CC BY
9
УДК 62-523.2
ОПРЕДЕЛЕНИЕ МИНИМАЛЬНОЙ ЁМКОСТИ БУФЕРНОГО
КОНДЕНСАТОРА ДЛЯ СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОПРИВОДА С ДВОЙНЫМ ДВУХУРОВНЕВЫМ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕМ
ЧАСТОТЫ
А. С. Лутонин
В статье рассматривается способ определения минимальной ёмкости буферного конденсатора в составе двойного двухуровневого преобразователя частоты на основании выбранного алгоритма формирования управляющих импульсов для полупроводниковых ключей. Определено максимальное значение колебаний уровня напряжения буферного конденсатора. Составлено уравнение для нахождения минимально необходимого значения ёмкости конденсаторной батареи. Разработана имитационная модель в программном пакете МАТЬАВ^тиПпк. Получено, что колебания напряжения звена постоянного тока удерживается пределах заданного значения.
Ключевые слова: буферный конденсатор разомкнутая обмотка статора; ослабленное поле; двойной преобразователь частоты, векторная ШИМ, модуляция, емкость.
Система электропривода с двойным двухуровневым преобразователем частоты и одним или двумя независимыми источниками энергии является одним из способов расширения диапазона рабочих скоростей электродвигателя. Отличительной особенностью данной топологии является наличие дополнительного шестиключевого преобразователя частоты, который подключается к концам обмоток статора. В сравнении со стандартной топологией преобразователя частоты, где концы обмоток соединяются по схеме «Звезда» или «Треугольник», такая топология, в зависимости от схемы соединения и типа используемого источника энергии, может иметь следующие преимущества: возможность расширения диапазона рабочих скоростей электродвигателя посредством компенсации его противо-ЭДС [1-5]; возможность резервирования посредством замыкания полупроводниковых ключей одного из преобразователей частоты по схеме «Звезда» или «Треугольник» в случае выхода из строя одного из них в случае питания вспомогательного преобразователя частоты от аккумуляторной батареи или от одного источника энергии [6-8]; возможность повышения уровня напряжения, прикладываемого к электродвигателю в случае отсутствия как повышающих преобразователей, так и дополнительных источников энергии [8-11]; снижение амплитуды пульсаций токов [12].
Рассматривая топологию с использованием буферного конденсатора в качестве вторичного источника энергии, одной из задач является необходимость выбора конденсатора оптимальной ёмкости конденсаторной батареи, так как недостаточная ёмкость будет вести к наличию пульсаций напряжения, в то время как избыточное значение ёмкости повышает конечную стоимость, а также вес системы.
263
Данная работа представляет способ определения минимальной ёмкости буферного конденсатора в составе двойного двухуровневого преобразователя частоты, основанный на задании необходимого уровня пульсаций напряжения звена постоянного тока буферного конденсатора.
Топология электропривода с разомкнутой обмоткой статора и буферным конденсатором. Топология системы управления электроприводом с разомкнутой обмоткой состоит из двух шестиключевых преобразователей частоты, каждый из которых подключён с одной стороны к обмоткам статора, а с другой - к источнику энергии. В случае использования топологии с буферным конденсатором, в качестве главного источника энергии обычно выступает аккумуляторная батарея, а в качестве вспомогательного - конденсатор. Общая схема топологии представлена на рис. 1.
УнпН.
с
J иг
Ув V, [
Ус
- £>ьэ Щ
Ди
ь
и2 L
Ув
№ Ус
Дз
£>ьз £>сз Ч £>пз Дьз Да
№
ар
Рис. 1. Топология электропривода с буферным конденсатором
Так как каждая из обмоток статора подключена к двум источникам напряжения, то результирующим значением напряжения для электродвигателя будет разница между потенциалами этих источников (рис. 2).
Рис. 2. Схема замещения СДПМ РО
В соответствии с рис. 2, можно записать следующие уравнения:
иМ1 = ит + иС1; (1)
иМ1 й - ит й - иС1 й = 0; (2)
иМ1 ц - итц - иС1 ц = ^ (3)
где Пм1 - напряжение тяговой батареи; иС1 - напряжение буферного конденсатора; ит - напряжение на концах обмотки электродвигателя.
Векторная ШИМ для электропривода с разомкнутой обмоткой статора и буферным конденсатором. Минимально допустимую ёмкость конденсаторной батареи следует определять в соответствии с состояниями,
264
определяющими изменение уровня заряда конденсатора. Такие состояния генерируются согласно изменениям положения полупроводниковых ключей каждого из преобразователей частоты.
