MATHEMATICAL MODEL OF SEMICONDUCTOR CONVERTER WITH FIVE-ZONE REGULATION OF THE OUTPUT VOLTAGE AND ELECTROMECHANICAL LOAD

V. V. Mikhailenko, S. A. Аbdulaiev, V. V. Ernst, V. V. Chupak

Abstract

Purpose. This work is directed on study of the electromagnetic processes in electric circuits with semiconductor commutators. It is necessary to develop the new mathematical models of functions determination and algorithmic equations for analysis of formed and transition processes in electric circuits of the variable structure. To research the mathematical models with semiconductor commutators and sections, in which sine, constant and pulsed voltages appear. Methodology. The mathematical model of the semiconductor converter with electromechanical load was created for achievement the purpose in view. It is shown that appearance of nonlinear element complicates powerfully the problems of the calculation and studies appearing in circuits of the electromagnetic processes. The most complications appear in circuits of the variable structure, in which sine, constant and pulsed current arise under the action of appropriete voltages. Findings. The new mathematical models of the electromagnetic processes were designed in three-phase electric circuit of the semiconductor converters with multiserver zoned regulation of phase voltages (without losses in semiconductor commutators) for quick estimation the load parameters influence on level and form of the output voltage. Originality. The method of multi-parameter functions was developed. The last are included in algorithmic equations for analysis of formed and transition processes in network with semiconductor commutators and reactive elements, in the considerations direction of phase to neutral voltages usage in the power circuit. It is motivated that use of the multi-parameter modulating functions method in electric circuit of variable structures is expedient if in their sections there are not more than three independent reactive elements. The new mathematical model of formed and transition processes in electric circuits of the semiconductor converters, modulation type with multiserver zoned use of phase to neutral voltages in three-phase network of the power supply was developed. At that energy loss in commutators were not taken into account. Such mathematical model was created for quick estimation the influence of parameters load on controlled features of sine and constant voltages. Practical value. New scheme technical solutions of semiconductor commutators with high-frequency impulse relative time regulation of output voltage when change parameters load in a wide range were created. It has allowed raising the speed of the electro technological systems. The increase in speed methods of regulation and determinations the energy efficient mode parameters of semiconductor commutators of the electro technological systems were developed. The new methods of analyzes of formed and transition processes in electric circuits of semiconductor converters, modulation type with constant output voltages and with miscellaneous types of modulating influence.

Keywords

electromagnetic processes; output voltage; output current; the engine of the direct current; the method of multi-parameter modulating functions

PDF (Українська)

References

Afanasov A.M. Opredeleniye ratsionalnykh rezhimov vzaimnogo nagruzheniya tyagovykh dvigateley elektropodvizhnogo sostava magistralnogo i promyshlennogo transporta [Rational modes determination of traction motors loading-back for electric rolling stock in mainline and industrial transport]. Nauka ta prohres transportu. Visnyk Dnipropetrovskoho natsionalnoho universytetu zaliznychnoho transportu – Science and Transport Progress. Bulletin of Dnipropetrovsk National University of Railway Transport, 2014, no. 4 (52), pp. 67-74.

Zabarilo D.A. Osobennosti rascheta silovogo transformatora povyshennoy chastoty [Features of the high frequency power transformer calculation]. Nauka ta prohres transportu. Visnyk Dnipropetrovskoho natsionalnoho universytetu zaliznychnoho transportu – Science and Transport Progress. Bulletin of Dnipropetrovsk National University of Railway Transport, 2013, no. 3 (45), pp. 29-35.

Kameniev O.Yu. Problematyka pidkhodiv do doslidzhennia bezpeky vykorystannia enerhetychnykh system keruvannia na zaliznychnomu transporti [Problematics of approaches to research of the use safety of ergatic control systems on railway transport]. Nauka ta prohres transportu. Visnyk Dnipropetrovskoho natsionalnoho universytetu zaliznychnoho transportu – Science and Transport Progress. Bulletin of Dnipropetrovsk National University of Railway Transport, 2013, no. 2 (44), pp. 7-16.

