Анализ работы Н-мостового каскадного инвертора

УДК 621.314.26

АНАЛИЗ РАБОТЫ Н-МОСТОВОГО КАСКАДНОГО ИНВЕРТОРА © 2018г. М.А. Таранов, П.Т. Корчагин, П.В. Гуляев

Преобразование электроэнергии с применением полупроводниковой техники в системах электроснабжения сталкивается с большими трудностями. Во-первых, это связано с искажением формы, возрастанием гармонических составляющих напряжения и тока. Во-вторых, современные полупроводниковые элементы не способны коммутировать напряжения высокого уровня (свыше 10 кВ). Поэтому работы, направленные на разработку и совершенствование схемных решений преобразователей напряжения и тока, остаются и будут актуальными еще на протяжении долгого времени. В настоящее время к подобным разработкам можно отнести концепции построения многоуровневых инверторов. Данные устройства, с одной стороны, позволяют применять полупроводниковые элементы низкого класса напряжения и с их помощью производить коммутации напряжения высокого уровня, а с другой стороны, дают возможность значительно снизить или вовсе исключить искажение формы выходного сигнала, не прибегая к использованию активных или пассивных фильтров. Анализ работы одного из таких типов инверторов - преобразователя напряжения, построенного на Н-мостовых ячейках, - представлен в данной статье. Рассмотрены схемные решения для обеспечения электроэнергией однофазных и трехфазных потребителей, комбинации работы ключей, позволяющие формировать на выходе устройства переменное напряжение, а также способ построения каскадного инвертора на Н-мостовых ячейках. С помощью программной среды Matlab построена модель пятиуровневого каскадного инвертора на Н-мостовых ячейках, произведено моделирование работы устройства, в ходе которого получены формы выходного напряжения и результаты их спектрального анализа. Полученные результаты моделирования позволяют говорить о привлекательности данной технологии, возможности её использования в высоковольтных электроприводах или в системах электроснабжения. Уже сегодняшние разработки в области преобразования электроэнергии с помощью многоуровневой концепции построения инверторов дают возможность снизить требования к фильтрам на выходе устройства. Дальнейшее развитие этих технологий позволяет и вовсе отказаться от фильтрующих элементов в данных инверторах.

Ключевые слова: инверторы, Н-мостовая ячейка, каскадные инверторы, гармонические составляющие, инвертор напряжения, электроснабжение, силовой ключ, широтно-импульсная модуляция, линейное напряжение, коммутация, пятиуровневый инвертор.

The transformation of electrical energy using semiconductor technics in power supply systems faces great difficulties. First of all, this is due to the distortion of the shape, the increase in the harmonic components of voltage and current. Secondly, modern semiconductor elements are not able to commute high-level voltages (over 10 kV). Therefore, the work aimed at developing and improving circuit solutions, the implementation of voltage and current converters, remain and will remain urgent for a long time. At present, a such concepts carry the concepts of multilevel inverters. These devices, on the one hand, allow the use of semiconductor elements of low voltage class and with their help to produce high voltage switching, and on the other hand, it makes it possible to significantly reduce or completely eliminate the distortion of the output signal shape without resorting to the use of active or passive filters. The work of one of these types of inverters is presented in this article - a voltage converter built on H-bridge cells. Schematic solutions for providing single-phase and three-phase consumers with electric power, a combination of the operation of keys, allowing to form an alternating voltage at the output of the device, as well as a method for constructing a cascade inverter on H-bridge cells are considered. Using the Matlab software environment, a five-level cascade inverter model was built on H-bridge cells, the device was simulated, during which the output voltage forms and the results of their spectral analysis were obtained. The received results of modeling, allow to claim about appeal to the given technology, the chance of her use in high-voltage electric drives or in the systems of power supply. Already today's developments in the field of transformation of the electric power by means of the multilevel concept of creation of inverters, make it possible to reduce requirements to filters at the device exit. Further development of these technologies, will allow to refuse the filtering elements in these inverters at all.

