АНАЛІЗ ПОКАЗНИКІВ ЕНЕРГОЕФЕКТИВНОСТІ КОРЕКТОРА КОЕФІЦІЄНТА ПОТУЖНОСТІ ПРИ РІЗНИХ СПОСОБАХ ШИРОТНО-ІМПУЛЬСНОЇ МОДУЛЯЦІЇ
The paper is devoted to energy efficiency analysis of power factor corrector based on boost converter by modeling in Matlab Simulink. The different types of pulse-width modulation, including trailing-edge modulation, leading-edge modulation and doubleedge modulation, were investigated. The study sho...
Збережено в:
| Дата: | 2014 |
|---|---|
| Автор: | |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Українська |
| Опубліковано: |
Інститут електродинаміки НАН України, Київ
2014
|
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | https://techned.org.ua/index.php/techned/article/view/1081 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Technical Electrodynamics |
| Завантажити файл: |  |
Репозитарії
Technical Electrodynamics| _version_ | 1870203714095022080 |
|---|---|
| author | Степенко , С.А. |
| author_facet | Степенко , С.А. |
| author_institution_txt_mv | [
{
"author": "С.А. Степенко ",
"institution": "Чернігівський національний технологічний університет, вул. Шевченка, 95, Чернігів, 14027, Україна"
}
] |
| author_sort | Степенко , С.А. |
| baseUrl_str | https://techned.org.ua/index.php/techned/oai |
| collection | OJS |
| datestamp_date | 2023-01-10T12:06:36Z |
| description | The paper is devoted to energy efficiency analysis of power factor corrector based on boost converter by modeling in Matlab Simulink. The different types of pulse-width modulation, including trailing-edge modulation, leading-edge modulation and doubleedge modulation, were investigated. The study shows, that using modern semiconductor devices with modulation in the frequency range 20-180 kHz, it is possible to build an active power factor corrector with high performance (efficiency up to 97%, total harmonic distortion of the input current 7-13%, power factor 0,992-0,997). At frequencies less than 100 kHz the use of leading-edge PWM or double-edge PWM instead of trailing-edge PWM is more efficient based on power factor and total harmonic distortion of the current. References 8, figures 4. |
| first_indexed | 2026-06-16T01:18:31Z |
| format | Article |
| fulltext |
78 ISSN 1607-7970. Техн. електродинаміка. 2014. № 4
УДК 621.316.721
АНАЛІЗ ПОКАЗНИКІВ ЕНЕРГОЕФЕКТИВНОСТІ КОРЕКТОРА КОЕФІЦІЄНТА ПОТУЖНОСТІ
ПРИ РІЗНИХ СПОСОБАХ ШИРОТНО-ІМПУЛЬСНОЇ МОДУЛЯЦІЇ
С.А.Степенко
Чернігівський національний технологічний університет,
вул. Шевченка, 95, Чернігів, 14027, Україна.
e-mail: serhii.stepenko.ua@ieee.org
В роботі проведено аналіз показників енергоефективності для коректора коефіцієнта потужності на основі
імпульсного перетворювача при використанні різних типів широтно-імпульсної модуляції. Показано, що в діа-
пазоні частот модуляції 20-180 кГц за умови використання сучасної елементної бази можлива побудова ко-
ректорів коефіцієнта потужності з високими показниками енергоефективності (коефіцієнт корисної дії 97%,
коефіцієнт гармонік струму 7-13%, коефіцієнт потужності 0,992-0,997). Бібл. 8, рис. 4.
Ключові слова: енергоефективність, коректор коефіцієнта потужності, широтно-імпульсна модуляція.
Вступ. На початку третього тисячоліття проблеми подальшого розвитку електроенергетики набувають
особливої актуальності. Забезпечення економічного зростання нерозривно пов'язане зі збільшенням обсягу
енергоспоживання і підвищенням вимог до якості і рівня надійності енергопостачання. В наш час електроенер-
гетика є галуззю, що динамічно розвивається та постійно технологічно переоснащується [4].
Однією з ключових проблем сучасної електроенергетики є забезпечення енергоефективності, тобто
таких умов функціонування обладнання, за яких вся електрична енергія, що надходить до споживача, буде
використана з максимальною користю. При цьому необхідно брати до уваги не лише коефіцієнт корисної дії
(ККД) конкретного приладу, але і якість електричної енергії в мережі при його використанні. Адже негативний
вплив на електричну мережу з боку одного споживача неминуче призводить до зниження якості електроенергії
для інших споживачів. Поряд з ККД важливими показниками енергоефективності є коефіцієнт гармонік струму
(КГС) та коефіцієнт гармонік напруги (КГН), що безпосередньо характеризують якість електричної енергії в
мережі. Крім того, ступінь ефективного використання потужності характеризує коефіцієнт потужності (КП). В
роботі [8] докладно розглядається взаємозв’язок між КГС, КГН та КП. Там же пропонується окремо розглядати
коефіцієнт потужності зсуву (КПЗ), що характеризує фазу між напругою і струмом, та коефіцієнт потужності
спотворення (КПС), що характеризує форму струму в мережі.
