Дослідження енергетичних характеристик однофазних активних чотириквадрантних випрямлячів з удосконаленою гістерезисною модуляцією

Автор(и)

  • Oleksandr Plakhtii Конструкторське бюро ТОВ «ВО ОВЕН» вул. Гвардійців-Широнівців, 3А, м. Харків, Україна, 61153, Україна https://orcid.org/0000-0002-1535-8991
  • Volodymyr Nerubatskyi Український державний університет залізничного транспорту майдан Фейєрбаха, 7, м. Харків, Україна, 61050, Україна https://orcid.org/0000-0002-4309-601X
  • Nadiia Karpenko Український державний університет залізничного транспорту майдан Фейєрбаха, 7, м. Харків, Україна, 61050, Україна https://orcid.org/0000-0002-9252-9934
  • Denys Hordiienko ПрАТ «ЕЛАКС» вул. Ак. Проскури, 1, м. Харків, Україна, 61085, Україна https://orcid.org/0000-0002-0347-5656
  • Olha Butova Національний технічний університет «Харківський політехнічний інститут» вул. Кирпичова, 2, м. Харків, Україна, 61002, Україна https://orcid.org/0000-0002-1128-9722
  • Hryhorii Khoruzhevskyi Конструкторське бюро ТОВ «ВО ОВЕН» вул. Гвардійців-Широнівців, 3А, м. Харків, Україна, 61153, Україна https://orcid.org/0000-0003-2042-4938

DOI:

https://doi.org/10.15587/1729-4061.2019.179205

Ключові слова:

активний чотириквадрантний випрямляч, гістерезисна модуляція, динамічні втрати, енергоефективність, коефіцієнт потужності

Анотація

У тягових електроприводах електрорухомого складу змінного струму використовуються діодні та тиристорні випрямлячі, які зумовлюють ряд недоліків. До таких недоліків відносяться значна емісія реактивної потужності та вищих гармонік струмів до контактної мережі, а також відсутність можливості реалізації рекуперації електроенергії до контактної мережі. В зв’язку з цим перспективним є застосування однофазних чотириквадрантних активних випрямлячів з корекцією коефіцієнта потужності. Перевагою цих перетворювачів є забезпечення коефіцієнта потужності близького до одиниці, реалізація синусоїдального вхідного струму, а також можливість реалізації рекуперації електроенергії до мережі живлення.

У системах керування активними випрямлячами досить поширеними є системи керування з гістерезисною модуляцією. Проте гістерезисна модуляція зумовлює необхідність реалізації високої та змінної частоти комутації силових ключів, що негативно впливає на втрати потужності в перетворювачі. Тому запропоновано систему керування з покращеною гістерезисною модуляцією. За рахунок удосконаленого алгоритму комутації силових ключів запропонована покращена гістерезисна система керування дозволяє знизити число перемикань силових ключів. Це дозволяє знизити динамічні втрати потужності в активному випрямлячі, що дає змогу збільшити ККД електрорухомого складу в цілому.

У програмі Matlab 2017b проведено імітаційне моделювання, що підтверджує ефективність запропонованого алгоритму модуляції. Крім того, під час реалізації запропонованого алгоритму комутації спостерігається покращення гармонічного складу вхідного струму. Підтверджено зниження амплітуд вищих гармонік вхідного струму та покращення результуючого коефіцієнта гармонічних спотворень

Біографії авторів

Oleksandr Plakhtii, Конструкторське бюро ТОВ «ВО ОВЕН» вул. Гвардійців-Широнівців, 3А, м. Харків, Україна, 61153

Кандидат технічних наук, інженер-електронік

Volodymyr Nerubatskyi, Український державний університет залізничного транспорту майдан Фейєрбаха, 7, м. Харків, Україна, 61050

Кандидат технічних наук, доцент

Кафедра електроенергетики, електротехніки та електромеханіки

Nadiia Karpenko, Український державний університет залізничного транспорту майдан Фейєрбаха, 7, м. Харків, Україна, 61050