Keywords: inverters, H-bridge cell, cascaded invertors, harmonic components, voltage inverter, power supply, power key, pulse-width modulation, line voltage, the switching, five-level inverter.

Введение. Непрерывное развитие и совершенствование силовых полупроводниковых элементов, а также методов реализации импульсной модуляции раскрыли возможность широкого внедрения полупроводниковой преобразовательной техники как в области электроприводов, так и в системах обеспечения потребителей электрической энергией. В свою очередь, виток развития в области полупроводниковой техники не может не спровоцировать на

создание новых законов модуляции, направленных на повышение качества преобразования энергии. В роли инструмента для реализации подобной технической задачи используют многоуровневые топологии построения инверторов. Одними из представителей таких преобразователей являются инверторы, построенные на базе Н-мостовых ячеек.

Данный класс инверторов был предложен еще в 1975 году и по сегодняшний день остает-

ся одним из самых приоритетных [1]. Основным преимуществом Н-мостовой ячейки является её универсальность. Для осуществления питания

однофазного потребителя достаточно использовать лишь одну Н-мостовую ячейку (рисунок 1 а).

а б

а - схема однофазного Н-мостового инвертора; б - форма выходного напряжения инвертора

Рисунок 1 - Н-мостовой инвертор

Формирование переменного выходного напряжения происходит за счет различных комбинаций состояния четырех силовых ключей Б1 - Э4 [2]. При этом всего на выходе может быть три уровня напряжения: положительное значение напряжения, равное приложенному на вход, отрицательное и 0. В состоянии, когда транзисторы S1 и S4 открыты, а S2 и Sз закрыты, формируется положительный уровень напряжения, в противоположном состоянии S2 и Sз открыты, S1 и S4 закрыты - отрицательный уровень напряжения. Напряжение на выходе, равное нулю, формируется двумя комбинациями

транзисторов: 1 - Э1 и Sз открыты, а S2 и S4 закрыты и 2 - Б1 и Sз закрыты, а S2 и S4 открыты. Для данных преобразователей может применяться однополярная или двухполярная широт-но-импульсная модуляция (ШИМ) [3, 4, 5]. В результате форма выходного напряжения инвертора имеет вид, представленный на рисунке 1 б. В случае недостаточного значения мощности для обеспечения потребителя электроэнергией, данное схемотехническое решение построения инверторов позволяет увеличить этот параметр путем параллельного подключения аналогичных Н-мостовых ячеек.

Рисунок 2 - Трехфазный Н-мостовой инвертор

Методика исследований. При необходимости обеспечения электроснабжением трехфазных потребителей Н-мостовая топология построения преобразователей предлагает решение, представленное на рисунке 2. Принцип работы устройства практически не отлича-

ется от описанного выше. Отличие состоит лишь в формировании ШИМ-сигнала. В трехфазном инверторе дополнительно появляется два опорных сигнала, которые сдвинуты на угол 1200 [5, 6]. Также следует отметить, что представленная схема трехфазного преобразовате-

ля состоит из трех аналогичных друг другу Н-мостовых ячеек, при этом один из выводов каждой ячейки соединяется между собой, образуя нейтраль п, а второй подключается к нагрузке. Благодаря этому, такой преобразователь позволяет обеспечить питанием как трехфазного, так и однофазного потребителя.

Еще одной особенностью применения подобного схемотехнического решения является то, что при последовательном подключении ячеек можно добиться необходимого уровня

напряжения при условии применения низковольтных силовых ключей. Такие инверторы, построенные на Н-мостовых ячейках, называют каскадными (рисунок 3 а). Чем больше количество последовательно подключенных ячеек, тем выше уровень напряжения, который способен коммутировать преобразователь, при этом форма выходного напряжения будет существенно отличаться от преобразователей, имеющих одну Н-мостовую ячейку [7, 8] (рисунок 3 б).

