МНОГОУРОВНЕВЫЙ ИНВЕРТОР ДЛЯ ГЕНЕРИРОВАНИЯ НАПРЯЖЕНИЯ СО СЛОЖНЫМ ГАРМОНИЧЕСКИМ СОСТАВОМ

DOI: 10.47026/1810-1909-2024-4-45-59

УДК 621.341.572

ББК 31.264.5

Е.Е. МИРГОРОДСКАЯ, Н.П. МИТЯШИН, М.Е. МАМОНЫЧЕВ, Ю.Б. ТОМАШЕВСКИЙ, И.И. АРТЮХОВ

Ключевые слова: многочастотный нагрев металлов, многоуровневый инвертор напряжения, спектр, моделирование, показатели качества, силовая схема, уровни напряжения, источник питания.

Статья посвящена проблеме формирования желаемого и управляемого гармонического состава выходной кривой многоуровневого инвертора напряжения. Данная проблема актуальна при создании установок многочастотного индукционного нагрева и плавки металла.

Цель исследования – разработка эффективного метода формирования выходного напряжения источников питания для установок многочастотного индукционного нагрева, кривая которого имеет заданный спектр гармоник.

Материалы и методы. Теоретическая часть работы проводилась на основе схемотехнической базы многоуровневых инверторов напряжения и импульсных преобразователей постоянного тока с использованием численно-аналитических методов исследования нелинейных электрических цепей, методов решения нелинейных дифференциальных уравнений и приближенного гармонического анализа, а также методов имитационного моделирования с применением математического пакета MATLAB/Simulink. Экспериментальная проверка теоретических результатов проводилась в лабораторных условиях на примере многоуровневого инвертора, генерирующего кривую напряжения с тремя рабочими гармониками. Для фиксации результатов использовались датчики серии ACS758 и четырехканальный цифровой осциллограф RIGOL DS1104Z.

Результаты исследования. Достижение цели основано на использовании универсального многоуровневого инвертора напряжения, принципиальная схема которого не зависит от числа уровней генерируемой кривой, что обеспечивает минимальное число силовых элементов при любой сложности спектра кривой. Метод формирования выходной кривой этого инвертора заключается в попеременном подключении транзисторным коммутатором выходных конденсаторов двух импульсных преобразователей постоянного напряжения к входу однофазного мостового инвертора напряжения. При этом на конденсаторах формируются напряжения уровней разной четности по порядку их следования, в результате чего на входе мостового инвертора образуется знакопостоянное многоуровневое напряжение, соответствующее требуемому знакопеременному многоуровневому напряжению. Закон переключения вентилей мостового инвертора обеспечивает преобразование его входного напряжения в напряжение нагрузки с заданным гармоническим составом. Особенность разработанного метода управления преобразователем состоит в том, что коммутации вентилей мостового инвертора производятся в соответствии с изменением знака генерируемой кривой. Метод содержит алгоритм определения величин уровней, формируемых на конденсаторах импульсных преобразователей, реализующих необходимый спектр выходной кривой инвертора. Эффективность предложенного метода проиллюстрирована результатами компьютерного моделирования преобразователя при генерировании напряжения с четырьмя рабочими гармониками спектра (т.е. требуемыми гармониками спектра). Предложены показатели качества реализованного спектра кривой напряжения и приведены результаты анализа влияния числа уровней на значения этих показателей. Работоспособность предложенных методов продемонстрирована экспериментально на лабораторном макете преобразователя.

Выводы. В работе предложен метод формирования выходного напряжения источника питания, кривая которого имеет заданный гармонический состав, эффективность которого подтверждена результатами компьютерного моделирования и лабораторного эксперимента. Предлагаемые технические решения позволили достичь возможности генерирования выходного напряжения, спектр кривой которого содержит четыре и более гармоники с заданными амплитудами при минимальном числе силовых элементов схемы. В работе также предложены модели показателей качества реализованного спектра кривой напряжения и приведены результаты анализа влияния числа уровней на значения этих показателей. Разработанная методика допускает развитие в направлении управления спектром генерируемого напряжения в реальном масштабе времени, а также непериодического знакопеременного напряжения, изменяющегося по заданной программе в соответствии с требованиями технологического процесса.

Литература

1. Дзлиев С.В. Принципы построения систем питания установок индукционной закалки зубчатых колес при двухчастотном нагреве // APIH 05: материалы междунар. конф. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2005. С. 193–201.
2. Иванчин И.И. Регулирование сквозным током в модульном многоуровневом преобразователе // Сборник трудов XI Международной (XXII Всероссийской) конференции по автоматизированному электроприводу АЭП 2020 (Санкт-Петербург, 4–7 октября 2020 г.). СПб.: Национальный исследовательский ун-т ИТМО, 2021. С. 24–27.
3. Колчев В.А. Повышение эффективности источников питания на основе многоуровневых инверторов за счет совершенствования топологии звеньев постоянного тока и управления ими: дис. … канд. техн. наук. Саратов, 2021. 141 с.
4. Охоткин Г.П., Иванчин И.И. Способ векторной широтно-импульсной модуляции в многоуровневом преобразователе напряжения // Вестник Чувашского университета. 2022. № 1. С. 107–114.
5. Синтез двухчастотного тока индуктора на основе суммирования выходных параметров двух разночастотных резонансных преобразователей / С.К. Земан, Ю.М. Казанцев, А.В. Осипов, А.В. Юшков // Известия Томского политехнического университета. 2012. Т. 321, № 4. С. 144–149.
6. Справочник по силовой электронике / Ю.К. Розанов, П.А. Воронин, С.Е. Рывкин, Е.Е. Чаплыгин. М.: ИД МЭИ, 2014. 472 с.
7. Фазел С., Колпаков А. Многоуровневые преобразователи: схемы, особенности применения, алгоритмы управления. Часть 1 // Силовая электроника. 2019. № 1(76). С. 49–54.
8. Юшков А.В. Энергетически эффективные преобразователи частоты для двухчастотной индукционной тигельной плавки: дис. … канд. техн. наук. Томск, 2012. 131 с.
9. Diong B., Basireddy S., Corzine K. Multilevel converter-based dual-frequency induction heating power supply. In: Industrial Electronics Society, IECON’03: proceedings. Roanoke, VA, USA, 2003, vol. 2, pp. 1992–1997. DOI: 10.1109/IECON.2003.1280366.
10. Rashid M.H. Power Electronics Handbook. Butterworth-Heinemann, 2018, 1522 p.

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).

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).

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

Томашевский Юрий Болеславович – доктор технических наук, заведующий кафедрой электроэнергетики и электротехники, Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А., Россия, Саратов (yurytomash@mail.ru; ORCID: https://orcid.org/0000-0001-5393-362X).

Артюхов Иван Иванович – доктор технических наук, профессор кафедры электроэнергетики и электротехники, Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А., Россия, Саратов (ivart54@mail.ru; ORCID: https://orcid.org/0000-0001-8699-4066).

Формат цитирования

Многоуровневый инвертор для генерирования напряжения со сложным гармоническим составом / Е.Е. Миргородская, Н.П. Митяшин, М.Е. Мамонычев и др. // Вестник Чувашского университета. 2024. № 4. С. 45–59. DOI: 10.47026/1810-1909-2024-4-45-59.

Загрузить полный текст статьи