Моделирование инвертора тока на базе IGBT транзисторов с тепловыми моделями, ШИМ с выборочным исключением гармоник

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.

1. Komurcugil H., Bayhan S., Guzman R., Malinowski M., Abu-Rub H. Advanced Control of Power Converters. 2023. doi: 10.1002/9781119854432.

2. Rashid M. H., ed. Power Electronics Handbook. 5th ed. Butterworth-Heinemann (Elsevier), 2024. ISBN: 978-0323992169. doi: 10.1016/C2021-0-02072-1.

3. 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.

4. 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.

5. 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.

6. Лезнов Б. С. Энергосбережение и регулируемый привод в насосных и воздуходувных установках. М.: Энергоатомиздат, 2019. 360 с.

7. Zhang Z., Chen R. Design of Three-Phase AC Power Electronics Converters. 2023. doi: 10.1002/9781119794264.

8. Зиновьев Г. С. Основы силовой электроники: учебник. 5-е изд., испр. и доп. Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2020. 672 с.

9. 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.

10. Шрейнер Р. Т., Дмитренко Ю. А. Оптимальное частотное управление асинхронными электроприводами. Екатеринбург: УрО РАН, 2018. 320 с.

11. 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.

12. 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.

13. 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.

14. Ключев В. И. Теория электропривода: учебник для вузов. 3-е изд., перераб. и доп. М.: Энергоатомиздат, 2020. 704 с.

15. 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.