DOI: https://doi.org/10.20998/2413-4295.2019.02.02

Спектр напруги ізольованого інвертора з двополярною модуляцією

Ievgen Verbytskyi

Анотація


У статті розглянуто інвертор напруги з гальванічною розв’язкою. Показано, що для ефективного використання високочастотного трансформатора, модуляцію напруги доцільно проводити за законом двополярної частотно-імпульсної модуляції з постійною тривалістю імпульсу. У цьому випадку трансформатор перемагнічується по граничній петлі гістерезису і тому за одну комутацію ключових елементів інвертора передається максимальна кількість енергії, що зменшує динамічні втрати у перетворювачі. На виході інвертора напруга, модульована за запропонованим законом, випрямляється і згладжується фільтром, після чого на виході перетворювача формується напруга, близька до синусоїдальної. Основною задачею дослідження є дослідження спектру напруги високочастотного інвертора, модульованої за законом двополярної частотно-імпульсної модуляції, і випрямленої напруги, модульованої за законом однополярної частотно-імпульсної модуляції. Для аналізу спектра напруги запропоновано використовувати ряд Фур’є двох змінних, який дозволяє розділити вплив несучої і модулюючої функції на спектр модульованого сигналу. Оскільки сигнал з частотно-імпульсною модуляцією формується на основі несучої функції зі змінною частотою, його спектр розраховується з використанням функції перетворення змінної часу на основі широтно-імпульсно модульованого сигналу з несучою функцією, що має постійну частоту. Двополярна модуляція отримується шляхом опису двополярного сигналу як суми двох однополярних сигналів – одного з позитивною, іншого – з негативною полярністю. Розрахований спектр модульованого сигналу на виході інвертора свідчить про те, що енергія через високочастотний трансформатор передається в основному на проміжній частоті, що свідчить про ефективне використання трансформатора. Спектр випрямленого однополярного сигналу має яскраво виражену першу гармоніку та низький склад вищих гармонік, що спрощує їх фільтрацію та зменшує габарити фільтра. Отже використання запропонованого закону модуляції на практиці дозволить зменшити габарити високочастотного трансформатора та рівень динамічних втрат через зменшення кількості комутацій ключових елементів інвертора. 


Ключові слова


інвертор з гальванічною розв’язкою; ряд Фур’є двох змінних; високочастотний трансформатор; частотно-імпульсна модуляція; спектральна характеристика

Повний текст:

PDF

Посилання


Vasca, F., Iannelli, L. Dynamics and Control of Switched Electronic Systems: Advanced Perspectives for Modeling, Simulation and Control of Power Converters (Advances in Industrial Control). Springer-Verlag, London, 2012, 493, doi: 10.1007/978-1-4471-2885-4.

Black, H. S. Modulation Theory. New York: Van Nostrand, 1993.

Billings, Keith H., Taylor, Morey. Switchmode power supply handbook McGraw-Hill, 2011, 414 p.

Mehrasa, M., Pouresmaeil, E., Zabihi, S., Trujillo Caballero, J., and Catalão, J. A Novel Modulation Function-Based Control of Modular Multilevel Converters for High Voltage Direct Current Transmission Systems. Energies, 2016, 9, 11, 867, doi: 10.3390/en9110867.

Sirisukprasert, S., Jih-Sheng, Lai, Tian-Hua, Liu. Optimum harmonic reduction with a wide range of modulation indexes for multilevel converters. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2002, 49(4), 875-881, doi:10.1109/tie.2002.801226.

Kazmierkowski, M. P. DSP-Based Control of Grid-Connected Power Converters Operating Under Grid Distortions. IEEE Transactions on Industrial Informatics, 2011, 7(2), 204-211, doi: 10.1109/tii.2011.2134856.

Shi, X., Jiang, J., Guo, X. An Efficiency-Optimized Isolated Bidirectional DC-DC Converter with Extended Power Range for Energy Storage Systems in Microgrids. Energies, 2013, 6, 27-44, doi: 10.3390/en6010027.

Verbytskyi, Ievgen. A double fourier series implementation for modulated signal with the arbitrary modulation. 2017 IEEE First Ukraine Conference on Electrical and Computer Engineering (UKRCON), 2017, 518-521, doi: 10.1109/UKRCON.2017.8100295.

Mikolaiets, D. The calculating algorithm of active power line conditioner with uninterruptible power supply function. IEEE 35th International Conference on Electronics and Nanotechnology (ELNANO), 2015, doi:10.1109/elnano.2015.7146945.

Krismer, F., Kolar, J. W. Closed Form Solution for Minimum Conduction Loss Modulation of DAB Converters / // IEEE Transactions on Power Electronics, 2012, 27(1), 174–188, doi: 10.1109/tpel.2011.2157976.

Verbytyskyi, I. V. Ispolzovanie dvoynogo ryada Furie dlya rascheta spectra modulirovannyh signalov [Using of Double Fourier series for modulated signals spectrum calculation]. Technichna elekrtrodynamika [Technical Electrodynamics], 2014, 4, 96-98.

