Methods of Pulse Width Modulation in Cascaded High Voltage Frequency Converters
Loading...
Date
2022
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
IEEE
Abstract
ENG: Purpose. The aim of this work is to compare the effectiveness of various methods for correcting cell failures in cascade high voltage frequency converters. These methods provide the smallest voltage drop on the motor, the least loads and oscillation of electromagnetic torque in an accident modes, and evaluate the effectiveness of pulse width modulation (PWM) methods with the injection of third harmonic and space-vector PWM in normal and emergency modes. Methodology. We use mathematical and geometrical interpretation of all analysed methods - Sinusoidal PWM (SPWM), Balanced sinusoidal PWM (BSPWM), Balanced PWM with injected 3rd harmonic (THPWM) and Balanced Space Vector PWM (SVPWM). Results. The method of balancing the phase-to-phase voltages by to such a shift of the zero point and rotation of the phase vectors, in which the amplitude of the phase-to-phase voltage decreases to the minimum possible value. Injection of the 3rd harmonic allows you to further increase the utilisation factor of power supplies in terms of voltage. But the violation of the symmetry of the phase voltages leads to the need to reduce the voltage amplitude to exclude saturation of the power supplies, which reduces this coefficient compared to the theoretically possible 15.6%. A distinctive feature of the method of balanced Space Vector PWM is that the amplitude of the 1st harmonic is always greater than the radius of the circle by 15.6%. Comparison of methods of space vector PWM (SVPWM), balancing of phase-to-phase voltage with the injection of the 3rd harmonic (THPWM) with sinusoidal PWM shows that SVPWM is the best method. Despite the more complex mathematical software for the implementation of this method, it provides the best performance in all considered emergency modes of 3...6 cascade converters. The Table of indicators for all methods are presented in the article. The use of a balanced SVPWM in combination with field oriented control makes it possible to obtain an electric drive in which, in the event of an accident, there are practically no shock mechanical and electromagnetic processes. After damage of cells the currents, electromagnetic torque and motor speed change along the required trajectory. © 2022 IEEE.
UKR: Метою даної роботи є порівняння ефективності різних методів корекції відмов осередків каскадних перетворювачів частоти високої напруги. Ці методи забезпечують найменше падіння напруги на двигуні, найменші навантаження та коливання електромагнітного моменту в аварійних режимах, а також оцінюють ефективність методів широтно-імпульсної модуляції (ШІМ) з інжекцією третьої гармоніки та просторово-векторної ШІМ у нормальні та аварійні режими. Методологія. Ми використовуємо математичну та геометричну інтерпретацію всіх проаналізованих методів - синусоїдальний ШІМ (SPWM), збалансований синусоїдальний ШІМ (BSPWM), збалансований ШІМ з інжектованою 3-ю гармонікою (THPWM) і збалансований просторовий вектор ШІМ (SVPWM). Результати. Спосіб урівноваження міжфазних напруг шляхом такого зсуву нульової точки і повороту фазових векторів, при якому амплітуда міжфазної напруги зменшується до мінімально можливого значення. Введення 3-ї гармоніки дозволяє додатково підвищити коефіцієнт використання джерел живлення по напрузі. Але порушення симетрії фазних напруг призводить до необхідності зменшення амплітуди напруги для виключення насичення джерел живлення, що зменшує цей коефіцієнт порівняно з теоретично можливими 15,6%. Відмінною особливістю методу симетричного просторового вектора ШІМ є те, що амплітуда 1-ї гармоніки завжди більше радіуса кола на 15,6%. Порівняння методів просторової векторної ШІМ (SVPWM), врівноваження міжфазної напруги з інжекцією 3-ї гармоніки (THPWM) із синусоїдальною ШІМ показує, що SVPWM є найкращим методом. Незважаючи на більш складне математичне забезпечення реалізації цього методу, він забезпечує найкращу продуктивність у всіх розглянутих аварійних режимах 3...6 каскадних перетворювачів. У статті представлена таблиця показників для всіх методів. Застосування збалансованого СВПВМ у поєднанні з орієнтованим на поле керуванням дозволяє отримати електропривод, в якому в разі аварії практично відсутні ударні механічні та електромагнітні процеси. Після пошкодження елементів струми, електромагнітний момент і швидкість двигуна змінюються по необхідній траєкторії.
UKR: Метою даної роботи є порівняння ефективності різних методів корекції відмов осередків каскадних перетворювачів частоти високої напруги. Ці методи забезпечують найменше падіння напруги на двигуні, найменші навантаження та коливання електромагнітного моменту в аварійних режимах, а також оцінюють ефективність методів широтно-імпульсної модуляції (ШІМ) з інжекцією третьої гармоніки та просторово-векторної ШІМ у нормальні та аварійні режими. Методологія. Ми використовуємо математичну та геометричну інтерпретацію всіх проаналізованих методів - синусоїдальний ШІМ (SPWM), збалансований синусоїдальний ШІМ (BSPWM), збалансований ШІМ з інжектованою 3-ю гармонікою (THPWM) і збалансований просторовий вектор ШІМ (SVPWM). Результати. Спосіб урівноваження міжфазних напруг шляхом такого зсуву нульової точки і повороту фазових векторів, при якому амплітуда міжфазної напруги зменшується до мінімально можливого значення. Введення 3-ї гармоніки дозволяє додатково підвищити коефіцієнт використання джерел живлення по напрузі. Але порушення симетрії фазних напруг призводить до необхідності зменшення амплітуди напруги для виключення насичення джерел живлення, що зменшує цей коефіцієнт порівняно з теоретично можливими 15,6%. Відмінною особливістю методу симетричного просторового вектора ШІМ є те, що амплітуда 1-ї гармоніки завжди більше радіуса кола на 15,6%. Порівняння методів просторової векторної ШІМ (SVPWM), врівноваження міжфазної напруги з інжекцією 3-ї гармоніки (THPWM) із синусоїдальною ШІМ показує, що SVPWM є найкращим методом. Незважаючи на більш складне математичне забезпечення реалізації цього методу, він забезпечує найкращу продуктивність у всіх розглянутих аварійних режимах 3...6 каскадних перетворювачів. У статті представлена таблиця показників для всіх методів. Застосування збалансованого СВПВМ у поєднанні з орієнтованим на поле керуванням дозволяє отримати електропривод, в якому в разі аварії практично відсутні ударні механічні та електромагнітні процеси. Після пошкодження елементів струми, електромагнітний момент і швидкість двигуна змінюються по необхідній траєкторії.
Description
V. Kuznetsov: ORCID 0000-0002-8169-4598
Keywords
space vector pulse width modulation, torque, frequency modulation, power supplies, high-voltage techniques, power system harmonics, harmonic analysis, інжекція 3-ї гармоніки ШІМ, збалансований просторовий вектор ШІМ, каскадний перетворювач частоти високої напруги, КЕЛІ
Citation
Busher V., Chornyi O., Tytiuk V., Glazeva O., Rozlutskyi O. Kuznetsov V. Methods of Pulse Width Modulation in Cascaded High Voltage Frequency Converters. 2022 IEEE 3rd KhPI Week on Advanced Technology (KhPIWeek) : Conference Proceedings, Kharkiv, Ukraine, 03–07 October 2022. IEEE, 2022. DOI: https://doi.org/10.1109/KhPIWeek57572.2022.9916412. Фрагмент тексту.