б

а - схема трехфазного каскадного Н-мостового инвертора; б - форма выходного напряжения каскадного Н-мостового инвертора Рисунок 3 - Трехфазный Н-мостовой инвертор

Для исследования работы подобного каскадного инвертора была разработана модель пятиуровневого Н-мостового преобразователя в программной среде МаАаЬ пакет Simulink [9, 10]

(рисунок 4). Основная цель представленного исследования - анализ качества выходного сигнала модели инвертора. Для этого был принят показатель несинусоидальности на-

пряжения. В свою очередь, несинусоидальность напряжения рассматривалась как значение суммарного коэффициента гармонических составляющих напряжения в точке передачи электрической энергии.

Результаты исследований и их обсуждение. Реализация пятиуровневого выходного сигнала основана на использовании шести Н-мостовых ячеек, включенных по две последовательно. Как было описано выше, одна ячейка

способна сформировать трехуровневый выходной сигнал, еще два появляются за счет дополнительного последовательного подключения Н-моста. В результате моделирования были получены кривые фазного и линейного напряжения. Анализ на несинусоидальность проводилась для линейного напряжения (рисунок 5), т.к. предполагается, что преобразователь будет питать трехфазную нагрузку.

Рисунок 4 - Модель пятиуровневого Н-мостового инвертора, построенного в программной среде МаАаЬ

Рисунок 5 - Результат анализа спектрального состава линейного напряжения модели Н-мостового инвертора

Несущая частота ШИМ в ходе моделирования была принята 1,2 кГц, модуляция - синусоидальная ШИМ, для анализа выбрано два периода, линейное напряжение составило 386,2 В, при этом суммарный коэффициент гармонических составляющих напряжения равен 15,41%. Обзор альтернативных многоуровневых концепций продемонстрировал, что последний показатель у всех находится практически на одинаковом уровне и выбор той или иной технологии заключается в возможности ее реализации [7, 8].

Помимо огромного количества достоинств рассматриваемой в данной статье концепции многоуровневых инверторов, следует отметить некоторые очевидные её недостатки. В первую очередь, необходимо обратить внимание, что при построении многоуровневого каскадного Н-мостового инвертора, для каждой ячейки требуется свое независимое питание, которое можно реализовать только с применением многообмоточного трансформатора. Такой трансформатор будет производиться специально по параметрам инвертора, при том, что мощность его должна будет соответствовать запросам потребителя. Другой недостаток - сложность в реализации программ управления.

Выводы

1. Н-мостовая концепция инверторов является если не единственной, то одной из самых универсальных. Увеличение напряжения и мощности реализуется соответствующим подключением необходимого количества ячеек.

2. Проведенное моделирование, по результатам которого суммарный коэффициент гармонических составляющих напряжения для пятиуровневого инвертора составляет 15,41%, подтверждает привлекательность данных преобразователей, особенно в области энергетики, где выдвигаются высокие требования к уровню гармонических искажений, а также к надежности электроснабжения потребителей.

3. Возможность применения низковольтной элементной базы для реализации Н-мос-товых ячеек позволяет увеличить экономическую привлекательность данной концепции.

Литература

1. Investigation and Comparison of Multi-Level Converters for Medium Voltage Applications. - Berlin: Technische Universität, 2007. - Р. 145.

2. Таранов, М.А. Многоуровневые и каскадные инверторы / М.А. Таранов, П.Т. Корчагин // Вестник аграрной науки Дона. - 2013. - № 4(24). - С. 63-66.

3. Holtz, J. On continuous control of PWM inverters in over-modulation range including six-step mode / J. Holtz, W. Lotzkat and A. Khambadkone // IEEE Trans. Power Electron. - 1993. - № 8 (4). - Р. 546-553.

4. Van der Broeck. Analysis and realisation of a pulse with modulator based on voltage space vectors / Van der Broeck, H.C. Skudelny and G.V. Stanke // IEEE Trans. Ind. Appl. - 1998. - № 24 (1). - Р. 142-150.

5. Шавелкин, А.А. Вариант схемы многоуровневого преобразователя среднего напряжения / А.А. Шавелкин // Электротехника. - 2009. - № 11. - С. 9-15.

6. Волков, А.Г. Анализ электромагнитных процессов в трехфазном многозонном инверторе тока / А.Г. Волков, Г.С. Зиновьев // Научный вестник Новосибирского государственного технического университета. - 2014. -№ 1 (54). - С. 134-142.

