probenerИзвестия высших учебных заведений. ПРОБЛЕМЫ ЭНЕРГЕТИКИPower engineering: research, equipment, technology1998-99032658-5456Kazan State Power Engineering University10.30724/1998-9903-2026-28-2-52-66probener-3881Research ArticleЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЕ КОМПЛЕКСЫ И СИСТЕМЫELECTROTECHNICAL COMPLEXES AND SYSTEMSМоделирование инвертора тока на базе IGBT транзисторов с тепловыми моделями, ШИМ с выборочным исключением гармоникModeling of current source inverter based on IGBT transistors with thermal models and PWM with selective harmonic eliminationЮрченкоВ. П.YurchenkoV. P.

Юрченко Виктор Петрович – аспирант

Viktor P. Yurchenko

yurchenkovik@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0002-7028-9407КондратьевС. Е.KondratyevS. E.

Кондратьев Сергей Евгеньевич – аспирант

Sergey E. Kondratyev

razthepsycho@yandex.ruПономаревП. С.PonomarevP. S.

Пономарев Павел Сергеевич – аспирант

Pavel S. Ponomarev

pavel.sergeevi4.ponomarev@gmail.comПикаловВ. В.PikalovV. V.

Пикалов Владимир Владимирович – канд. техн. наук, доцент «Автоматизированного электропривода и робототехники»

Vladimir V. Pikalov

wreditels@mail.ruБезденежныхД. В.BezdenezhnykhD. V.

Безденежных Даниил Владимирович – канд. техн. наук, доцент кафедры «Автоматизированного электропривода и робототехники»

Daniil V. Bezdenezhnykh

bdv.lstu@gmail.comЛипецкий государственный технический университетРоссияLipetsk State Technical UniversityRussian Federation2026140620262825266Copyright © Юрченко В.П., Кондратьев С.Е., Пономарев П.С., Пикалов В.В., Безденежных Д.В., 20262026Юрченко В.П., Кондратьев С.Е., Пономарев П.С., Пикалов В.В., Безденежных Д.В.Yurchenko V.P., Kondratyev S.E., Ponomarev P.S., Pikalov V.V., Bezdenezhnykh D.V.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.energyret.ru/jour/article/view/3881

ЦЕЛЬ. Разработать и исследовать компьютерную модель трёхфазного двухуровневого инвертора тока на базе IGBT транзисторов с интегрированными тепловыми моделями. Создать систему коммутации силовых ключей инвертора на базе широтно-импульсной модуляции с выборочным исключением гармоник (ВИГШИМ) для решения проблемы негативного влияния гармоник высших порядков на питающую сеть промышленного предприятия. МЕТОДЫ. Для исследования предлагаемой системы управления трёхфазным двухуровневым инвертором тока была построена компьютерная имитационная модель в программном пакете MATLAB Simulink. В качестве силовых управляемых ключей использованы реальные IGBT транзисторы из каталога компании Infineon. Применен метод выборочного устранения гармоник (SHE) с использованием итерационного алгоритма Ньютона-Рафсона для расчета оптимальных углов коммутации силовых ключей. РЕЗУЛЬТАТЫ. Разработана система управления на базе регулятора на нечёткой логике, обеспечивающая автоматическое переключение между различными режимами работы инвертора в зависимости от температурного состояния силовых ключей, величины тока нагрузки и скорости изменения температуры транзисторов. Система коммутации позволяет осуществлять переключение между стандартным шестиступенчатым режимом и режимами ВИГШИМ с исключением 5-й, 7-й и 11-й гармоник без останова силового агрегата. ЗАКЛЮЧЕНИЕ. Разработанная система управления трёхфазным двухуровневым инвертором тока эффективно решает проблему негативного влияния гармоник на питающую сеть. Система обеспечивает защиту от перегрузки за счет автоматического снижения частоты коммутаций при повышении температуры, что предотвращает перегрев транзисторов и увеличивает срок службы преобразователя.