Кандидат технічних наук, доцент

Кафедра електроенергетики, електротехніки та електромеханіки

Denys Hordiienko, ПрАТ «ЕЛАКС» вул. Ак. Проскури, 1, м. Харків, Україна, 61085

Інженер

Olha Butova, Національний технічний університет «Харківський політехнічний інститут» вул. Кирпичова, 2, м. Харків, Україна, 61002

Кандидат технічних наук, доцент

Кафедра промислової і біомедичної електроніки

Hryhorii Khoruzhevskyi, Конструкторське бюро ТОВ «ВО ОВЕН» вул. Гвардійців-Широнівців, 3А, м. Харків, Україна, 61153

Інженер-конструктор

Посилання

  1. Blahnik, V., Talla, J. (2016). Single-phase synchronization for traction active rectifier. 2016 International Conference on Applied Electronics (AE). doi: https://doi.org/10.1109/ae.2016.7577233
  2. Fomin, O. (2014). Modern requirements to carrying systems of railway general-purpose gondola cars. Metallurgical and Mining Industry, 5, 31–44.
  3. Maliakova, M., Kalinov, A. (2017). APF control with the use of the direction of the energy flow determination method in the electric circuit with a nonlinear load. 2017 International Conference on Modern Electrical and Energy Systems (MEES). doi: https://doi.org/10.1109/mees.2017.8248894
  4. Bohra, A., Sajeesh, D., Patel, C., Saldanha, M. (2016). Modulation techniques in single phase PWM rectifier. IJCA Proceedings on International Conference on Advances in Science and Technology, 5–7.
  5. Plakhtiy, O. A., Nerubatskiy, V. P., Sushko, D. L., Kavun, V. E. (2018). Reduction of dynamic losses in the active one-phase four-quadrant converter with the improved algorithm of hysteresis modulation. Praci Institutu Elektrodinamiki Nacional'noi Akademii Nauk Ukraini, 51, 88–94. doi: https://doi.org/10.15407/publishing2018.51.088
  6. Fomin, O. V. (2015). Increase of the freight wagons ideality degree and prognostication of their evolution stages. Scientific Bulletin of National Mining University, 3, 68–76.
  7. Javier Arcega Solsona, F., Pardina Carrera, A. (2014). Study of harmonics thermal effect in conductors produced by skin effect. IEEE Latin America Transactions, 12 (8), 1488–1495. doi: https://doi.org/10.1109/tla.2014.7014518
  8. Nerubatskyi, V., Plakhtii, O., Kotlyarov, V. (2019). Analysis of topologies of active four-quadrant rectifiers for implementing the INDUSTRY 4.0 principles in traffic power supply systems. International scientific journal «INDUSTRY 4.0», 4 (3), 106–109.
  9. Shobini, M. M., Kamala, J., Rathna, R. (2017). Analysis and simulation of flying capacitor multilevel inverter using PDPWM strategy. 2017 International Conference on Innovative Mechanisms for Industry Applications (ICIMIA). doi: https://doi.org/10.1109/icimia.2017.7975578
  10. Scherback, Y. V., Plakhtiy, O. A., Nerubatskiy, V. P. (2017). Control characteristics of active four-quadrant converter in rectifier and recovery mode. Tekhnichna Elektrodynamika, 6, 26–31.doi: https://doi.org/10.15407/techned2017.06.026
  11. Oleksandr, P., Volodymyr, N. (2018). Analyses of Energy Efficiency of Interleaving in Active Voltage-Source Rectifier. 2018 IEEE 3rd International Conference on Intelligent Energy and Power Systems (IEPS). doi: https://doi.org/10.1109/ieps.2018.8559514
  12. Kiran, B., Parthiban, P., Jena, D., Prakash, P. S. (2016). Design and implementation of sliding mode voltage controller for DC to DC buck converter by using hysteresis modulation and pulse width modulation. 2016 Biennial International Conference on Power and Energy Systems: Towards Sustainable Energy (PESTSE). doi: https://doi.org/10.1109/pestse.2016.7516439
  13. Sondur, V. V., Sondur, V. B., Rao, D. H., Latte, M. V., Ayachit, N. H. (2007). Issues in the Design of Equiripple FIR Higher Order Digital Differentiators using Weighted Least Squares Technique. 2007 IEEE International Conference on Signal Processing and Communications. doi: https://doi.org/10.1109/icspc.2007.4728287
  14. Ahmadzadeh, T., Sabahi, M., Babaei, E. (2017). Modified PWM control method for neutral point clamped multilevel inverters. 2017 14th International Conference on Electrical Engineering/Electronics, Computer, Telecommunications and Information Technology (ECTI-CON). doi: https://doi.org/10.1109/ecticon.2017.8096351
