Аннотация
В представленной статье рассматривается влияние метода широтно-импульсной модуляции (ШИМ) на коэффициент нелинейных искажений токов, также известный как индекс суммарных гармонических искажений (THDi) электродвигателя, для авиационного синхронного электропривода с возбуждением от постоянных магнитов. Особенностью авиационного тягового привода является большая частота первой гармоники тока двигателя. Это связано с тем, что от авиадвигателей требуются большие скорости вращения для обеспечения необходимой тяги для полета. Помимо этого, проектировщики электрических двигателей для минимизации тока электродвигателя при необходимом крутящем моменте проектируют электродвигатели с большим числом пар полюсов, что приводит к маленькому соотношению частоты ШИМ к частоте первой гармоники тока. Исследование направлено на нахождение оптимального метода ШИМ с точки зрения индекса суммарных гармонических искажений тока двигателя и потерь в инверторе с использованием математической модели электропривода. Рассматриваются векторная ШИМ с привязкой к отрицательной шине звена постоянного тока, векторная ШИМ с переменной привязкой и ШИМ методом мгновенных фазных потенциалов. Также затрагивается влияние применяемого метода ШИМ на пульсации крутящего момента. В качестве автономного инвертора напряжения применяется двухуровневый трехфазный инвертор на базе SiC MOSFET. Инверторы на базе SiC MOSFET позволяют получить большую удельную мощность по сравнению с инверторами на базе Si IGBT, что актуально для рассматриваемого применения. Результаты моделирования показали, что метод векторной ШИМ с привязкой к отрицательной шине позволяет получить наименьший индекс суммарных гармонических искажений при условии равных коммутационных потерь для всех рассматриваемых методов ШИМ.
Ключевые слова
широтно-импульсная модуляция, индекс суммарных гармонических искажений, автономный инвертор напряжения, синхронный электропривод, SiC MOSFET
1. Adu-Gyamfi B.A., Good C. Electric aviation: A review of concepts and enabling technologies // Transportation Engineering. 2022. Vol. 9. 100134. doi: 10.1016/j.treng.2022.100134
2. Staack I., Sobron A., Krus P. The potential of full-electric aircraft for civil transportation: from the Breguet range equation to operational aspects // CEAS Aeronaut Journal. 2021. No. 12. Pp. 803-819. doi: 10.1007/s13272-021-00530-w
3. Farrakhov D., Barabanov K. Novel modular design of gearless electric drive for propeller of an all-electric aircraft // International Conference on Electrotechnical Complexes and Systems (ICOECS). IEEE, 2020. Pp. 1-5. doi: 10.1109/ICOECS50468.2020.9278467
4. Panda A., Dyanamina G., Singh R.K. MATLAB Simulation of Space Vector Pulse Width Modulation for 3-level NPC Inverter and 2-level Inverter // International Conference on Sustainable Energy and Future Electric Transportation (SEFET). IEEE, 2021. Pp. 1-5. doi: 10.1109/SeFet48154.2021.9375668
5. Comparison between 2-level and 3-level grid connected inverters implemented using SRF PLL technique / K.V. Krishna, H. M. Suryawanshi, A. B. Shitole, T. Ajmal // International Conference on Energy, Power and Environment: Towards Sustainable Growth (ICEPE). IEEE, 2015. Pp. 1-6. doi: 10.1109/EPETSG.2015.7510080
6. Rahmani S., Hamadi A., Al-Haddad K. A new combination of Shunt Hybrid Power Filter and Thyristor Controlled Reactor for harmonics and reactive power compensation // IEEE Electrical Power & Energy Conference (EPEC). IEEE, 2009. Pp. 1-6. doi: 10.1109/EPEC.2009.5420375
