Incomplete-phase algorithms for pulse-width modulation of three-phase voltages in frequency control systems of electric drives

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

Aim. This study aims to analyze incomplete-phase algorithms for pulse-width modulation of three-phase voltages in the frequency control of electric drives, focusing on the criterion of minimizing the number of switching keys in the frequency converter.

Materials and methods. To study processes pulse-width modulation processes the in frequency control of electric drives, methods of the theory of electric circuits were used. The proposed algorithms are illustrated in figures and can be implemented in MATLAB software environment.

Results. The study examines the pulse-width modulation process in frequency control systems for electric drives. It was established that using incomplete-phase pulse-width modulation algorithms is advisable to minimize the number of switching keys in the frequency converter. Various premodulation functions were analyzed, including pulse-width modulation algorithms with uniform and uneven energy loss distribution across the keys. Analytical models of premodulation functions for pulse-width modulation algorithms were developed, incorporating the use of lower keys in the converter half-bridges and alternating inclusion of their upper and lower keys.

Conclusion. The results can be applied to the development of algorithms for controlling frequency converters in asynchronous electric drive systems.

About the authors

Aleksandr V. Saushev

Admiral Makarov State University of Maritime and Inland Shipping

Author for correspondence.
Email: saushev@bk.ru
ORCID iD: 0000-0003-2657-9500
SPIN-code: 9692-8603

Dr. Sci (Tech), Head of the Department of Electric Drive and Electrical Equipment Shore Installations

Russian Federation, St. Petersburg

Igor V. Belousov

Admiral Makarov State University of Maritime and Inland Shipping

Email: igor5.spb@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0002-9754-1318
SPIN-code: 9055-5945

Associate Professor, Department of Electric Drive and Electrical Equipment of Coastal Installations

Russian Federation, St. Petersburg

Elena V. Bova

Admiral Makarov State University of Maritime and Inland Shipping

Email: elena.bova2015@bk.ru
ORCID iD: 0000-0003-3677-3075
SPIN-code: 6074-8082

Associate Professor, Department of Electric Drive and Electrical Equipment of Coastal Installations

Russian Federation, St. Petersburg

Alexey Yu. Rumyantsev

Admiral Makarov State University of Maritime and Inland Shipping

Email: stehnika@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-9080-515X
SPIN-code: 1239-5936

Cand. Sci (Tech), Associate Professor, Department of Electric Drive and Electrical Equipment of Coastal Installations