THE PURPOSE. To develop and investigate a computer model of a three-phase two-level current inverter based on IGBT transistors with integrated thermal models. To create a switching system for inverter power switches based on pulse-width modulation with selective harmonic elimination (PWM-SHE) to solve the problem of the negative impact of higher-order harmonics on the industrial power supply network. The aim is to develop an automatic control system that allows switching between operating modes without stopping the power unit. METHODS. A computer simulation model was built in the MATLAB Simulink software package to study the proposed control system for a three-phase two-level current inverter. Real IGBT transistors from the Infineon company catalog were used as controlled power switches. The Selective Harmonic Elimination (SHE) method was applied using the iterative Newton-Raphson algorithm to calculate optimal switching angles for power switches. The control system is based on a fuzzy logic controller that provides automatic switching between different inverter operating modes. RESULTS. A control system has been developed that ensures automatic switching between operating modes depending on the temperature state of the power switches, the load current value, and the rate of temperature change of transistors. The switching system allows switching between the standard six-step mode and PWM-SHE modes with elimination of the 5th, 7th, and 11th harmonics without stopping the power unit. Three control channels are used for switching: by transistor temperature, by the derivative of temperature over time (heating rate intensity), and by load current. The system allows operation without changing the characteristics of the inverter power section. CONCLUSION. The developed control system for a three-phase two-level current inverter effectively solves the problem of the negative impact of harmonics on the power supply network using the SHE method. The system provides overload protection by automatically reducing the switching frequency when the temperature of the power switches increases, which prevents overheating of transistors and increases the service life of the power converter. The practical significance lies in the possibility of applying the developed system at industrial enterprises to improve power quality without additional capital expenditures on modernization of the inverter power section.