Ул 'Л зи +
Ув ■ 'X Ув
'Л Ус ри -
а
У4 аи аи [Уд + + <
' V, ■ 'X ^ ( зи
ис 1'С X —пш < УС -
б
Рис. 3. Состояние заряда конденсатора при различной комбинации ключей для главного и вспомогательного преобразователя частоты: а - состояние ключей, ведущее к разряду конденсатора; б - состояние ключей, ведущее к заряду конденсатора
Так, в соответствии с рис. 3, один набор комбинаций ведет к разряду конденсатора, в то время как другой - к его разряду. При этом переходные процессы относительно электродвигателя не оказывают существенное влияние на изменения уровня напряжения. Таким образом, минимально допустимую ёмкость конденсаторной батареи следует определять относительно наибольших значений пульсаций тока, протекающих в конденсаторе во время работы системы электропривода. Так как буферный конденсатор подключается к обмоткам электродвигателя через преобразователь частоты, то, токи, протекающие через него, будут пропорциональны токам электродвигателя с учётом их ограничения посредством коммутации полупроводниковых ключей. Таким образом метод генерации Широтно-Импульсной модуляции (ШИМ) для преобразователей частоты оказывает существенное влияние на выбор конечной ёмкости конденсатора. В работе рассматривается использование векторной ШИМ модуляции в качестве алгоритма формирования управляющих импульсов, так как векторная ШИМ модуляция, в сравнении с синусоидальной, является более оптимальным методом по использованию запаса напряжения звена постоянного тока.
На рис. 4 представлена комбинированная диаграмма векторной ШИМ модуляции для двух преобразователей частоты с отображённым влиянием комбинация на заряд/разряд конденсатора. Согласно рис. 4, комбинации ключей имеют три состояния, а именно:
1. «Красный» - состояние ключей, при котором происходит разряд конденсаторной батареи
2. «Синий» - состояние ключей, при котором не происходит изменения заряда конденсаторной батареи
3. «Зелёный» - состояние ключей, при котором происходит заряд конденсаторной батареи.
Рис. 4. Комбинированная ШИМмодуляция для двойного двухуровнего
преобразователя частоты.
Таким образом, определение минимальной емкости конденсаторной батареи определяется на основании диаграммы векторной ШИМ модуляции в соответствии с уравнениями формирования длительности включения каждого из векторов за полный период коммутации. Диаграмма, отображающая изменение уровня напряжения за полный период коммутации представлена на рис. 5.
В соответствии с рис. 5, максимальное изменение уровня напряжения конденсатора может быть найдена как:
2 12 _ Icapt2
с cap У _ _с
где Ucap - изменение уровня напряжения конденсатора; Icap - ток, протекающий в конденсаторе.
При этом, уравнения формирования длительности включения каждого из векторов могут быть найдены согласно уравнениями (5) - (7):
t1 _ ^ sin(p/3 - J); (5)
t2 _ т43 ^ sin J; (6)
t0 _ (l -43т sin(p /3 + J)), (7)
DU _-1 -2 _ cap 2 (4)
^^ cap n 1 cap rs ^ ' v/
где íq, t\, ¿2 - время включения базовых векторов напряжения, которые, могут быть найдены в соответствии с уравнениями; Tsw - полный период включения ШИМ, значение которого обратно пропорционально частоте включений ШИМ: 1/ fsw; J - угол поворота ротора электродвигателя; m -коэффициент модуляции векторной ШИМ.
7(ооо)
1(юо) 2(110) »(ni) 1(юо)
Рис. 5. Изменение уровня напряжения конденсатора за полный период коммутации
Подставив уравнение (6) в уравнение (4), получим:
_4ЬтТш1сар sin(J)
DUcap =-—-• (8)
Максимальное значение отклонения напряжения находится при значении угла вектора, равного п/2 и значением коэффициента модуляции ШИМ равным 1. Таким образом конечная формула нахождения минимального значения ёмкости буфетного конденсатора может быть найдена в соответствии с уравнением (9):
С = ^Icap . (9)
2 f DU
^ J sw^^ cap
Имитационное моделирование. Имитационное моделирование проводилось при помощи программного пакета MATLAB/Simulink. Общий вид модели представлен на рис. 4.
Моделирование проводилось со следующими параметрами: Система с СДПМ и векторным управлением получала питание от источника постоянного напряжения номиналом 370В.
Общий вид модели
Значение задания напряжения для буферного конденсатора составляло 210В. В момент времени 0.1 с производился наброс нагрузки на вал ротора номиналом 45 Нм. Результаты реакции модели на задание по скорости представлены на рис. 6.
Time (а,
а б
Рис. 6. Результаты моделирования:
а - С = С . /5; б - С = С
cap min " can г
сар Ш1П
Заключение. На рис. 6 представлены зависимости выходных характеристик скорости, крутящего момента на валу и уровня напряжения конденсатора в зависимости от ёмкости буферного конденсатора. Значение максимальных колебаний напряжения буферного конденсатора при определении его ёмкости был установлен на значении 5%. На основании полученных результатов, можно отметить, что колебания напряжения звена постоянного тока удерживается пределах 20, что соответствует значению в 5% при использовании значения ёмкости конденсаторной батареи, полу-
268
ченной в соответствии с уравнением (8) (рис. 6, б). При уменьшении минимально требуемого значения ёмкости в 5 раз (рис. 6, а), колебания звена постоянного тока увеличиваются, соответственно, в 5 раз. При этом возникают дополнительные пульсации момента на валу ротора.