Russian Federation, St. Petersburg

References

  1. Madhavi R, Harinath C. Investigation of various space vector pwm techniques for inverter. International Journal of Engineering Research and Management (IJERM). 2014;1(7):162–165. [cited: 09.03.2023] Available from: https://www.ijerm.com/download_data/IJERM0110071.pdf
  2. Klimov V. Chastotno-energeticheskie parametry shim-invertorov sistem bespereboinogo pitaniya. Silovaya elektronika. 2009;22:66–71. (In Russ.) [cited: 09.03.2023] Available from: https://power-e.ru/wp-content/uploads/2009_4_66.pdf
  3. Hava AM, Çetin NO. A Generalized Scalar PWM Approach with Easy Implementation Features for Three-Phase, Three-Wire Voltage-Source Inverters. IEEE Transactions on Power Electronics. 2010;26(5):1385–1395. doi: 10.1109/TPEL.2010.2081689
  4. Dmitriev BF, Galushin SYa, Likhomanov AM, Rozov AYu. Trekhfaznaya sinusoidal’naya modifitsirovannaya shirotno-impul’snaya modulyatsiya pervogo roda v avtonomnykh invertorakh. Morskoi vestnik. 2017;1(61):S. 69–72. (In Russ.) [cited: 09.03.2023] Available from: http://morvest.ru/Full%20articles/MV-61_to%20Web.pdf
  5. Mao X, Ayyanar R, Krishnamurthy HK. Optimal variable switching frequency scheme for reducing switching loss in single-phase inverters based on time-domain ripple analysis. IEEE Transactions on Power Electronics. 2009;24(4):991–1001. doi: 10.1109/TPEL.2008.2009635
  6. Bulatov OG, Oleshchuk VI. Avtonomnye tiristornye invertory s uluchshennoi formoi vykhodnogo napryazheniya. Kishinev: Shtiintsa, 1980. (In Russ.)
  7. Gus’kov VO, Lavin AV. Sravnitel’nyi analiz matematicheskikh opisanii i metodov shirotno-impul’snoi modulyatsii. Vestnik Astrakhanskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta. Seriya: Morskaya tekhnika i tekhnologiya. 2023;3:74–81. (In Russ.) doi: 10.24143/2073-1574-2023-3-74-81
  8. Hava AM, Kerkman RJ, Lipo TA. A High Performance Generalized Discontinuous PWM Algorithm. IEEE Transactions on Industry applications. 1998;34(5):1059–1071. doi: 10.1109/28.720446
  9. Orlov YuI, Petrenko YuN. A search algorithm for optimizing the output voltage of an inverter. Technical electrodynamics. 1986;4:50–57.
  10. Tan G, Deng Q, Liu Z. An optimized SVPWM strategy for five-level active NPC (5L-ANPC) converter. IEEE Transactions on power electronics. 2013;29(1):386–395. doi: 10.1109/TPEL.2013.2248172
  11. Tomasov VS, Usol’tsev AA, Vertegel DA, Denisov KM. Issledovanie pul’satsii elektromagnitnogo momenta v pretsizionnom servoprivode pri sinusoidal’noi shirotno-impul’snoi modulyatsii. Nauchno-tekhnicheskii vestnik informatsionnykh tekhnologii, mekhaniki i optiki. 2019;19(2):359–368. (In Russ.) doi: 10.17586/2226-1494-2019-19-2-359-368
  12. Belousov IV, Samoseiko VF, Saushev AV. Assessment of filtering properties of asynchronous electric drive with pulse width modulation. E3S Web of Conferences. 2022;363:1–8. doi: 10.1051/e3sconf/202236301025
  13. Hava AM, Çetin NO. A Generalized Scalar PWM Approach with Easy Implementation Features for Three-Phase, Three-Wire Voltage-Source Inverters. IEEE Transactions on Power Electronics. 2011;26(5):1385–1395. doi: 10.1109/TPEL.2010.2081689
  14. Bakhovtsev IA, Zinoviev GS. Generalized analysis of the output energy of multiphase multilevel voltage inverters with pulse-width modulation. Electricity. 2016;4:26–33. EDN: WALPQZ
  15. Chaplygin EE, Khukhtikov SV. Pulse width modulation with passive phase in three-phase voltage inverters. Electricity. 2011;5:53–61. EDN: NRBWQP
  16. Nayeemuddin M, Rao C. Space Vector Based High Performance Discontinuous Pulse Width Modulation Algorithms for VSI Fed AC Drive. Innovative Systems Design and Engineering (IJSR). 2016;5(7):203–208. [cited: 09.03.2023] Available from: https://www.ijsr.net/archive/v5i7/NOV164785.pdf
  17. Anuchin AS, Gulyaeva MA, Shpak DM, et al. Minimization and redistribution of switching losses in a voltage inverter using a pulse width modulation algorithm with prediction. Bulletin of the MEI. 2019;1:79–85. doi: 10.24160/1993-6982-2019-1-79-85

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. Illustration of pulse-width voltage modulation

Download (125KB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. Graphs of the modulating functions of the half-bridge potentials γA and the zero potential function γ₀ with the premodulation function: а) g₀H ; b) g₀L 

Download (157KB)
Indexing metadata
4. Fig. 3. Graph of the Boolean variable x₀(β), which determines the alternation of the enabled state of the upper and lower keys

Download (174KB)
Indexing metadata
5. Fig. 4. Graphs: a) the modulating functions of the half-bridge keys and b) their premodulation function g₀(0), which provides the minimum number of key switches

Download (147KB)
Indexing metadata
6. Fig. 5. Graphs: a) the modulating function of the half-bridge keys A and b) the premodulation function g₀(f */12), which provides the minimum number of key switches

Download (128KB)
Indexing metadata
7. Fig. 6. Graph of the dependence of G(β) for sinusoidal modulating functions of phase voltages

Download (111KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2024 Saushev A.V., Belousov I.V., Bova E.V., Rumyantsev A.Y.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.

link to the archive of the previous title

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».