силових транзисторах інвертора. Представлена аналітична залежність додаткових втрат потужності в активному опорі обмоток асинхронних двигунів у функції коефіцієнта гармонічних спотворень фазного струму автономного інвертора напруги.

Практична значимість. Представлена методика дозволяє визначити оптимальну частоту модуляції в перетворювачах частоти з асинхронними двигунами й забезпечити мінімальні сумарні втрати потужності й максимальне значення ККД у системі «автономний інвертор напруги – асинхронний двигун».

Ключові слова: частота комутації, вищі гармоніки струму, втрати потужності, коефіцієнт гармонічних спотворень, імітаційне моделювання, перетворювач частоти, асинхронний двигун

References.

1. Blahnik, V., & Talla, J. (2016). Single-phase synchronization for traction active rectifier. International Conference on Applied Electronics (AE). https://doi.org/10.1109/ae.2016.7577233.

2. Plakhtii, O. A., Nerubatskyi, V. P., Kavun, V. Ye., & Hordiienko, D. A. (2019). Active single-phase four-quadrant rectifier with improved hysteresis modulation algorithm. Naukovyi Visnyk Natsionalnoho Hirnychoho Universytetu, (5), 93-98. https://doi.org/10.29202/nvngu/2019-5/16.

3. Ahmadzadeh, Т., Sabahi, М., & Babaei, E. (2017). Modified PWM control method for neutral point clamped multilevel inverters. 14 ^th International Conference on Electrical Engineering /Electronics, Computer, Telecommunications and Information Technology (ECTI-CON), 765-768. https://doi.org/10.1109/ECTICon.2017.8096351.

4. Maurya, S., Mishra, D., Singh, K., Mishra, A. K., & Pandey, Y. (2019). An Efficient Technique to reduce Total Harmonics Distortion in Cascaded H-Bridge Multilevel Inverter. 2019 IEEE International Conference on Electrical, Computer and Communication Technologies (ICECCT). https://doi.org/10.1109/icecct.2019.8869424.

5. Rezinkin, O., Rezinkina, M., Danyluk, A., & Tomashev­skyi, R. (2019). Formation of high-voltage pulses with nanosecond fronts in low-impedance loads. 2019 IEEE 2 ^nd Ukraine Conference on Electrical and Computer Engineering (UKRCON), 464-467. https://doi.org/10.1109/UKRCON.2019.8880015.

6. Bouzida, A., Abdelli, R., & Ouadah, M. (2016). Calculation of IGBT power losses and junction temperature in inverter drive. 2016 8 ^th International Conference on Modelling, Identification and Control (ICMIC), 768-773. https://doi.org/10.1109/icmic.2016.7804216.

7. Onederra, O., Kortabarria, I., de Alegria, I. M., Andreu, J., & Garate, J. I. (2017). Three-phase VSI optimal switching loss reduction using variable switching frequency. IEEE Transactions on Power Electronics, 32(8), 6570–6576. https://doi.org/10.1109/tpel.2016.2616583.

8. Plakhtii, O., Nerubatskyi, V., Khomenko, I., Tsybulnyk, V., & Syniavskyi, A. (2020). Comprehensive study of cascade multilevel inverters with three level cells. 2020 IEEE 7 ^th International Conference on Energy Smart Systems (ESS), 277-282. https://doi.org/10.1109/ESS50319.2020.9160258.

9. Gervasio, F., Mastromauro, R., & Liserre, M. (2015). Power losses analysis of two-levels and three-levels PWM inverters handling reactive power. IEEE International Conference on Industrial Technology (ICIT), 1123-1128. https://doi.org/10.1109/icit.2015.7125248.

10. Rodder, S., Biswas, M., & Khan, Z. (2016). A modified PWM technique to improve total harmonic distirtion of multilevel inverter. 9 ^th International Conference on Electrical and Computer Engineering (ICECE), 4654. https://doi.org/10.1109/ICECE.2016.7853970.