7. Wang, FEI. Sine-triangle versus space vector modulation for threelevel PWM voltage source inverters // Proc. IEEE-IAS Annual Meeting. - Rome, 2000. - Р. 2482-2488.

8. Multilevel voltage-source-converter topologies for industrial medium-voltage drives / J. Rodriguez, S. Bernet, B. Wu, J.O. Pontt and S. Kouro // IEEE Trans. Ind. Electron. -Dec. 2007. - Vol. 54. - № 6. - Р. 2930-2945.

9. Черных, И.В. Моделирование электротехнических устройств в Matlab, SimPowerSystems и Simulink / И.В. Черных. - М.: ДМК «Пресс»; СПб.: Питер, 2008. -288 с.: ил.

10. Дьяконов, В.П. MATLAB и Simulink в электроэнергетике: справочник / В.П. Дьяков, А.А. Пеньков - М: Горячая линия-Телеком, 2009. - 816 с.: ил.

References

1. Investigation and Comparison of Multi-Level Converters for Medium Voltage Applications, Berlin, Technische Universität, 2007, p. 145.

2. Taranov M.A., Korchagin P.T. Mnogourovnevye i kaskadnye invertory [Multi-level and cascade inverters], Vest-nik agrarnoj nauki Dona, 2013, No 4

3. Holtz J., Lotzkat W. and Khambadkone A. On continuous control of PWM inverters in over-modulation range including six-step mode, IEEE Trans. Power Electron, 1993, No 8 (4), pp. 546-553.

4. Van der Broeck, Skudelny H.C. and Stanke G.V. Analysis and realisation of a pulse with modulator based on voltage space vectors, IEEE Trans. Ind. Appl., 1998, No 24 (1), pp. 142-150.

5. Shavelkin A.A. Variant sxemy mnogourovnevogo preobrazovatelya srednego napryazheniya [Variant of the scheme of a multi-level medium voltage converter], Elektro-texnika, 2009, No 11, рр. 9-15.

6. Volkov A.G., Zinov'ev G.S. Analiz elektromagnit-nykh processov v trexfaznom mnogozonnom invertore toka [Analysis of electromagnetic processes in three-phase multizone the inverter current], Nauchnyj vestnik Novosibirskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta, 2014, No 1

7. Wang FEI. Sine-triangle versus space vector modulation for threelevel PWM voltage source inverters', Proc. IEEE-IAS Annual Meeting, Rome, 2000, pp. 2482-2488.

8. Rodriguez J., Bernet S., Wu B., Pontt J.O. and Kouro S. Multilevel voltage-source-converter topologies for industrial medium-voltage drives, IEEE Trans. Ind. Electron., Dec. 2007, Vol. 54, No 6, pp. 2930-2945.

9. Chernykh I.V. Modelirovanie elektrotekhnicheskikh ustrojstv v Matlab, SimPowerSystems i Simulink [Simulation of electrical devices in Matlab, SimPowerSystems and Simulink], M., DMK «Press»; SPb., Piter, 2008, pp. 288.

10. Dyakonov, V.P., Penkov A.A. MATLAB i Simulink v elektroenergetike: spravochnik [MATLAB and Simulink in the electric power industry. Handbook.], M., Goryachaya liniya-Telekom, 2009, pp. 816.

Сведения об авторах

Таранов Михаил Алексеевич - член-корреспондент РАН, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Эксплуатация энергетического оборудования и электрические машины», Азово-Черноморский инженерный институт - филиал ФГБОУ ВО «Донской государственный аграрный университет» в г. Зернограде (Ростовская область, Российская Федерация). Тел.: 8(86359) 34-8-85. E-mail: expl_el_mach@achgaa.ru.

Корчагин Павел Тимофеевич - кандидат технических наук, преподаватель первой категории, Азово-Черноморский инженерный институт - филиал ФГБОУ ВО «Донской государственный аграрный университет» в г. Зерно-граде (Ростовская область, Российская Федерация). Тел.: 8(86359) 34-8-85. E-mail: ya.korchaginpt@yandex.ru.