Для підвищення показників енергоефективності використовують коректори коефіцієнта потужності
(ККП). Основною задачею таких пристроїв є максимальне наближення форми струму до синусоїдальної форми
напруги з одночасним забезпеченням синфазності напруги і струму в електричній мережі. Завдяки відомим
перевагам більш широкого застосування набули активні коректори коефіцієнта потужності (АККП). Зокрема, в
роботах [2, 5] розглядається проблема статичної нестабільності вихідної напруги в АККП та проводиться її
аналіз шляхом використання безперервних наближених моделей. В роботі [6] розглянуто структурні особли-
вості побудови системи керування АККП на основі класичного підвищуючого імпульсного перетворювача (ІП)
та паралельного квазірезонансного імпульсного перетворювача, що перемикається при нульовому струмі
(КРІП-ПНТ). Порівняння якості вхідного струму для АККП на основі ІП та на основі КРІП-ПНТ проведено в
роботі [7], однак оцінка енергоефективності за критерієм коефіцієнта корисної дії не проводилась.
Метою даної роботи є аналіз показників енергоефективності (КГС, КП та ККД) АККП на основі ІП
шляхом моделювання в середовищі Matlab Simulink з використанням різних видів широтно-імпульсної модуля-
ції (ШІМ), а саме: фронтом модулюючого пилкоподібного сигналу (ШІМФ), зрізом модулюючого пилкопо-
дібного сигналу (ШІМЗ), фронтом і зрізом модулюючого сиг-
налу трикутної форми (ШІМ2).
Модель АККП (рис. 1) містить мостовий випрямляч,
що живиться напругою мережі UM, навантажений на ІП під-
вищуючого типу. Опір навантаження R = 120 Ом. Задана ви-
хідна напруга UВИХ = 360 В. Пасивні елементи ІП розраховані
відповідно до [7]. Накопичувальна індуктивність L = 1,6 мГн.
Фільтруюча ємність С = 300 мкФ. Як силовий транзистор Т
використано MOSFET, модель якого описана в [3]. Система
керування (СК) на основі опорного сигналу випрямленої вхід-
ної напруги UВХ з давача напруги (ДН), а також двох сигналів
зворотного зв’язку – вхідного струму iВХ з давача струму (ДС)
та вихідної напруги UВИХ з давача напруги (ДН), формує закон
управління ключем Т.
© Степенко С.А., 2014
~Uм
СК ДНUвх
Uвих
ДСL D
С
RТДН
iВХ
Рис. 1
ISSN 1607-7970. Техн. електродинаміка. 2014. № 4 79
Часові діаграми роботи АККП при використанні ШІМФ для номінальної частоти 100 кГц показано на
рис. 2. Як видно, вхідний струм близький до синусоїдального. Вихідна напруга встановилася на заданому рівні
360 В з пульсаціями 5%.
Рис. 2
Для кожного типу модуляції (ШІМФ, ШІМЗ, ШІМ2) проведено моделювання роботи АККП у розши-
реному відносно номінальної частоти діапазоні (від 20 кГц до 180 кГц). При цьому виявилося, що для жодного
типу модуляції зміна частоти суттєво не впливає на коефіцієнт корисної дії, він залишається практично не-
змінним (97%). Коефіцієнт гармонік вхідного струму (Total Harmonic Distortion) помітно зростає (рис. 3) зі
зниженням частоти. Так, для частот понад 100 кГц КГС на рівні 7,12-7,79%, а для частоти 20 кГц зростає до
10,7-12,4% в залежності від типу модуляції. Відповідним чином змінюються значення коефіцієнта потужності
для різних типів модуляції (рис. 4). Для частот понад 100 кГц КП знаходиться на рівні 0,9970-0,9975.
6,50
7,50
8,50
9,50
10,50
11,50
12,50
20 60 100 140 180
Частота, кГц
К
ое
ф
іц
іє
нт
г
ар
м
он
ік
с
тр
ум
у,
%
ШІМФ
ШІМЗ
ШІМ2
0,9920
0,9930
0,9940
0,9950
0,9960
0,9970
0,9980
20 60 100 140 180
Частота, кГц
К
ое
ф
іц
ієн
т
по
ту
ж
но
ст
і
ШІМФ
ШІМЗ
ШІМ2
Рис. 3 Рис. 4
Висновки.
