МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ПЕРЕКЛЮЧЕНИЯ ВЕНТИЛЕЙ КОММУТАТОРА МНОГОУРОВНЕВОГО ИНВЕРТОРА НАПРЯЖЕНИЯ

Е.Е. Миргородская, В.А. Колчев, М.Е. Мамонычев, Н.П. Митяшин, А.С. Щербакова

DOI: 10.47026/1810-1909-2021-3-83-93

Ключевые слова

многоуровневый инвертор напряжения, импульсный преобразователь, коммутатор, математическая модель, алгоритм переключения вентилей.

Аннотация

Приведен алгоритм управления транзисторами коммутатора однофазного многоуровневого инвертора напряжения. Структура силовой схемы рассматриваемого преобразователя в отличие от большинства существующих схем не зависит от числа уровней выходной кривой благодаря применению универсального источника уровней, формирующихся на выходных конденсаторах двух импульсных преобразователей постоянного напряжения. Алгоритм управления коммутатором обеспечивает формирование требуемой выходной кривой инвертора и исключает возникновение аварийных ситуаций при коммутациях уровней. Рассмотрены особенности работы преобразователя и коммутатора в режимах передачи активной мощности от импульсных преобразователей нагрузке и восприятия ими реактивной мощности нагрузки инвертора.

Алгоритм работы коммутатора определяет последовательность управляющих импульсов, подаваемых на базы транзисторов, синхронизированную с процессом формирования кривой выходного напряжения, а также направлением входного тока инвертора. При этом рассматриваются особенности коммутаций уровней, отличающиеся направлением перехода по величине напряжений уровней: «вверх» от меньшего значения к большему и «вниз» от большего значения к меньшему. Приведены последовательности подачи и снятия импульсов с управляющих электродов вентилей и вызываемые ими коммутации при положительном входном токе инвертора. При отрицательном входном токе инвертора реализуются аналогичные коммутации уровней, при этом происходит перестановка индексов вентилей в соответствии с заменой направления их включения по схеме коммутатора.

Для демонстрации работы алгоритма построена модель коммутатора с помощью программного комплекса Micro-Cap 12. При моделировании транзисторов коммутатора использовалась модель транзистора MJ15003. В модели выходные конденсаторы импульсных преобразователей представлены источниками напряжения, автономный инвертор – активно индуктивной нагрузкой. В качестве примера рассмотрена коммутация от уровня большего напряжения к уровню меньшего напряжения при положительном входном токе инвертора. Результаты моделирования подтверждают работоспособность алгоритма.

Литература

1. Амелина М.А., Амелин С.А. Программа схемотехнического моделирования Micro-Cap. Версии 9, 10. Смоленск: Смоленский филиал НИУ МЭИ, 2012. 617 с.
2. Зиновьев Г.С. Основы силовой электроники. Новосибирск: НГТУ, 2003. 664 с.
3. Обухов С.Г., Чаплыгин Е.Е., Кондратьев Д.Е. Широтно-импульсная модуляция в трехфазных инверторах напряжения // Электричество. 2008. № 8. С. 56–59.
4. Baker R.H. High-voltage converter circuit. U. Patent 4 203 151, 1980.
5. Govorukhin P.P., Mirgorodskaya E. Application of sensitivity of harmonic distortion factor of output curve of multilevel inverter. In: Proc. of Int. Conf. of Young Specialists on Micro/Nanotechnologies and Electron Devices (EDM), 2015, pp. 455–459. DOI: 10.1109/EDM.2015.7184583.
6. Mirgorodskaya E.E., Mityashin N.P., Tomashevskiy Yu.B., Golembiovsky Yu.M., Miroshnichenko A.Yu., Lukov D.Yu. Multi-level voltage inverter with structure invariant to the number of levels of the output curve. In: Proc. of Int. Conf. of Young Specialists on Micro/Nanotechnologies and Electron Devices (EDM), 2020, pp. 346–351. DOI: 10.1109/EDM49804.2020.9153476.
7. Mirgorodskaya E.E., Mityashin N.P., Kolchev V.A., Tomashevskiy Yu.B., Stepanov S.F., Artyukhov D.I. Universal power source of single-phase multilevel inverters. In: Proc. of 16^th on Electrical Machines, Drives and Power Systems, 2019, pp. 337–341. DOI: 10.1109/ELMA.2019.8771654.
8. Mirgorodskaya E.E., Mityashin N.P., Kolchev V.A., Artyukhov I.I., Stepanov S.F. Method of solving of the problem of the reactive power of the load in multilevel inverters. In: Proc. of 16^th on Electrical Machines, Drives and Power Systems, 2019, pp. 331–336. DOI: 10.1109/ELMA.2019.8771538.
9. Mittal N., Singh B., Singh S. P., Dixit R., Kumar D. Multi-level inverter: a literature survey on topologies and control strategies. International Journal of Reviews in Computing, 2012, vol. 10, pp. 1–16. DOI: 10.1109/ICPCES.2012.6508041.
10. Rashid M.H. Power Electronics handbook. Butterworth-Heinemann, 2018. 1522 p.
11. Skvarenina T.L. The handbook on power electronics. CRC Press LLC, 2002. 602 p.
12. Zhiguo Pan, Fang Zheng Peng, Corzine K.A., Stefanovic V.R., Leuthen J.M., Gataric S. Voltage balancing control of diode-clamped multilevel rectifier/inverter systems. IEEE Transactions on Industry Applications, 2005, vol. 41, no. 6, pp. 1698–1706. DOI: 10.1109/TIA.2005.857473.

Сведения об авторах

Миргородская Екатерина Евгеньевна – кандидат технических наук, доцент кафедры системотехники и управления в технических системах, Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А., Россия, Саратов (mee85@inbox.ru; ORCID: https://orcid.org/0000-0002-4519-6567).

Колчев Вадим Александрович – аспирант кафедры системотехники и управления в технических системах, Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А., Россия, Саратов (tabby333@yandex.ru).

Мамонычев Михаил Евгеньевич – аспирант кафедры системотехники и управления в технических системах, Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А., Россия, Саратов (mamonychev@gmail.com).

Митяшин Никита Петрович – доктор технических наук, профессор кафедры системотехники и управления в технических системах, Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А., Россия, Саратов (mityashinnp@mail.ru; ORCID: https://orcid.org/0000-0001-6696-6455).

Щербакова Анастасия Сергеевна – инженер, АО «НПП «Алмаз», Россия, Саратов (anastasi.mikhailowa2015@yandex.ru).

Формат цитирования

Миргородская Е.Е., Колчев В.А., Мамонычев М.Е., Митяшин Н.П., Щербакова А.С. Моделирование процессов переключения вентилей коммутатора многоуровневого инвертора напряжения // Вестник Чувашского университета. – 2021. – № 3. – С. 83–93. DOI: 10.47026/1810-1909-2021-3-83-93.

Загрузить полный текст статьи