کاهش تلفات الکتریکی مبدل چندسطحی مدولار خازن شناور در کاربرد محرکه الکتریکی
الموضوعات :
احمد باقری
1
(دانشگاه تهران)
حسین ایمان‌عینی
2
(دانشگاه تهران)
الکلمات المفتاحية: مبدل چندسطحی مدولار خازن شناور, مبدل چندسطحی مدولار, ریپل ولتاژ, محرکه الکتریکی ولتاژ متوسط,
ملخص المقالة :
مبدل چندسطحی مدولار خازن شناور به عنوان یک توسعه سخت‌افزاری از مبدل چندسطحی مدولار مرسوم با هدف کاهش ریپل ولتاژ خازن سلول‌ها در کاربرد محرکه الکتریکی در سرعت‌های پایین معرفی شده است. ریپل ولتاژ خازن سلول‌ها در این مبدل تنها با تزریق جریان چرخشی فرکانس‌بالا میان ساق‌ها کاهش می‌یابد. در روش کنترل مرسوم این مبدل، مؤلفه جریان چرخشی با هدف جبران‌سازی کامل ریپل ولتاژ در فرکانس‌های پایین تزریق می‌شود که منجر به افزایش غیر ضروری دامنه جریان در ساق‌های مبدل می‌شود. در این مقاله با استخراج رابطه میان ریپل ولتاژ خازن سلول‌ها و دامنه جریان چرخشی فرکانس‌بالا، سیستم کنترل مبدل اصلاح می‌گردد. روش کنترل پیشنهادی قادر است تا با تزریق دامنه مناسب از جریان چرخشی، ریپل ولتاژ را در تمام بازه فرکانس به جای جبران‌سازی کامل، در یک محدوده مجاز کنترل کند. نشان داده می‌شود که با جبران‌سازی جزئی و کنترل ریپل ولتاژ خازن سلول‌ها در محدوده استاندارد ولتاژ کلیدهای قدرت، علاوه بر کاهش دامنه جریان ساق، تلفات محرکه الکتریکی به شکل قابل توجهی کاهش می‌یابد. نتایج شبیه‌سازی و آزمایش‌های عملی عملکرد موفق روش پیشنهادی را تصدیق می‌کند.
[1] S. Debnath, J. Qin, B. Bahrani, M. Saeedifard, and P. Barbosa, "Operation, control, and applications of the modular multilevel converter: a review," IEEE Trans. Power Electron., vol. 30, no. 1, pp. 37-53, Jan. 2015.
[2] A. Dekka, B. Wu, R. L. Fuentes, M. Perez, and N. R. Zargari, "Evolution of topologies, modeling, control schemes, and applications of modular multilevel converters," IEEE J. Emerg. Sel. Top. Power Electron., vol. 5, no. 4, pp. 1631-1656, Dec. 2017.
[3] F. Deng, Y. Lu, C. Liu, Q. Heng, Q. Yu, and J. Zhao, "Overview on submodule topologies, modeling, modulation, control schemes, fault diagnosis, and tolerant control strategies of modular multilevel converters," Chin. J. Elect. Eng., vol. 6, no. 1, pp. 1-21, Mar. 2020.
[4] B. Li, S. Zhou, D. Xu, S. J. Finney, and B. W. Williams, "A hybrid modular multilevel converter for medium-voltage variable-speed motor drives," IEEE Trans. Power Electron., vol. 32, no. 6, pp. 4619-4630, Jun. 2016.
[5] Y. S. Kumar and G. Poddar, "Control of medium-voltage AC motor drive for wide speed range using modular multilevel converter," IEEE Trans. Ind. Electron., vol. 64, no. 4, pp. 2742-2749, Apr. 2016.
[6] M. S. Diab, A. Massoud, S. Ahmed, and B. Williams, "A modular multilevel converter with ripple-power decoupling channels for three-phase MV adjustable-speed drives," IEEE Trans. on Power Electronics, vol. 34, no. 5, pp. 4048-4063, May 2019.ُ [7] A. Marzoughi, R. Burgos, D. Boroyevich, and Y. Xue, "Design and comparison of cascaded h-bridge modular multilevel converter and 5-l active neutral point clamped topologies for motor drive application," IEEE Trans. Ind. Appl., vol. 54, no. 2, pp. 1404-1413, Mar./ Apr. 2018.