7. Performance Evaluation of Multi-Modulation Single-Carrier PWM Methods for Motor Drive Applications / P.M. Lingom, J. Song-Manguelle, R. Unruh, J.M. Nyobe-Yome, M.L. Doumbia // IEEE 14th International Conference on Power Electronics and Drive Systems (PEDS). IEEE, 2023. Pp. 1-6. doi: 10.1109/PEDS57185.2023.10246565
8. Pratheesh K.J, Jagadanand G, Ramchand R. An improved space vector PWM method for a three-level inverter with reduced THD // 9th International Conference on Compatibility and Power Electronics (CPE), IEEE, 2015. Pp. 167-172. doi: 10.1109/CPE.2015.7231067
9. Zu G., Zhu X., Yang S. Using DPWM method to improve system efficiency of the machine drive system // 22nd International Conference on Electrical Machines and Systems (ICEMS). IEEE, 2019. Pp. 1-4, doi: 10.1109/ICEMS.2019.8922289
10. Mahbub M., Hossain M.A. Design, Simulation and Comparison of Three-phase Symmetrical Hybrid Sinusoidal PWM fed Inverter with Different PWM Techniques // 2nd International Conference on Robotics, Electrical and Signal Processing Techniques (ICREST). IEEE, 2021. Pp. 1-5. doi: 10.1109/ICREST51555.2021.9331086
11. Zou Y., Damzyn J., Kuruppu S. Comparison of SiC MOSFET Thermal Performance Under Different PWM Strategies // IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition (APEC). IEEE, 2023. Pp. 173-180, doi: 10.1109/APEC43580.2023.10131177
12. Mattoo B.A., Bhat A.H. Comparative Analysis of Various PWM Techniques for Voltage Source Inverter // 1st International Conference on Sustainable Technology for Power and Energy Systems (STPES). IEEE, 2022. Pp. 1-6. doi: 10.1109/STPES54845.2022.10006650
13. Dahidah M.S.A., Konstantinou G., Agelidis V.G. A Review of Multilevel Selective Harmonic Elimination PWM: Formulations, Solving Algorithms, Implementation and Applications // IEEE Transactions on Power Electronics. 2015. No. 8(30). Pp. 4091-4106. doi: 10.1109/TPEL.2014.2355226
14. Karnavar P.H., Jisha V.R. Harmonic Reduction and Power Factor Improvement of BLDC Motor Drive System Using a Selective Harmonic Elimination PWM Based Controller // International Conference on Power, Instrumentation, Control and Computing (PICC). IEEE, 2020. Pp. 1-5. doi: 10.1109/PICC51425.2020.9362432
15. Rai N., Chakravorty S. A Review on the Generalized Formulations for Selective Harmonic Elimination (SHE-PWM) strategy // IEEE First International Conference on Smart Technologies for Power, Energy and Control (STPEC). IEEE, 2020. Pp. 1-6. doi: 10.1109/STPEC49749.2020.9297733
16. Analysis of the influence of the switching strategy on the IGBTs temperature in AC drives / M. Ilyin, M. Bobrov, V. Lapshina, F. Briz and A. Anuchin // 57th International Scientific Conference on Power and Electrical Engineering of Riga Technical University (RTUCON). IEEE, 2016. Pp. 1-6. doi: 10.1109/RTUCON.2016.7763115
17. Шрейнер Р.Т. Математическое моделирование электроприводов переменного тока с полупроводниковыми преобразователями частоты. Екатеринбург: УРО РАН, 2000. C. 383-386.
18. Liu F., Xin K., Liu Y. An adaptive Discontinuous Pulse Width Modulation (DPWM) method for three phase inverter // IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition (APEC). IEEE, 2017. Pp. 1467-1472. doi: 10.1109/APEC.2017.7930892
Влияние метода широтно-импульсной модуляции на коэффициент нелинейных искажений тока электродвигателя в авиационном электроприводе / Т.К. Масленников, Е.С. Кулик, А.А. Жарков, К.Г. Фёдорова, Д.А. Благодаров // Электротехнические системы и комплексы. 2023. № 4(61). С. 4-11. https://doi.org/10.18503/2311-8318-2023-4(61)-4-11