Гуляев Павел Владимирович - кандидат технических наук, доцент кафедры «Эксплуатация энергетического оборудования и электрические машины», Азово-Черноморский инженерный институт - филиал ФГБОУ ВО «Донской государственный аграрный университет» в г. Зернограде (Ростовская область, Российская Федерация). Тел.: 8(86359) 34-8-85. E-mail: expl_el_mach@achgaa.ru.

Information about the authors

Taranov Mikhail Alexeevich - Corresponding Member of the Russian Academy Sciences, Doctor of Technical Sciences, professor, chief of the Operation of power installations and electrical machines department, Azov-Black Sea Engineering Institute - branch of FSBEI HE «Don State Agrarian University» in Zernograd (Rostov region, Russian Federation). Phone: 8(86359) 34-8-85. E-mail: expl_el_mach@achgaa.ru.

Korchagin Pavel Timopheevich - Candidate of Technical Sciences, teacher of the first category, Azov-Black Sea Engineering Institute - branch of FSBEI HE «Don State Agrarian University» in Zernograd (Rostov region, Russian Federation). Phone: 8(86359) 34-8-85. E-mail: ya.korchaginpt@yandex.ru.

Gulyaev Pavel Vladimirovich - Candidate of Technical Sciences, associate professor of the Operation of power installations and electrical machines department, Azov-Black Sea Engineering Institute - branch of FSBEI HE «Don State Agrarian University» in Zernograd (Rostov region, Russian Federation). Phone: 8(86359) 34-8-85. E-mail: expl_el_mach@achgaa.ru.

УДК 631.372

АГРОТЕХНИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ ОЛИГОМЕРНЫХ ШИН ДВИЖИТЕЛЕЙ КОЛЁСНЫХ ТРАКТОРОВ КЛАССА 3

© 2018 г. ИМ. Меликов

При выполнении технологических операций мобильная сельскохозяйственная техника воздействует своими движителями на почву. При проходе сельскохозяйственных тракторов и машин в почве возникают нормальные напряжения, которые способствуют уплотнению её в пахотном и подпахотном горизонтах. Снижение негативного влияния на почву зависит от изыскания и реализации мероприятий по созданию на основе каучук-олигомерных композиций высокоэластичных пневматических шин. Объективных данных о влиянии олигомерных шин на агротехнические показатели почвы недостаточно. Целью исследований и испытаний предусматривалось определение агротехнических показателей олигомерных типоразмера 66*43-25 и серийных шин 21,3Р!24, предназначенных для колёсных тракторов класса 3. Объект исследования - олигомерная шина типоразмера 66*43,00-25 и серийная шина типоразмера 21,3R24. Предмет научных исследований - агротехнические показатели олигомерных шин типоразмера 66*43-25 и серийных шин 21,3R24 ведущих движителей колёсных тракторов класса 3. Метод исследования - аналитически-экспериментальный с использованием шинного тестера и трактора класса 3 с различными вариантами шин. Установлено следующее: олигомерная шина 66*43-25 полностью удовлетворяет, а серийная шина 21^24 не удовлетворяет требованиям ГОСТ 26955-86 по показателям, рассчитанным по ГОСТ 26953-86 и ГОСТ 26954-86; величина нормальных напряжений в пахотных горизонтах почвы при проходе олигомерной шины в два раза ниже по сравнению с серийной шиной 21^24; на глубине 50 см напряжения при проходе обеих шин одинаковы и составляют 8 и 25 кПа на поле, подготовленном под посев, и на стерне озимой пшеницы соответственно; основное влияние на величину нормальных напряжений в почве на глубине более 40 см оказывает масса, приходящаяся на движитель, а не размеры контактного отпечатка. По агротехническим показателям олигомерная шина для комплектации движителей сельскохозяйственных тракторов является предпочтительней.

Ключевые слова: почва, трактор, движитель, шина, шинный тестер, агротехнические показатели почвы.