Makarenko M.P., Mykhailenko V.V. Analiz elektromahnitnykh protsesiv u moduliatsiinomu napivprovidnykovomu peretvoriuvachi napruhy z elektromekhanichnym navantazhenniam [The analysis of electromagnetic processes in the modulation semiconductor voltage converter with electromechanical loads]. Tekhnichna elektrodynamika. Sylova elektronika ta enerhoefektyvnist – Technical electrodynamics. Power Electronics and Energy Efficiency, 2003, part 3, pp. 21-24.

Makarenko M.P., Mykhailenko V.V. Analiz elektromahnitnykh protsesiv u peretvoriuvachakh z bahatozonnym rehuliuvanniam vykhidnoi napruhy funktsiiamy bahatoparametrychnoho vydu [The analysis of electromagnetic processes in converters with multi-zone adjustment of output voltage by multi-parameter type functions]. Tekhnichna elektrodynamika. Sylova elektronika ta enerhoefektyvnis – Technical Electrodynamics. Power Electronics and Energy Efficiency, 2002, part 1, pp. 19-22.

Makarenko M.P., Mykhailenko V.V. Deiaki aspekty kompiuternoho analizu napivprovidnykovykh peretvoriuvachiv elektroenerhii z bahatorozghaluzhenymy strukturamy [Some aspects of computer analysis of semiconductor power converters with branched structures]. Tekhnichna elektrodynamika. Sylova elektronika ta enerhoefektyvnist – Technical electrodynamics. Power Electronics and Energy Efficiency, 2004, part 1, pp. 112-115.

Makarenko M.P., Senko V.I., Yurchenko M.M. Systemnyi analiz elektromahnitnykh protsesiv u napivprovidnykovykh peretvoriuvachakh elektroenerhii moduliatsiinoho typu [System analysis of electromagnetic processes in the semiconductor power converters of modulation type]. Kyiv, Instytut elektrodynamiky NAN Ukrainy Publ., 2005. 241 p.

Makarenko N.P. Analiz i modelirovaniye elektromagnitnykh protsessov v silovykh preobrazovatelnykh ustroystvakh metodom moduliruyushchikh funktsiy [Analysis and modeling of electromagnetic processes in the power conversion devices by method of modulating functions]. Tekhnichna elektrodynamika. Systemy elektrozhyvlennia elektrotekhnichnykh ustanovok i kompleksiv – Technical electrodynamics. Power Systems of Electrical Installations and Complexes, 1999, special issue, pp. 44-47.

Makarenko, N.P., Abarka G. Matematicheskaya model protsessa formirovaniya vykhodnykh napryazheniy preobrazovateley chastoty [Mathematical model of the process of generating output voltages of the inverters]. Elektronika i svyaz – Electronics and Communication, 1999, no. 6, vol. 2, pp. 60-64.

Makarenko N.P., Abarka G., Nebrat Ye.V. Ekologicheskiye voprosy setey vtorichnykh sistem elektrosnabzheniya promyshlennykh predpriyatiy [Environmental issues in networks of the secondary power supply systems of industrial enterprises]. Visnyk Ukrainskoho budynku ekonomichnykh ta naukovo-tekhnichnykh znan [Bulletin of Ukrainian house of economic, scientific and technical knowledges], 1999, no. 5, pp. 7-12.

Hojabri H.A., Mokhtari H., Chang L. Generalized Technique of Modeling, Analisis, and Control of a Matrix Converter Using SVD. IEEE Trans. On Industrial Electronics, 2011, vol. 58, no. 3, pp. 949-959. doi: 10.1109/TIE.2010.2048836.

Hojabri H., Mokhtari H., Chang L. Reactive Power Control Permanent-magnet Synchronous Wind Generator with Matrix Converter. IEEE Trans. On Power Delivery, 2013, vol. 28, no. 2, pp. 575-584. doi: 10.1109/TPWRD.2012.2229721.

Zarri L., Mengoni M., Toni A., OjoJ.O.Rangeof the linear modulation in matrix converters. IEEE Trans. On Power Electronics, 2014, vol. 29, no. 6, pp. 3166-3178. doi: 10.1109/tpel.2013.2274285 .