11. Martinez, C., Lazaro, A., Quesada, I., Lucena, C., Barrado, A., & Vazquez, R. (2012). THD minimization for railway applications through harmonic spectrum optimization. 2012 Twenty-Seventh Annual IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition (APEC). https://doi.org/10.1109/apec.2012.6166035.

12. Shobini, M. M., Kamala, J., & Rathna, R. (2017). Analysis and simulation of flying capacitor multilevel inverter using PDPWM strategy. 2017 International Conference on Innovative Mechanisms for Industry Applications (ICIMIA), 91-95. https://doi.org/10.1109/ICIMIA.2017.7975578.

13. Ferdowsi, F., Yazdankhah, A. S., & Rohani, H. (2014). A combinative method to control output power fluctuations of large grid-connected photovoltaic systems. 2014 14 ^th International Conference on Environment and Electrical Engineering. https://doi.org/10.1109/EEEIC.2014.6835875.

14. Plakhtii, O., Nerubatskyi, V., Sushko, D., Hordiienko, D., & Khoruzhevskyi, H. (2020). Improving the harmonic composition of output voltage in multilevel inverters under an optimum mode of amplitude modulation. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 2(8(104)), 17-24. https://doi.org/10.15587/1729-4061.2020.200021.

15. Yang, S., Wang, P., & Tang, Y. (2017). Feedback linearization-based current control strategy for modular multilevel converters. IEEE Transactions on Power Electronics, 33(1), 161-174. https://doi.org/10.1109/TPEL.2017.2662062.

16. Plakhtii, O. A., Nerubatskyi, V. P., Hordiienko, D. A., & Kho­ruzhevskyi, H. A. (2020). Calculation of static and dynamic losses in power IGBT-transistors by polynomial approximation of basic energy characteristics. Naukovyi Visnyk Natsionalnoho Hirnychoho Universytetu, (2), 82-88. https://doi.org/10.33271/nvngu/2020-2/082.

17. Shruti, K. K., Valsalan, T., & Poorani, S. (2017). Single phase active front end rectifier system employed in three phase variable frequency drive. International Journal of Innovative Research in Electrical, Electronics, Instrumentation and Control Engineering, 5(1), 121-129. https://doi.org/10.17148/IJIREEICE.

18. Artemenko, M. Y., Batrak, L. M., Polishchuk, S. Y., My­khal­skyi, V. M., & Shapoval, I. A. (2016). The effect of load power factor on the efficiency of three-phase four-wire power system with shunt active filter. 2016 IEEE 36 ^th International Conference on Electronics and Nanotechnology (ELNANO). https://doi.org/10.1109/elnano.2016.7493067.

19. Kazakov, Yu. B., & Shvetsov, N. K. (2015). Calculated analysis of losses in steel asynchronous motors when powered by frequency converters with non-sinusoidal output voltage. ISUE Bulletin, 5, 1-5.

20. Petrenko, A. N., Tanyanskyi, V. I., & Petrenko, N. Y. (2012). Additional power loss in a frequency-controlled induction motor due to voltage higher harmonics. Electrical engineering & electromechanics, 5, 34-35.

21. Kazakov, Yu. B., & Shvetsov, N. K. (2017). Calculating analysis of steel losses in induction motors fed by frequency converters with non-sinusoidal output voltage. International conference “Actual problems of electromechanics and electrical technologies APEET–2017”, 163-168. https://doi.org/10.17588/2072-2672.2015.5.042-046.

22. Lin, D., Zhou, P., Fu, W. N., Badics, Z., & Cendes, Z. J. (2004). A Dynamic Core Loss Model for Soft Ferromagnetic and Power Ferrite Materials in Transient Finite Element Analysis. IEEE Transactions on Magnetics, 40(2), 1318-1321. https://doi.org/10.1109/tmag.2004.825025.

• < Попередня
• Наступна >