КОМБИНИРОВАННАЯ ОПТИМАЛЬНАЯ ШИРОТНО-ИМПУЛЬСНАЯ МОДУЛЯЦИЯ ПО КРИТЕРИЮ ДИСПЕРСИИ ТОКА В ГРЕБНЫХ ЭЛЕКТРОПРИВОДАХ

Аннотация

Рассмотрен аналитический подход к оптимизации качества полнофазной и неполнофазной широтно-импульсной модуляции (ШИМ) в трехфазном электронно-ключевом мосту. Для оценки качества модуляции используется среднеквадратичная ошибка модуляции по току на периоде модуляции (локальная дисперсия) и на периоде модулирующей функции (интегральная дисперсия). Свободными переменными, по которым можно вести оптимизацию трехфазной ШИМ, являются параметры смещения импульсов относительно центра интервала модуляции и функция предмодуляции. Свободными переменными, по которым можно вести оптимизацию двухфазной ШИМ, являются параметры смещения импульсов относительно центра интервала модуляции и параметр смещения коммутационной функции пассивных фаз. Выполненный анализ дисперсии тока, порождаемого трехфазной и двухфазной ШИМ, позволил синтезировать коммутационные функции оптимальной полнофазной и неполнофазной ШИМ по критерию дисперсии тока в нагрузке. Показано, что оптимизация по параметрам смещения импульсов относительно центра интервала модуляции эффективна лишь при низкой частоте модуляции. Эффективность оптимизации неполнофазной ШИМ по параметру смещения коммутационной функции пассивных фаз мала и не превышает 7 %. При неполнофазной модуляции уменьшаются динамические потери энергии в вентилях. Показано, что применение неполнофазной модуляции позволяет поднять частоту модуляции до уровня, при котором потери энергии в ключах при неполнофазной и полнофазной модуляции совпадают. Сравнение оптимальной полнофазной и неполнофазной модуляции по критерию дисперсии тока в нагрузке показывает, что при высокой частоте модуляции и коэффициенте амплитудной модуляции более 0,69 предпочтительно использование неполнофазной модуляции. Синтезирован алгоритм комбинированного оптимального управления преобразователем частоты с использованием полнофазной и неполнофазной модуляции, использование которого ведет к существенному снижению дисперсии токов при низких частотах модуляции. Следствием снижения дисперсии тока является уменьшение потерь энергии от модуляции и виброшумовых характеристик в гребных электроприводах большой мощности.

Ключевые слова

трехфазный преобразователь, широтно-импульсная модуляция, качество модуляции, оптимизация, гребной электродвигатель