GOST Style Citations

1.          Афанасов, А. М. Определение рациональных режимов взаимного нагружения тяговых двигателей электроподвижного состава магистрального и промышленного транспорта // А. М. Афанасов // Наука та прогрес трансп. Вісн. Дніпропетр. нац. ун-ту залізн. трaнсп. – 2014. – № 4 (52). – С. 67–74.

2.          Забарило, Д. А. Особенности расчета силового трансформатора повышенной частоты / Д. А. Забарило // Наука та прогрес трансп. Вісн. Дніпропетр. нац. ун-ту залізн. трaнсп. – 2013. – № 3 (45). – С. 29–35.

3.          Каменєв, О. Ю. Проблематика підходів до дослідження безпеки використання енергетичних систем керування на залізничному транспорті / О. Ю. Каменєв // Наука та прогрес трансп. Вісн. Дніпропетр. нац. ун-ту залізн. трaнсп. – 2013. – № 2 (44). – С. 7–16.

4.          Макаренко, М. П. Аналіз електромагнітних процесів у модуляційному напівпровідни-ковому перетворювачі напруги з електроме-ханічним навантаженням / М. П. Макаренко, В. В. Михайленко // Техн. електродинаміка. Силова електроніка та енергоефективність. – 2003. – Ч. 3. – С. 21–24.

5.          Макаренко, М. П. Аналіз електромагнітних процесів у перетворювачах з багатозонним регулюванням вихідної напруги функціями багатопараметричного виду / М. П. Макаренко, В. В. Михайленко // Техн. електродинаміка. Силова електроніка та енергоефективність. – 2002. – Ч. 1. – С. 19–22.

6.          Макаренко, М. П. Деякі аспекти комп’ютер-ного аналізу напівпровідникових перет-ворювачів електроенергії з багаторозга-луженими структурами / М. П. Макаренко, В. В. Михайленко // Техн. електродинаміка. Силова електроніка та енергоефективність. – 2004. – Ч. 1. – С. 112–115.

7.          Макаренко, М. П. Системний аналіз електро-магнітних процесів у напів-провідникових перетворювачах електроенергії модуляційного типу : моногр. / М. П. Макаренко, В. І. Сенько, М. М. Юрченко. – Київ : Ін-т електродинаміки НАН України, 2005. – 241 с.

8.          Макаренко, Н. П. Анализ и моделирование электромагнитных процессов в силовых преобразовательных устройствах методом модулирующих функций / Н. П. Макаренко // Техн. електродинаміка. Системи електроживлення електротехн. установок і комплексів. – Темат. вип. – 1999. – С. 44–47.

9.          Макаренко, Н. П. Математическая модель процесса формирования выходных напряжений преобразователей частоты / Н. П. Макаренко, Г. Абарка // Электроника и связь. – 1999. – № 6, Т. 2. – С. 60–64.

10.       Макаренко, Н. П. Экологические вопросы сетей вторичных систем электроснабжения промышленных предприятий / Н. П. Макаренко, Г. Абарка, Е. В. Небрат // Вісн. УБЕНТЗ. – 1999. – № 5. – С. 7–12.

11.       Hojabri, H. A Generalized Technique of Modeling, Analisis, and Control of a Matrix Converter Using SVD / H. Hojabri, H. Mokhtari, L. Chang // IEEE Trans. On Industrial Electronics. – 2011. – Vol. 58, № 3. – Р. 949–959. doi: 10.1109/TIE.2010.2048836.

12.       Hojabri, H. Reactive Power Control Permanent-magnet Synchronous Wind Generator with Matrix Converter / H. Hojabri, H. Mokhtari, L. Chang // IEEE Trans. On Power Delivery. – 2013. – Vol. 28, № 2. – Р. 575–584. doi: 10.1109/TPWRD.2012.2229721.

13.       Range of the linear modulation in matrix converters / L. Zarri, M. Mengoni, A. Toni, J. O. Ojo // IEEE Trans. On Power Electronics. − 2014.− Vol. 29, № 6. – Р. 3166−3178. doi: 10.1109/tpel.2013.2274285.

DOI: https://doi.org/10.15802/stp2015/42162