Математический анализ и моделирование преобразователя частоты матричного типа с непосредственным управлением по методу пространственно-векторной модуляции
Автор: Мещеряков Виктор Николаевич, Байков Дмитрий Владимирович
Журнал: Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Энергетика @vestnik-susu-power
Рубрика: Устройства аналоговой и цифровой электроники
Статья в выпуске: 1 т.15, 2015 года.
Бесплатный доступ
Матричные преобразователи частоты на полностью управляемых ключах переменного тока являются одним из перспективных решений в сфере экономии энергии и развития электропривода переменного тока. Возможность рекуперативного торможения позволяет расширить сферу применения частотных преобразователей и улучшить их эксплуатационные характеристики. В работе использованы общие положения теории цепей, методы математического и численного моделирования, линейная алгебра, теория нелинейных и дискретных систем управления и теория цифровой обработки сигналов. Основным методом исследования в данной работе является метод математического моделирования. При обработке результатов исследований широко применялось современное программное обеспечение. Произведен полный математический анализ силовой схемы матричного преобразователя частоты вместе с вычислением коммутационных циклов (алгоритма коммутации) как для низкого коэффициента передачи напряжения (0,5), так и для максимального коэффициента передачи напряжения (0,866). Рассмотрена работа преобразователя частоты матричного типа, представляющего собой комбинацию виртуального активного выпрямителя и виртуального автономного инвертора напряжения с непосредственным управлением по методу пространственно-векторной модуляции. Разработаны имитационные модели такой системы и представлены результаты моделирования в среде MATLAB/Simulink. Представленные результаты исследований показывают, что высокие качественные показатели электропривода с матричным преобразователем частоты, несомненно, открывают для него широкие перспективы. Данный вид преобразователей может с успехом найти применение в машинах двойного питания для ветрогенераторов, на производственных линиях в стальном производстве, на погрузочно-разгрузочных устройствах, лифтах, подъемниках, в стендах обкатки двигателей внутреннего сгорания, а из-за меньших массогабаритных показателей матричный преобразователь частоты может найти применение в тех областях промышленности, где размер и вес преобразователя имеют жизненное значение, а ограничение величины выходного тока некритично, как например в аэро- и космической промышленности. Однако несмотря на все свои преимущества над схемами обычных преобразователей частоты, схемы матричных преобразователей пока не нашли широкого применения ввиду большого количества полупроводниковых приборов и сложных алгоритмов управления.
Матричный преобразователь частоты, пространственно-векторная модуляция, имитационная модель, автономный инвертор напряжения, активный выпрямитель
Короткий адрес: https://sciup.org/147158292
IDR: 147158292 | УДК: 62-83:621.313.3 | DOI: 10.14529/power150103
Mathematical analysis and modeling of space vector modulated direct controlled matrix converter
The matrix frequency converter on controllable AC switches is considered to be a promising solution in the field of energy saving and AC drive development. The potential regenerative braking enlarges the application field of frequency converters and improves their performance. We used the circuit theory fundamentals, methods of mathematical and numerical modeling, linear algebra, the theory of nonlinear discrete control systems and the theory of digital signal processing. The method of mathematical modeling is the main research method. Up-to-date software was used for processing the study results. The study presents a comprehensive mathematical analysis of the power circuit matrix converter as well as a calculation of the operating cycles (switching algorithm) both for low voltage transfer ratio (0.5) and maximum voltage transfer ratio (0.866). The study considers the operation of matrix frequency convertor which is a combination of virtual active rectifier and virtual autonomous voltage inverter with direct control by the method of space vector modulation. The system simulation models are developed by using MATLAB/Simulink, and the simulation results are presented. The study results show a high-performance of the electric drive with matrix converter frequency. Consequently, the device seems to have broad industrial and engineering prospects. Particularly, the converter can successfully be used in doubly fed machines for wind turbines, steel production lines, loading and unloading devices, elevators, lifts, running stands of internal combustion engines. Smaller matrix frequency converter dimensions and weight make it useful in the industries where size and weight of the converter are of vital importance, and the output current limit is not critical, e.g. aircraft and aerospace industry. However, despite their advantages over conventional frequency inverter circuits, circuit matrix converters has not been widely applied due to a large number of semiconductor devices and sophisticated control algorithms.
Список литературы Математический анализ и моделирование преобразователя частоты матричного типа с непосредственным управлением по методу пространственно-векторной модуляции
- Виноградов, А.Б. Новые алгоритмы пространственно-векторного управления матричным преобразователем частоты/А.Б. Виноградов//Электричество. -2008. -№ 3. -С. 41-52.
- Аракелян, А.К. Комбинированный алгоритм безопасной коммутации ключей матричного преобразователя/А.К. Аракелян, Н.В. Кокорин//Электричество. -2009. -№ 11. -С. 52-56.
- Gang Li. PWM algorithms for indirect matrix converter/Li Gang//IEEE 7th International Power Electronics and Motion Control Conference -ECCE Asia, June 2-5, 2012. -P. 1713-1717. DOI: DOI: 10.1109/IPEMC.2012.6259094
- Alesina, A. The generalized transformer: a new bi-directional sinusoidal waveform frequency converter with continuous variable adjustable input power factor/A. Alesina, M. Venturini//IEEE PESC’80. -1980. -P. 242-252.
- Venturini, M. A new sinewave in, sinewave out conversion technique which eliminates reactive elements/M. Venturini//Proc. POWERCON’80. -1980. -P. E3/1-E3/15.
- Alesina, A. Analisys and Design of Optimum-Amplitude Nine-Switch Direct AC-AC Converters/A. Alesina, M. Venturini//IEEE Transactions on Power Electronics. -January 1989. -Vol. 4, no. 1. -P. 101-112. DOI: DOI: 10.1109/63.21879
- Asynchronous operation of cycloconverter with improved voltage gain by employing a scalar control algorithm/G. Roy, L. Duguay, S. Manias, G. April//IEEE IAS Conference Record. -1987. -P. 889-898. DOI: DOI: 10.1109/PESC.1988.18273
- Alesina, A. Intrinsic amplitude limits and optimum design of 9-switches direct PWM ac-ac converters/A. Alesina, M. Venturini//IEEE PESC’88. -1988. -Vol. 2P. -1284-1291.
- Виноградов, А.Б. Векторное управление электроприводами переменного тока/А.Б. Виноградов; ГОУ ВПО «Ивановский государственный энергетический университет им. В.И. Ленина». -Иваново, 2008. -298 с.