  15. Gervasio, F., Mastromauro, R. A., Liserre, M. (2015). Power losses analysis of two-levels and three-levels PWM inverters handling reactive power. 2015 IEEE International Conference on Industrial Technology (ICIT). doi: https://doi.org/10.1109/icit.2015.7125248
  16. Colak, K., Asa, E., Czarkowski, D. (2016). A novel phase control of single switch active rectifier for inductive power transfer applications. 2016 IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition (APEC). doi: https://doi.org/10.1109/apec.2016.7468107
  17. Wei, L., Jankovic, Z., Patel, Y. P., Hu, J. (2016). Single phase precharge control method for active front end rectifier. 2016 IEEE Energy Conversion Congress and Exposition (ECCE). doi: https://doi.org/10.1109/ecce.2016.7855436
  18. Swamy, M., Guddanti, C. (2014). An improved single-phase active front end rectifier system for use with three-phase variable frequency drives. 2014 IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition - APEC 2014. doi: https://doi.org/10.1109/apec.2014.6803514
  19. Shruti, K. K., Valsalan, T., Poorani, S. (2017). Single phase active front end rectifier system employed in three phase variable frequency drive. International Journal of Innovative Research in Electrical, Electronics, Instrumentation and Control Engineering, 5, 121–129. Available at: https://ijireeice.com/wp-content/uploads/2017/05/IJIREEICE-nCORETech-16.pdf
  20. Suhara, E. M., Nandakumar, M. (2015). Analysis of Hysteresis Current Controlled Three Phase PWM Rectifier with Reduced Switching Loss. IJCTA, 8 (3), 877–887.
  21. Nerubatskyi, V. P., Plakhtiy, A. A., Gladka, A. V. (2018). EMC improvment research of three-phase active rectifiers with power factor correction in regenerative mode. Collected scientific works of Ukrainian State University of Railway Transport, 178, 21–28. doi: https://doi.org/10.18664/1994-7852.178.2018.138906
  22. Dias, R. A., Lira, G. R. S., Costa, E. G., Ferreira, R. S., Andrade, A. F. (2018). Skin effect comparative analysis in electric cables using computational simulations. 2018 Simposio Brasileiro de Sistemas Eletricos (SBSE). doi: https://doi.org/10.1109/sbse.2018.8395687
  23. Zagirnyak, M., Maliakova, M., Kalinov, A. (2015). Analysis of operation of power components compensation systems at harmonic distortions of mains supply voltage. 2015 Intl Aegean Conference on Electrical Machines & Power Electronics (ACEMP), 2015 Intl Conference on Optimization of Electrical & Electronic Equipment (OPTIM) & 2015 Intl Symposium on Advanced Electromechanical Motion Systems (ELECTROMOTION). doi: https://doi.org/10.1109/optim.2015.7426958
  24. Plakhtii, O., Nerubatskyi, V., Ryshchenko, I., Zinchenko, O., Tykhonravov, S., Hordiienko, D. (2019). Determining additional power losses in the electricity supply systems due to current's higher harmonics. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 1 (8 (97)), 6–13. doi: https://doi.org/10.15587/1729-4061.2019.155672
  25. Zhao, L., Wang, Q., Li, G., Chen, Q., Hu, C. (2014). Analyze and compare the efficiency of two-level and three-level inverter in SVPWM. 2014 9th IEEE Conference on Industrial Electronics and Applications. doi: https://doi.org/10.1109/iciea.2014.6931488
  26. Vintrih, A., Ul'rih, N., Kolpakov, A. I., Mysak, T. V., Polishchuk, S. I. (2017). Analiz dinamicheskih poter' moshchnyh IGBT. Vestnik Natsional'nogo tehnicheskogo universiteta «Kharkivskiy politehnicheskiy institut», 27, 191–196.
  27. Podder, S., Biswas, M. M., Khan, M. Z. R. (2016). A modified PWM technique to improve total harmonic distortion of Multilevel Inverter. 2016 9th International Conference on Electrical and Computer Engineering (ICECE). doi: https://doi.org/10.1109/icece.2016.7853970
  28. Dai, P., Guo, G., Gong, Z. (2016). A Selection Precharge Method for Modular Multilevel Converter. International Journal of Control and Automation, 9 (4), 161–170. doi: https://doi.org/10.14257/ijca.2016.9.4.16
  29. Ferdowsi, F., Yazdankhah, A. S., Rohani, H. (2014). A combinative method to control output power fluctuations of large grid-connected photovoltaic systems. 2014 14th International Conference on Environment and Electrical Engineering. doi: https://doi.org/10.1109/eeeic.2014.6835875
  30. Orlov, A. I. (2013). Renewal dependence method of least squares based nonparametric model with periodic component. Scientific Journal of KubSAU, 91 (07).