инвертор токаIGBT-транзисторытепловые моделиШИМвыборочное исключение гармоникнечеткая логикакомпьютерное моделированиеcurrent source inverterIGBT transistorsthermal modelsPWMselective harmonic eliminationfuzzy logic controlcomputer simulationReferencesKomurcugil H., Bayhan S., Guzman R., Malinowski M., Abu-Rub H. Advanced Control of Power Converters. 2023. doi: 10.1002/9781119854432.Komurcugil H, Bayhan S, Guzman R, Malinowski M, Abu-Rub H. Advanced Control of Power Converters. 2023. doi:10.1002/9781119854432.Rashid M. H., ed. Power Electronics Handbook. 5th ed. Butterworth-Heinemann (Elsevier), 2024. ISBN: 978-0323992169. doi: 10.1016/C2021-0-02072-1.Rashid MH, editor. Power Electronics Handbook. 5th ed. Oxford: Butterworth Heinemann (Elsevier); 2024. ISBN: 978-0323992169. doi:10.1016/C2021-0-02072-1.Nucci C. A., Borghetti A., Napolitano F., et al. Basics of Power Systems Analysis // In: Papailiou K. O., ed. Springer Handbook of Power Systems. Springer Handbooks. Singapore: Springer; 2021. doi: 10.1007/978-981-32-9938-2_5.Nucci CA, Borghetti A, Napolitano F, et al. Basics of Power Systems Analysis. In: Papailiou KO, editor. Springer Handbook of Power Systems. Springer Handbooks. Singapore: Springer; 2021. doi:10.1007/978-981-32-9938-2_5.Buccella C., Cimoroni M. G., Cecati C. Selective Harmonic Elimination Modulation for HVDC Modular Multilevel Converter // 2021 AEIT HVDC International Conference (AEIT HVDC), Genoa, Italy. 2021. Pp. 1–6. doi: 10.1109/AEITHVDC52364.2021.9474620.Buccella C, Cimoroni MG, Cecati C. Selective Harmonic Elimination Modulation for HVDC Modular Multilevel Converter. In: 2021 AEIT HVDC International Conference (AEIT HVDC); 2021; Genoa, Italy. pp.1–6. doi:10.1109/AEITHVDC52364.2021.9474620.Pan S., et al. Unified Switching Frequency Minimized Harmonic Mitigation Technique for Asymmetric Cascaded H-Bridge Converters // IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics. 2024. Vol. 12, No. 2. Pp. 2006–2016. doi: 10.1109/JESTPE.2024.3364246.Pan S, et al. Unified Switching Frequency Minimized Harmonic Mitigation Technique for Asymmetric Cascaded H-Bridge Converters. IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics. 2024;12(2):2006–2016. doi:10.1109/JESTPE.2024.3364246.Лезнов Б. С. Энергосбережение и регулируемый привод в насосных и воздуходувных установках. М.: Энергоатомиздат, 2019. 360 с.Leznov BS. Energosberezhenie i reguliruemyi privod v nasosnykh i vozdukhoduvnykh ustanovkakh. Moscow: Energoatomizdat; 2019. 360 p. (In Russ).Zhang Z., Chen R. Design of Three-Phase AC Power Electronics Converters. 2023. doi: 10.1002/9781119794264.Zhang Z, Chen R. Design of Three-Phase AC Power Electronics Converters. 2023. doi:10.1002/9781119794264.Зиновьев Г. С. Основы силовой электроники: учебник. 5-е изд., испр. и доп. Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2020. 672 с.Zinoviev GS. Osnovy silovoi elektroniki: uchebnik. 5th ed., rev. and enl. Novosibirsk: NGTU Publ.; 2020. 672 p. (In Russ).Górecki P., Wojciechowski D. Accurate Electrothermal Modeling of High Frequency DC–DC Converters With Discrete IGBTs in PLECS Software // IEEE Transactions on Industrial Electronics. 2023. Vol. 70, No. 6. Pp. 5739–5746. doi: 10.1109/TIE.2022.3189102.Górecki P, Wojciechowski D. Accurate Electrothermal Modeling of High Frequency DC–DC Converters With Discrete IGBTs in PLECS Software. IEEE Transactions on Industrial Electronics. 2023;70(6):5739–5746. doi:10.1109/TIE.2022.3189102.Шрейнер Р. Т., Дмитренко Ю. А. Оптимальное частотное управление асинхронными электроприводами. Екатеринбург: УрО РАН, 2018. 320 с.Shreiner RT, Dmitrenko YuA. Optimal’noe chastotnoe upravlenie asinkhronnymi elektroprivodami. Ekaterinburg: UrO RAN; 2018. 320 p. (In Russ).Gonzalez J. O., Pérez-Estévez D., Wu R., et al. Impact of Linear-PWM and MPC controllers on the power device losses in a grid-tied two-level inverter // 2021 23rd European Conference on Power Electronics and Applications (EPE’21 ECCE Europe), Ghent, Belgium. 2021. Pp. 1–10. doi: 10.23919/EPE21ECCEEurope50061.2021.9570585.Gonzalez JO, Pérez-Estévez D, Wu R, et al. Impact of Linear-PWM and MPC controllers on the power device losses in a grid-tied two-level inverter. In: 2021 23rd European Conference on Power Electronics and Applications (EPE’21 ECCE Europe); 2021; Ghent, Belgium. pp.1–10. doi:10.23919/EPE21ECCEEurope50061.2021.9570585.Istenes G., Horváth K. Control Algorithm Development of Electrical Drives by Using Finite Element Model in Connected MATLAB/Simulink and JMAG Framework // 2023 18th Conference on Electrical Machines, Drives and Power Systems (ELMA), Varna, Bulgaria. 2023. Pp. 1–4. doi: 10.1109/ELMA58392.2023.10202412.Istenes G, Horváth K. Control Algorithm Development of Electrical Drives by Using Finite Element Model in Connected MATLAB/Simulink and JMAG Framework. In: 2023 18th Conference on Electrical Machines, Drives and Power Systems (ELMA); 2023; Varna, Bulgaria. pp.1–4. doi:10.1109/ELMA58392.2023.10202412.S. N L, S. G. Hybrid Multilevel Inverter Control for Harmonic Mitigation // 2023 International Conference on Control, Communication and Computing (ICCC), Thiruvananthapuram, India. 2023. Pp. 1–6. doi: 10.1109/ICCC57789.2023.10165006.N L S, G S. Hybrid Multilevel Inverter Control for Harmonic Mitigation. In: 2023 International Conference on Control, Communication and Computing (ICCC); 2023; Thiruvananthapuram, India. pp.1–6. doi:10.1109/ICCC57789.2023.10165006.Ключев В. И. Теория электропривода: учебник для вузов. 3-е изд., перераб. и доп. М.: Энергоатомиздат, 2020. 704 с.Klyuchev VI. Teoriya elektroprivoda: uchebnik dlya vuzov. 3rd ed., rev. and enl. Moscow: Energoatomizdat; 2020. 704 p. (In Russ).Lingom P. M., Libouga I. O., Unruh R., et al. Pulsating Torque Harmonics in Electric Motors Driven by Carrier-Based PWM Multilevel Cascaded H-bridge Inverter // 2025 IEEE International Electric Machines & Drives Conference (IEMDC), Houston, TX, USA. 2025. Pp. 703–708. doi: 10.1109/IEMDC60492.2025.11060992.Lingom PM, Libouga IO, Unruh R, et al. Pulsating Torque Harmonics in Electric Motors Driven by Carrier-Based PWM Multilevel Cascaded H-bridge Inverter. In: 2025 IEEE International Electric Machines & Drives Conference (IEMDC); 2025; Houston, TX, USA. pp.703–708. doi:10.1109/IEMDC60492.2025.11060992.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.