Список литературы
1. Pan D., Huh K. K., Lipo T. A. Efficiency improvement and evaluation of floating capacitor open-winding PM motor drive for EV application //2014 IEEE energy conversion congress and exposition (ECCE). IEEE, 2014. P. 837844.
2. Lin B., Sun D. Analysis on constant power range enhancement in hybrid-inverter open winding PMSM drive system // 2014 17th International Conference on Electrical Machines and Systems (ICEMS). IEEE, 2014. P. 29232929.
3. Zhou W., Sun D., Lin B. A modified flux weakening direct torque control for open winding PMSM system fed by hybrid inverter // 2014 17th International Conference on Electrical Machines and Systems (ICEMS). IEEE, 2014. P. 2917-2922.
4. Park J.S., Nam K. Dual inverter strategy for high speed operation of HEV permanent magnet synchronous motor // Conference Record of the 2006 IEEE Industry Applications Conference Forty-First IAS Annual Meeting. IEEE, 2006. V. 1. P. 488-494.
5. Sun D. et al. A hybrid PWM-based field weakening strategy for a hybrid-inverter-driven open-winding PMSM system // IEEE Transactions on Energy Conversion. 2017. V. 32. №. 3. P. 857-865.
6. Hong J., Lee H., Nam K. Charging method for the secondary battery in dual-inverter drive systems for electric vehicles // IEEE Transactions on Power Electronics. 2014. V. 30. №. 2. P. 909-921.
7. Welchko B.A. A double-ended inverter system for the combined propulsion and energy management functions in hybrid vehicles with energy storage // 31st Annual Conference of IEEE Industrial Electronics Society, 2005. IECON 2005. IEEE, 2005. 6 p.
8. Hunter N. et al. Torque quality improvement of an open-end winding PMSM //2018 IEEE Energy Conversion Congress and Exposition (ECCE). IEEE, 2018. P. 4254-4261.
9. Bodo N., Jones M., Levi E. A space vector PWM with common-mode voltage elimination for open-end winding five-phase drives with a single DC supply // IEEE Transactions on Industrial Electronics. 2013. V. 61. №. 5. P. 2197-2207.
10. Zhu B., Rajashekara K., Kubo H. A novel predictive current control for open-end winding induction motor drive with reduced computation burden and enhanced zero sequence current suppression // 2017 IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition (APEC). IEEE, 2017. P. 552557.
11. An Q. et al. Dual-space vector control of open-end winding permanent magnet synchronous motor drive fed by dual inverter // IEEE Transactions on Power Electronics. 2016. V. 31. №. 12. P. 8329-8342.
12. Loncarski J. et al. Comparison of output current ripple in single and dual three-phase inverters for electric vehicle motor drives // Energies. 2015. V. 8. №. 5. P. 3832-3848.
Лутонин Александр Сергеевич, аспирант, lutonin93@,mail. ru, Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский Горный университет.
MINIMUM CAPACITANCE ESTIMATION FOR DUAL INVERTER DRIVE SYSTEM
A.S. Lutonin
Paper represents a method for determining floating bridge capacitor's minimum capacitance for dual inverter drive system. The maximum value of floating bridge capacitor's voltage fluctuations is determined. An equation to find the minimum required capacitance value of floating bridge capacitor is obtained. A simulation model in MATLAB/Simulink software package is developed. It was found that the voltage fluctuation of the DC link is kept within the specified value.
Key words: floating bridge capacitor; open-end winding; dual inverter drive, SVPWM, modulation, capacitance.
Lutonin Aleksandr Sergeevich, postgraduate, lutonin93@,mail. ru, Russia, Saint-Petersburg, Saint-Petersburg Mining University
УДК 621.311
АНАЛИЗ СПОСОБОВ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ БОЕВОЙ ЭКИПИРОВКИ ВОЕННОСЛУЖАЩЕГО
А.А. Микерин, А.Б. Белов, И.С. Белоногов
В статье приведен анализ проблем и определены перспективы развития автономного электроснабжения боевой экипировки военнослужащих подразделений специального назначения и Воздушно-десантных войск. Рассмотрены способы улучшения системы полевого электроснабжения.
Ключевые слова: возобновляемый источник электроэнергии, экипировка военнослужащего, источник электрической энергии, индивидуальные потребители электроэнергии, аккумуляторная батарея, индивидуальная экипировка военнослужащего.
Воздушно-десантные войска (ВДВ) как наиболее мобильный, боеспособный и самостоятельный род войск, являясь резервом Верховного главнокомандующего Вооруженными Силами Российской Федерации, может применяться по его решению на любом из театров военных действий (ТВД) [1]. Все эти факторы определяют роль и место ВДВ как передового эшелона немедленного реагирования в решении особо важных задач, как в ходе локальных вооруженных конфликтов, так и при крупномасштабных боевых действиях.
