Methods, techniques, and algorithms of synchronous multi-zone modulation of signals of voltage source inverters (literature review)

Abstract

This publication provides a brief overview of the results of research work in the field of developing alternative methods, schemes, and algorithms of synchronous multi-zone modulation of signals of inverters of power conversion systems with reduced switching frequency of power switches. In particular, in the mentioned researches, the basic strategies, schemes, and algorithms of synchronous multi-zone modulation have been further developed, modernized, modified, and disseminated in relation to new promising topologies of power conversion systems, including: two-inverter-based electric drives with open windings of electrical motor; drive systems based on electric motor with two stator windings; dual three-phase electric drives of symmetrical and asymmetric type; five-phase power conversion systems, powerful six-phase systems based on four inverters, and two-inverter-based and three-inverter-based photovoltaic installations with multi-winding transformer. It is shown that the developed schemes and algorithms of synchronous space-vector modulation applied for control of inverter-based systems provide continuous synchronization and symmetry of the basic voltage waveforms of systems during the whole control range. It provides minimization of even harmonics and undesirable subharmonics (of the fundamental frequency) in spectra of the basic voltages of systems, leading to reducing of losses in systems and to increasing of its efficiency. Based on a comparative analysis of the integral spectral characteristics of the phase and line voltages of the systems, recommendations are formulated for the rational choice of schemes and algorithms of synchronous modulation for the relevant installations, depending on the modes of their operation.

Această publicație oferă o scurtă privire de ansamblu asupra rezultatelor cercetării în domeniul elaborării metodelor alternative, scheme și algoritmi pentru modularea sincronă multi-zonă a semnalelor invertoarelor sistemelor de conversie a energiei electrice cu frecvență de comutare redusă a comutatoarelor de putere. În special, în cercetările menționate, strategiile de bază, schemele și algoritmii de modulare sincronă multi-zonă au fost elaborate, modernizate, modificate și disemnate în continuare în legătură cu noi topologii promițătoare ale sistemelor de conversie a energie electrice, inclusiv: două invertoare-bazate acționări electrice cu înfășurări deschise ale motorului electric; sisteme de acționări electrice bazate pe motor electric cu două înfășurări statorice; acționări electrice duale trifazate de tip simetric și asimetric; sisteme de conversie a energiei electrice în cinci faze, sisteme puternice în șase faze bazate pe patru invertoare, și instalații fotovoltaice pe bază de două invertoare și trei invertoare cu transformator multi-înfășurare. Se arată că schemele și algoritmii dezvoltați de modulație sincronă spațială-vector aplicați pentru controlul sistemelor bazate pe invertor asigură incronizarea și simetria continuă a formelor de undă de tensiune de bază ale sistemelor pe toată gama de control. Oferă minimizarea armonicilor pare și a subarmonicilor nedorite (ale frecvenței fundamentale) în spectrele tensiunilor de bază ale sistemelor, ceea ce duce la reducerea pierderilor în sisteme și la creșterea eficienței acestora. Pe baza unei analize comparative a caracteristicilor spectrale integrale ale tensiunilor de fază și linie ale sistemelor, se formulează recomandări pentru alegerea rațională a schemelor și algoritmilor de modulație sincronă pentru instalațiile relevante, în funcție de modurile de funcționare ale acestora.

В данной публикации проведен краткий обзор результатов научно-исследовательских работ в области разработки альтернативных способов, схем, и алгоритмов синхронной модуляции сигналов инверторов напряжения мощных преобразовательных систем с пониженной частотой коммутации вентилей инверторов. Методологической основой упомянутых работ является оригинальный метод синхронной многозонной векторной модуляции сигналов инверторов напряжения как основных исполнительных устройств систем регулируемого электропривода и систем возобновляемой электроэнергетики. В частности, в упомянутых работах базовые стратегии, схемы, и алгоритмы синхронной многозонной модуляции получили дальнейшее развитие, модернизацию, модификацию, и диссеминацию применительно к новым перспективным топологиям силовых преобразовательных систем и устройств, в том числе: к двухинверторным системам электропривода с разомкнутыми обмотками электродвигателя, к системам на базе электродвигателя с двумя статорными обмотками, к сдвоенным трехфазным электроприводам симметричного и асимметричного типа, к пятифазным преобразовательным системам, к мошным шестифазным системам на базе четырех инверторов, а также к двухинверторным и трехинверторным преобразовательным системам трансформаторного типа повышенной мощности. Показано, что модифицированные схемы и алгоритмы синхронной векторной модуляции обеспечивают непрерывную синхронизацию и симметрию базовых форм напряжения на всем диапазоне регулирования вышеупомянутых преобразовательных систем на базе модулированных инверторов напряжения, включая зону сверхмодуляции. В спектре базовых напряжений систем отсутствуют четные гармоники и субгармоники (основной частоты), что способствует снижению потерь в системах, и повышению эффективности их функционирования. На основе сопоставительного анализа интегральных спектральных характеристик базовых форм фазного и линейного напряжения в системах сформулированы рекомендации по рациональному выбору схем и алгоритмов синхронной векторной модуляции для соответствующих устройств и систем в зависимости от режимов их регулирования.