Аннотация
Применение синусоидальной частотно-импульсной модуляции в автономных инверторах напряжения (АИН) вместо синусоидальной широтно-импульсной модуляции позволит уменьшить динамические потери в полупроводниковых ключах. Цель исследования представленной статьи заключается в разработке и математическом моделировании альтернативного вида модуляции (так называемой частотно-импульсной модуляции), которая позволяет уменьшить динамические потери в полупроводниковых ключах. Для анализа и сравнения энергетических зависимостей автономных инверторов напряжения с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) и частотно-импульсной модуляцией (ЧИМ) в статье применены методы математического моделирования в среде Matlab / Simulink. В среде Matlab / Simulink разработана модель АИН с синусоидальной ЧИМ, которая за-дается аналого-цифровым способом. В ЧИМ длительность импульса остается постоянной, а периоды следования импульсов являются переменными и изменяются по синусоидальному закону. Полученные диаграммы автономного инвертора напряжения с ЧИМ показали, что частота модуляции по краям полупериодов выходного импульсного напряжения в два раза меньше, чем в середине полупериодов выходного импульсного напряжения. Вследствие этого динамические потери в модулях IGBT-транзисторов автономного инвертора напряжения с ЧИМ будут значительно ниже, чем в аналогичной схеме с ШИМ. Также приведены аналитические выражения, описывающие статические и динамические потери мощности в силовых полупроводниковых диодах и транзисторах. Методом полиномиальной аппроксимации силовых характеристик IGBT-транзисторов получены математические выражения, описывающие зависимости Uсе(Ic), UF(IF), Eon(Ic), Eoff(Ic), Erec(Ic). На базе полученных выражений в среде Matlab / Simulink разработан блок расчета статических и динамических потерь мощности. Разработаны математические модели АИН с ЧИМ и ШИМ в среде Matlab / Simulink с использованием блоков из библиотеки SimPowerSystem. Применение ЧИМ вместо ШИМ позволяет увеличить коэффициент полезного действия АИН.
Ключевые слова
Автономный инвертор напряжения, частотно-импульсная модуляция, широтно-импульсная модуляция, моделирование, динамические потери, аппроксимация, коэффициент полезного действия.
1. Дунаев М.П., Довудов С.У. Моделирование однофазного двухуровневого автономного инвертора напряжения с частотно-импульсной модуляцией // Информационные и математические технологии в науке и управлении. 2020. № 2(18). С. 134-143. doi: 10.38028/ESI.2020.18.2.011
2. Dunaev M.P., Dovudov S.U., Arshinskiy L.V. // Energy characteristics the autonomous voltage inverter with the pulse-frequency modulation // 2020 International Multi-Conference on Industrial Engineering and Modern Technologies (FarEastCon). Vladivostok, 2020. Pp. 1-5. doi: 10.1109/FarEastCon50210.2020.9271151
3. Дунаев М.П. Силовые электронные преобразователи электростанций: учеб. пособие. Иркутск: Изд-во ИРНИТУ, 2016. 116 с.
4. Пронин М.В., Воронцов А.Г. Силовые полностью управляемые полупроводниковые преобразователи (моделирование и расчет). СПб: ОАО «Электросила», 2003. 172 с.
5. Довудов С.У., Дунаев М.П. Анализ энергетических показателей импульсных преобразователей // Вестник Иркутского государственного технического университета. 2020. № 24(2). С. 345-355. doi: 10.21285/1814-3520-2020-2-345-355
6. Дунаев М.П., Довудов С.У. Моделирование схемы частотно-импульсного преобразователя // Информационные и математические технологии в науке и управлении. 2019. №3(15). С. 144-152. doi: 10.25729/2413-0133-2019-3-13
7. Ertan H.B., Simsir N.B. Comparison of PWM and PFM induction drives regarding audible noise and vibration for household applications // IEEE Transactions on Industry Applications. 2004. Vol. 40 (6). Pp. 1621-1628. doi: 10.1109/TIA.2004.836316
8. Дунаев М.П., Довудов С.У. Моделирование потерь мощности в преобразователе частоты // Электротехнические системы и комплексы. 2021. № 2(51). С. 45-51. doi: 10.18503/2311-8318-2021-2(51)-45-51
9. Pulse width and pulse frequency modulation pattern con-trolled active clamp ZVS inverter link AC-DC power con-verter utility AC side active power filtering function for con-sumer magnetron driver / M. Nakaoka, B. Saha, S.P. Mun, T. Mishima, S.K. Kwon // IECON 2007 - 33rd Annual Con-ference of the IEEE Industrial Electronics Society. 2007. Pp. 1968-1971. doi: 10.1109/IECON.2007.4460148
10. Дунаев М.П., Довудов С.У. Сравнение энергетических показателей импульсных преобразователей постоянного тока по результатам имитационного компьютерного моделирования // Электротехнические системы и комплексы. 2021. № 1(50). С. 35-41. doi: 10.18503/2311-8318-2021-1(50)-35-41
11. Calculation of static and dynamic losses in power IGBT transistors by polynomial approximation of basic energy characteristics / O.A. Plakhtii, V.P. Nerubatskyi, D.A. Hordiienko, H.A. Khoruzhevskyi // Naukovyi Visnyk Natsionalnoho Hirnychoho Universytetu. 2020. No. 2. Pp. 82-88. doi: 10.33271/nvngu/2020-82
12. Bouzida A., Abdelli R., Ouadah M. Calculation of IGBT power losses and junction temperature in inverter drive // 2016 8th International Conference on Modelling, Identifica-tion and Control (ICMIC). 2016. Pp. 768-773. doi: 10.1109/ICMIC.2016.7804216
13. Hanini W., Ayadi M. Comparison of IGBT switching losses modeling based on the datasheet and an experimental study // 2019 19th International Conference on Sciences and Techniques of Automatic Control and Computer Engineering (STA). 2019. Pp. 382-387. doi: 10.1109/STA.2019.8717219
14. Дьякoнoв B.П. MATLAB и Simulink для paдиoинжeнepa. M.: ДMK Пpecc, 2011. 976 c.
15. Чepныx И.B. Moдeлиpoвaниe элeктpoтexничecкиx ycтpoйcтв в MATLAB, SimPowerSystems и Simulink. M.: ДMK Пpecc, 2008. 288 c.