Читать полный текст статьи:  PDF

Список литературы

Schonung A. Static frequency changers with subharmonic control in conjunction with reversible variable speed a.c. drives / A. Schonung, H. Stemmler // Brown Boveri Review. - 1964. - Vol. 51. - No. 8/9. - Pp. 555- 577.
Виноградов А. Б. Векторное управление электроприводами переменного тока / А. Б. Виноградов. - Иваново: Изд-во Ивановского гос. энергетического ун-та им. В. И. Ленина», 2008. - 298 с.
Hava A. M. High-Performance Generalized Discontinuous PWM Algorithm / A. M. Hava, R. J. Kerkman, A. Lipo // IEEE Transactions on Industry Applcations. - 1998. - Vol. 34. - Is. 5. - Pp. 1059-1071. DOI: 10.1109/28.720446.
Holmes D.G. Pulse width modulation for power converters: Principles and Practice / D. G. Holmes, T. A. Lipo. - New-York: Wiley-IEEE Press, 2003. - 734 p.
Buja G. Improvement of pulse width modulation techniques / G. Buja, G. Indri // Electrical Engineering (Archiv fur Elektrotechnik). - 1975. - Vol. 57. - Is. 5. - Pp. 281-289. DOI: 10.1007/BF01476709.
Houldsworth J. A. The use of harmonic distortion to increase the output voltage of a three-phase PWM inverter / J. A. Houldsworth, D. A. Grant // IEEE Transactions on Industry Applications. - 1984. - Vol. IA-20. - Is. 5. - Pp. 1224-1228. DOI: 10.1109/TIA.1984.4504587.
Bowes S. R. Suboptimal switching strategies for microprocessor-controlled PWM inverter drives / S. R. Bowes, A. Midoun // IEE Proceedings B (Electric Power Applications). - IET Digital Library, 1985. - Vol. 132. - Is. 3. - Pp. 133-148. DOI: 10.1049/ip-b.1985.0019.
Van der Broeck H. W. Analysis and realization of a pulse width modulator based on voltage space vectors/ H.W. van der Broeck, H.-C. Skudelny, and G.V. Stanke // IEEE Transactions on Industry Applications. - IEEE, 1988. - Vol. 24. - Is. 1. - Pp. 142-150. DOI: 10.1109/28.87265.
Обухов С. Г. Широтно-импульсная модуляция в трехфазных инверторах напряжения / С. Г. Обухов, Е. Е. Чаплыгин, Д. Е. Кондратьев // Электричество. - 2008. - № 7. - С. 23a-31.
Çetin N. O. Scalar PWM implementation methods for three-phase three-wire inverters / N. O. Çetin, A. M. Hava // Electrical and Electronics Engineering, 2009. ELECO 2009. International Conference on. IEEE, 2009. - Pp. I-447-I-451. DOI: 10.1109/ELECO.2009.5355253.
Garces L. J. Current control of field oriented AC induction motor drives / L. J. Garces // IEEE Tutorial:Microprocessor Control ofMotor Drives and Power Converters. - Canada,Toronto, 1993. - Pp. 5-46.
HavaA. M.A Generalized Scalar PWM Approach with Easy Implementation Features for Three-Phase,Three-Wire Voltage-Source Inverters / A. M. Hava, N. O. Çetin // IEEE Transactions on Power Electronics. - 2011. - Vol.26. - Is. 5. - Pp. 1385-1395. DOI: 10.1109/TPEL.2010.2081689.
Хухтиков С. В. Исследование и разработка инверторов напряжения с ШИМ с пассивной фазой: автореф. дис. … канд. техн. наук / С. В. Хухтиков. - М., 2013. - 20 с.
Баховцев И. А. Анализ и синтез энергооптимальных способов управления инверторами с ШИМ: автореф. дис. … д-ра техн. наук; специальность: 05.08.12 - Силовая электроника / И. А. Баховцев. - Новосибирск, 2017. - 36 с.
Белоусов И. В. Оптимальная трехфазная широтно-импульсная модуляция по критерию дисперсии тока в нагрузке / И. В. Белоусов, В. Ф. Самосейко // Вестник Государственного университета морского и речного флота имени адмирала С. О. Макарова. - 2018. - Т. 10. - № 3. - С. 575-585. DOI: 10.21821/2309-5180-2018-10-3-575-585.
А.с. 471646 СССР, МПК Н02Р 13/24. Способ управления трехфазным преобразователем частоты / Г. С. Зиновьев, В. И. Попов, Е. И. Уланов; опубл. 25.05.1975; бюл. № 19.
А.с. 515245 СССР, МПК Н02Р 13/18. Способ управления тиристорами автономного трехфазного мостового инвертора напряжения / М.А. Житков, В.А. Добрускин; опубл. 25.05.1976; бюл. № 19.
А.с. 748793 СССР, МПК Н02Р 13/18. Способ управления трехфазным мостовым инвертором / В. А. Добрускин, А. Ю. Рождественский, М. А. Житков; опубл. 15.07.1980; бюл. № 26.
Schorner J. Bezugsspannung zur umrichtersteuerung/J. Schorner//ETZ-b.-1975.- Bd. 27. - Pp. 151-152.
Ojo O. The generalized discontinuous PWM scheme for three-phase voltage source inverters / O. Ojo // IEEE Transactions on Industrial Electronics. - 2004. - Vol. 51. - No. 6. - Pp. 1280-1289.
Nayeemuddin M. Space Vector Based High Performance Discontinuous Pulse Width Modulation Algorithms for VSI Fed AC Drive /M. Nayeemuddin, C. S. Rao//International Journal of Science and Research (IJSR). - 2016. - Vol. 5. - Is. 7. - Pp.203-208.
Tao X. Global synchronous discontinuous pulse width modulation method with fast calculation capability for distributed three-phase inverters / X.Tao, W. Ran, Z. Ke, G. Feng // Journal of Modern Power Systems and Clean Energy. - 2016. - Vol. 4. - Is. 1. - Pp. 103-112. DOI: 10.1007/s40565-015-0180-5.
Trzynadlowski A. M. Space vector PWM technique with minimum switching losses and a variable pulse rate / A.M. Trzynadlowski, R.L. Kirlin, S.F. Legowski // IEEE Transactions on Industrial Electronics. - 1997. - Vol. 44. - Is. 2. - Pp. 173-181. DOI: 10.1109/41.564155.

Об авторах

Белоусов Игорь Владимирович - доцент

kaf_electroprivod@gumrf.ru. ibel@bk.ru

ФГБОУ ВО «ГУМРФ имени адмирала С.О. Макарова»

Самосейко Вениамин Францевич - доктор технических наук, профессор

kaf_electroprivod@gumrf.ru. samoseyko@mail.ru

ФГБОУ ВО «ГУМРФ имени адмирала С.О. Макарова»