##submission.downloads##

Опубліковано

2019-09-26

Як цитувати

Plakhtii, O., Nerubatskyi, V., Karpenko, N., Hordiienko, D., Butova, O., & Khoruzhevskyi, H. (2019). Дослідження енергетичних характеристик однофазних активних чотириквадрантних випрямлячів з удосконаленою гістерезисною модуляцією. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 5(8 (101), 36–44. https://doi.org/10.15587/1729-4061.2019.179205

Номер

Том 5 № 8 (101) (2019): Енергозберігаючі технології та обладнання

Розділ

Енергозберігаючі технології та обладнання

Ліцензія

Авторське право (c) 2019 Oleksandr Plakhtii, Volodymyr Nerubatskyi, Nadiia Karpenko, Denys Hordiienko, Olha Butova, Hryhorii Khoruzhevskyi

Creative Commons License

Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Закріплення та умови передачі авторських прав (ідентифікація авторства) здійснюється у Ліцензійному договорі. Зокрема, автори залишають за собою право на авторство свого рукопису та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons CC BY. При цьому вони мають право укладати самостійно додаткові угоди, що стосуються неексклюзивного поширення роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом, але за умови збереження посилання на першу публікацію статті в цьому журналі.

Ліцензійний договір – це документ, в якому автор гарантує, що володіє усіма авторськими правами на твір (рукопис, статтю, тощо).
Автори, підписуючи Ліцензійний договір з ПП «ТЕХНОЛОГІЧНИЙ ЦЕНТР», мають усі права на подальше використання свого твору за умови посилання на наше видання, в якому твір опублікований. Відповідно до умов Ліцензійного договору, Видавець ПП «ТЕХНОЛОГІЧНИЙ ЦЕНТР» не забирає ваші авторські права та отримує від авторів дозвіл на використання та розповсюдження публікації через світові наукові ресурси (власні електронні ресурси, наукометричні бази даних, репозитарії, бібліотеки тощо).
За відсутності підписаного Ліцензійного договору або за відсутністю вказаних в цьому договорі ідентифікаторів, що дають змогу ідентифікувати особу автора, редакція не має права працювати з рукописом.
Важливо пам’ятати, що існує і інший тип угоди між авторами та видавцями – коли авторські права передаються від авторів до видавця. В такому разі автори втрачають права власності на свій твір та не можуть його використовувати в будь-який спосіб.