Двухфазная синусоидальная широтно-импульсная модуляция с перемодуляцией в системе «преобразователь – электродвигатель»

Введение. При рассмотрении двухфазной широтно-импульсной модуляции в системе «преобразователь – электродвигатель» отмечается, что важное практическое применение находит двухфазная модуляция напряжения, которая реализуется на совокупности из двух электронно-ключевых полумостов. Приводятся ограничения на значения модулирующих функций потенциалов ключей полумостов, нарушение которых приводит к перемодуляции. Перемодуляция обусловливает появление в составе напряжений гармоник низкой частоты и является причиной снижения показателей энергетической эффективности системы «преобразователь – электродвигатель».

Цель. Исследование влияния перемодуляции на энергетические процессы двухфазной широтно-импульсной модуляции в системе «преобразователь – электродвигатель».

Материалы и методы. Для анализа явлений, связанных с перемодуляцией, были введены новые модулирующие функции с ограничениями. В работе использовались методы анализа электрических цепей.

Результаты и обсуждение. Получены количественные оценки перемодуляции и ее связи с моделирующей функцией. Показано, что перемодуляция позволяет повысить амплитуду основной гармоники. Это положительно влияет на энергетические параметры однофазного моста. Однако перемодуляция ведет к появлению низкочастотных гармоник в спектре тока. Получены зависимости, характеризующие степень увеличения дисперсии тока в нагрузке при перемодуляции, которая является основным критерием качества ШИМ. Даны рекомендации по проектированию мостового преобразователя с учетом явления перемодуляции.

Заключение. Результаты могут быть использованы при разработке алгоритмов управления преобразователями частоты в системах частотного управления электроприводов.

1. Madhavi R., Harinath C. Investigation of various space vector pwm techniques for inverter. International Journal of Engineering Research and Management (IJERM). 2014. Vol. 1. No. 7. P. 162–165.

2. Климов В. Частотно-энергетические параметры шим-инверторов систем бесперебойного питания // Силовая электроника. 2009. № 22. С. 66–71.

3. Hava A. M., Çetin N. O. A Generalized Scalar PWM Approach with Easy Implementation Features for Three-Phase, Three-Wire Voltage-Source Inverters. IEEE Transactions on Power Electronics. 2010. Vol. 26. No. 5. P. 1385–1395. https://doi.org/10.1109/TPEL.2010.2081689.

4. Дмитриев Б. Ф., Галушин С. Я., Лихоманов А. М., Розов А. Ю. Трехфазная синусоидальная модифицированная широтно-импульсная модуляция первого рода в автономных инверторах // Морской вестник. 2017. № 1(61). С. 69–72.

5. Mao X., Ayyanar R., Krishnamurthy H.K. Optimal variable switching frequency scheme for reducing switching loss in single-phase inverters based on time-domain ripple analysis // IEEE Transactions on Power Electronics. 2009. Vol. 24. No. 4. P. 991–1001. https://doi.org/10.1109/TPEL.2008.2009635.

6. Белоусов И. В., Самосейко В. Ф., Саушев А. В. Оптимальная широтно-импульсная модуляция в системе управления электроприводом // Вестник Государственного университета морского и речного флота имени адмирала С. О. Макарова. 2022. № 3(14). C. 463–471. https://doi.org/10.21821/2309-5180-2022-14-3-463-471

7. Samoseiko V. F., Belousov I. V., Saushev A. V. Optimized single-phase pulse-width modulation // International Russian Automation Conference, RusAutoCon 2018, article No. 8501699. https://doi.org/10.1109/RUSAUTOCON.2018.8501699.

8. Samoseiko V. F., Belousov I. V., Saushev A. V. Optimal double-halfbridge pulse width modulation by current-dispersion criterion // 26th International Workshop on Electric Drives: Improvement in Efficiency of Electric Drives, IWED 2019 – Proceedings. 2019. Article No. 8664344.

9. Гуськов В. О., Лавин А. В. Сравнительный анализ математических описаний и методов широтно-импульсной модуляции // Вестник Астраханского государственного технического университета. Серия: Морская техника и технология. 2023. № 3. С. 74–81. https://doi.org/10.24143/2073-1574-2023-3-74-81.

10. Hava A. M., Çetin N. O. A Generalized Scalar PWM Approach with Easy Implementation Features for Three-Phase, Three-Wire Voltage-Source Inverters // IEEE Transactions on Power Electronics. 2011. Vol. 26. No. 5. P. 1385–1395. https://doi.org/10.1109/TPEL.2010.2081689.

11. Tan G., Deng Q., Liu Z. An optimized SVPWM strategy for five-level active NPC (5L-ANPC) converter. IEEE Transactions on power electronics. 2013. Vol. 29. No. 1. P. 386–395. https://doi.org/10.1109/TPEL.2013.2248172.

12. Белоусов И. В., Самосейко В. Ф., Саушев А. В. Оценка фильтрующих свойств асинхронного электропривода с широтно-импульсной модуляцией Assessment of filtering properties of asynchronous electric drive with pulse width modulation // XV International Scientific Conference on Precision Agriculture and Agricultural Machinery Industry “State and Prospects for the Development of Agribusiness INTERAGROMASH 2022” Rostov-on-Don, Russia. 2022. No. 363. P. 1–8. https://doi.org/10.1051/e3sconf/202236301025.

13. Баховцев И. А., Зиновьев Г. С. Обобщенный анализ выходной энергии многофазных многоуровневых инверторов напряжения с широтно-импульсной модуляцией // Электричество. 2016. № 4. С. 26–33.

14. Чаплыгин Е. Е., Хухтиков С. В. Широтно-импульсная модуляция с пассивной фазой в трехфазных инверторах напряжения // Электричество. 2011. № 5. С. 53–61.

15. Nayeemuddin M., Rao C. Space Vector Based High Performance Discontinuous Pulse Width Modulation Algorithms for VSI Fed AC Drive // Innovative Systems Design and Engineering (IJSR). 2016. Vol. 5. No. 7. P. 203–208.

16. Samoseiko V. F., Belousov I. V., Saushev A. V. Optimal Pulse-Width Modulation with Three Bridges on Criterion of Power Losses at Load. International Russian Industrial Engineering, ICIE, 2019 // 2019 International Conference on Industrial Engineering, Applications and Manufacturing, ICIEAM 2019. Article No. 8743011. Sochi, March 25-29, 2019. https://doi.org/10.1109/ICIEAM.2019.8743011.

17. Васильев Б. Ю. Обеспечение режима перемодуляции и повышение эффективности преобразования энергии в силовых автономных инверторах электроприводов // Электричество. 2015. № 6. С. 47–55.

18. Graditi G., Griva G., Oleschuk V. Overmodulation control of five-phase inverters with full DC-bus voltage utilization // SPEEDAM. 2010. P. 1150–1155.

19. Holtz J., Lotzkat W., Khambadkone A. M. On Continuous Control of PWM Inverters in the Overmodulation Range Including the Six-Step Mode // IEEE Transactions on Power Electronics. 1993. Vol. 8. No. 4. P. 546–553.

20. Kerkman R. J., Leggate D., Seibel B. J., Rowan T. M. Operation of PWM voltage source inverters in the overmodulation region // IEEE Transactions on Industrial Electronics. 1996. Vol. 43. No 1. P. 132–141