Verbytskyi, Ievgen. Spectrum calculation of frequency pulse modulation voltage using double Fourier series. Conference IEEE 3rd Workshop on Advances in Information, Electronic and Electrical Engineering, Riga, 2015, 1-4, doi 10.1109/AIEEE.2015.7367287.

Jiao, N., Wang, S., Liu, T. Harmonic Analysis of Output Voltage in PWM Inverters. IEEE International Power Electronics and Application Conference and Exposition (PEAC), 2018, doi: 10.1109/peac.2018.8590551.

Holmes, D. Grahame, Lipo, Thomas A.. Pulse width modulation for power converters. Theory and practice. IEEE Press Series on Power Engineering, 2003, 724.

Watson, G. N. A treatise on the theory of Bessel functions. Cambridge university press, 1995, 724.


Пристатейна бібліографія ГОСТ


  1. Vasca, F. Dynamics and Control of Switched Electronic Systems: Advanced Perspectives for Modeling, Simulation and Control of Power Converters (Advances in Industrial Control) / F. Vasca L. Iannelli // Springer-Verlag, London, 2012. – 493 p. – doi: 10.1007/978-1-4471-2885-4.
  2. Black, H. S. Modulation Theory / H. S. Black // New York: Van Nostrand, 1993.
  3. Billings, Keith H. Switchmode power supply handbook / Keith H. Billings, Taylor Morey // McGraw-Hill, 2011. – 414 p.
  4. Mehrasa, M. A Novel Modulation Function-Based Control of Modular Multilevel Converters for High Voltage Direct Current Transmission Systems / M. Mehrasa, E. Pouresmaeil, S. Zabihi, J. Trujillo Caballero, and J. Catalão // Energies. – 2016. – V. 9, 11. – 867 p. – doi: 10.3390/en9110867.
  5. Sirisukprasert, S. Optimum harmonic reduction with a wide range of modulation indexes for multilevel converters / S. Sirisukprasert,  Lai Jih-Sheng, Liu Tian-Hua // IEEE Transactions on Industrial Electronics. – 2002. – Vol. 49(4). – p. 875-881. –doi:10.1109/tie.2002.801226.
  6. Kazmierkowski, M. P.  DSP-Based Control of Grid-Connected Power Converters Operating Under Grid Distortions. / M.P. Kazmierkowski, M. Jasinski, G. Wrona // IEEE Transactions on Industrial Informatics. – 2001. – 7(2). – P. 204-211. – doi: 10.1109/tii.2011.2134856.
  7. Shi, X. An Efficiency-Optimized Isolated Bidirectional DC-DC Converter with Extended Power Range for Energy Storage Systems in Microgrids / X.Shi, J. Jiang, X. Guo // Energies. – 2013. – Vol. 6. – P.  27-44. – doi: 10.3390/en6010027.
  8. Verbytskyi, Ievgen. A double fourier series implementation for modulated signal with the arbitrary modulation / Ievgen Verbytskyi // 2017 IEEE First Ukraine Conference on Electrical and Computer Engineering (UKRCON). – 2017. – P. 518-521. – doi: 10.1109/UKRCON.2017.8100295.
  9. Mikolaiets, D. The calculating algorithm of active power line conditioner with uninterruptible power supply function. / D. Mikolaiets // IEEE 35th International Conference on Electronics and Nanotechnology (ELNANO. –, 2015. – doi:10.1109/elnano.2015.7146945.
  10. Krismer, F. Closed Form Solution for Minimum Conduction Loss Modulation of DAB Converters / F. Krismer,  J. W. Kolar // IEEE Transactions on Power Electronics. – 2012. – Vol. 27(1). – P. 174–188. – doi: 10.1109/tpel.2011.2157976.
  11. Вербицкий, Е. В. Использование двойного ряда Фурье для расчета спектра модулированных сигналов / Е. В. Вербицкий // Технічна електродинаміка – 2014. – № 4. – C. 96-98.
  12. Verbytskyi, Ievgen. Spectrum calculation of frequency pulse modulation voltage using double Fourier series / Ievgen Verbytskyi // Conference  IEEE 3rd Workshop on Advances in Information, Electronic and Electrical Engineering. – Riga, 2015. – P. 1-4. – doi 10.1109/AIEEE.2015.7367287.
  13. Jiao, N. Harmonic Analysis of Output Voltage in PWM Inverters / N. Jiao, S.Wang, T. Liu // IEEE International Power Electronics and Application Conference and Exposition (PEAC). – 2018. – doi: 10.1109/peac.2018.8590551. 
  14. Holmes, D. Grahame. Pulse width modulation for power converters. Theory and practice / D. Grahame Holmes, Thomas A. Lipo // IEEE Press Series on Power Engineering, 2003. – 724 p.
  15. Watson, G. N.  A treatise on the theory of Bessel functions / G. N. Watson // Cambridge university press. 1995. – 724 p.