[8] A. Antonopoulos, L. Angquist, S. Norrga, K. Ilves, L. Harnefors, and H. P. Nee, "Modular multilevel converter ac motor drives with constant torque from zero to nominal speed," IEEE Trans. Ind. Appl., vol. 50, no. 3, pp. 1982-1993, May/Jun. 20140
[9] S. Debnath, J. Qin, and M. Saeedifard, "Control and stability analysis of modular multilevel converter under low-frequency operation," IEEE Trans. Ind. Electron., vol. 62, no. 9, pp. 5329-5339, Sept. 2015.
[10] B. Li, et al., "An improved circulating current injection method for modular multilevel converters in variable-speed drives," IEEE Trans. Ind. Electron., vol. 63, no. 11, pp. 7215-7225, Nov. 2016.
[11] S. Sau and B. G. Fernandes, "Modular multilevel converter based variable speed drive with reduced capacitor ripple voltage," IEEE Trans. Ind. Electron., vol. 66, no. 5, pp. 3412-3421, May 2019.
[12] J. Kolb, F. Kammerer, M. Gommeringer, and M. Braun, "Cascaded control system of the modular multilevel converter for feeding variable-speed drives," IEEE Trans. Power Electron., vol. 30, no. 1, pp. 349-357, Jan. 2015.
[13] B. Wu and M. Narimani, High-Power Converters and AC Drives, John Wiley & Sons, 2017.
[14] S. Du, B. Wu, and N. R. Zargari, "Common-mode voltage elimination for variable-speed motor drive based on flying-capacitor modular multilevel converter," IEEE Trans. Power Electron., vol. 33, no. 7, pp. 5621-5628, Jul. 2018.
[15] S. Du, B. Wu, and N. Zargari, "Common-mode voltage minimization for grid-tied modular multilevel converter," IEEE Trans. on Ind. Electron, vol. 66, no. 10, pp. 7480-7487, Jul. 2018.
[16] M. Huang, J. Zou, X. Ma, Y. Li, and M. Han, "Modified modular multilevel converter to reduce submodule capacitor voltage ripples without common-mode voltage injected," IEEE Trans. Ind. Electron., vol. 66, no. 3, pp. 2236-2246, Mar. 2019.
[17] S. Du, B. Wu, K. Tian, N. R. Zargari, and Z. Cheng, "An active cross-connected modular multilevel converter (AC-MMC) for a medium-voltage motor drive," IEEE Trans. Ind. Electron., vol. 63, no. 8, pp. 4707-4717, Aug. 2016.
[18] S. Du, B. Wu, and N. R. Zargari, "A star-channel modular multilevel converter for zero/low-fundamental-frequency operation without injecting common-mode voltage," IEEE Trans. Power Electron., vol. 33, no. 4, pp. 2857-2865, Apr. 2018.
[19] S. Du, B. Wu, and N. R. Zargari, "A delta-channel modular multilevel converter for zero/low-fundamental-frequency operation," IEEE Trans. Ind. Electron., vol. 66, no. 3, pp. 2227-2235, Mar. 2019.
[20] S. Du, B. Wu, and N. Zargari, "Delta-channel modular multilevel converter for a variable-speed motor drive application," IEEE Trans. Ind. Electron., vol. 65, no. 8, pp. 6131-6139, Aug. 2018.
[21] S. Du, B. Wu, N. R. Zargari, and Z. Cheng, "A flying-capacitor modular multilevel converter for medium-voltage motor drive," IEEE Trans. Power Electron., vol. 32, no. 3, pp. 2081-2089, Mar. 2016.
[22] S. Du, A. Dekka, B. Wu, and N. Zargari, Modular Multilevel Converters: Analysis, Control, and Applications, John Wiley & Sons, 2017.
[23] S. Du, B. Wu, and N. R. Zargari, "Current stress reduction for flying-capacitor modular multilevel converter," IEEE Trans. Power Electron., vol. 34, no. 1, pp. 184-191, Jan. 2019.
[24] D. Dung Le and D. C. Lee, "Reduction of half-arm current stresses and flying-capacitor voltage ripples of flying-capacitor MMCs," Access IEEE, vol. 8, pp. 180076-180086, 2020.