Проаналізовано показники енергоефективності (КГС, КП, ККД) для АККП на основі ІП. Виявлено, що
ККД практично не змінюється з частотою для жодного типу модуляції. Це може бути пов’язано з тим, що
параметри моделі для MOSFET встановлені на рівні, що відповідає кращим із сучасних зразків напівпровід-
никових приладів, а вплив паразитних елементів не враховувався. КГС і, відповідно, КП суттєво не змінюються
на частотах понад 100 кГц і для різних типів модуляції становлять 7,12-7,79% та 0,9970-0,9975 відповідно.
Загалом, в усьому діапазоні частот модуляції (20-180 кГц) за умови використання сучасної елементної бази
можлива побудова АККП на основі ІП, що матимуть високі показники енергоефективності (коефіцієнт корис-
ної дії 97%, коефіцієнт гармонік струму 7,12-12,40%, коефіцієнт потужності 0,9924-0,9975). Для частот 100-180
кГц тип ШІМ суттєво не впливатиме на показники енергоефективності. На частотах до 100 кГц замість ШІМ по
фронту модулюючого пилкоподібного сигналу більш ефективне використання ШІМ по зрізу модулюючого
пилкоподібного сигналу або ШІМ по фронту і по зрізу модулюючого трикутного сигналу.
80 ISSN 1607-7970. Техн. електродинаміка. 2014. № 4
1. Городний А.Н. Анализ мощности рассеивания транзисторным ключом в последовательных импульсном и квази-
резонансном преобразователях // Техн. електродинаміка. – 2012. – № 3. – С. 75–76.
2. Пазєєв А.Г. Аналіз статичної нестабільності вихідної напруги в активних коректорах коефіцієнта потужності //
Праці Інституту електродинаміки Національної академії наук України. – 2011. – № 30. – С. 24–29.
3. Степенко С.А., Гусев О.О., Іванець С.А., Велігорський О.А. Порівняльний аналіз методів керування фільтро-ком-
пенсуючим пристроєм // Вісник Київського національного університету технологій та дизайну. – 2012. – № 1. – С. 82–88.
4. Стогній Б.С., Кириленко О.В., Денисюк С.П. Інтелектуальні електричні мережі електроенергетичних систем та
їхнє технологічне забезпечення // Технічна електродинаміка. – 2010. – № 6. – С. 44–50.
5. Шидловський А.К., Жаркін А.Ф., Пазєєв А.Г. Безперервні наближені моделі перетворювачів змінної напруги в
постійну з активною корекцією коефіцієнта потужності // Технічна електродинаміка. – 2011. – № 6. – С. 11–17.
6. Denisov Y., Stepenko S. Power factor corrector based on parallel quasi-resonant pulse converter with fast current loop //
Electrical, Control and Communication Engineering. – 2013. – Vol. 3. – No 1. – Pр. 5–11.
7. Denisov Y.O., Stepenko S.A., Gorodny A.N., Kravchenko A.O. Input current parameters analysis for PFC based on quasi-
resonant and conventional boost converters // Proceedings of the IEEE 34th International Conference on Electronics and
Nanotechnology (ELNANO-2014), April 15-18, 2014, Kyiv, Ukraine. – 2014.
8. Grady W.M., Gilleskie R.J. Harmonics and how they relate to power factor // Proceedings of the EPRI Power Quality
Issues & Opportunities Conference (PQA’93), San Diego, CA, November 1993. – 1993. – Pр. 1–8.
УДК 621.316.721
АНАЛИЗ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ КОРРЕКТОРА КОЭФФИЦИЕНТА МОЩНОСТИ
ПРИ РАЗНЫХ СПОСОБАХ ШИРОТНО-ИМПУЛЬСНОЙ МОДУЛЯЦИИ
С.А.Степенко
Черниговский национальный технологический университет,
ул. Шевченко, 95, Чернигов, 14027, Украина. e-mail: serhii.stepenko.ua@ieee.org
В работе проанализированы показатели энергоэффективности для активного корректора коэффициента мощности на
основе повышающего импульсного преобразователя при использовании различных типов широтно-импульсной модуляции.
Показано, что в диапазоне частот модуляции 20-180 кГц при использовании современной элементной базы возможно по-
строение активных корректоров коэффициента мощности на основе повышающего импульсного преобразователя, с высо-
кими показателями энергоэффективности (КПД − 97%, коэффициент гармоник тока − 7-13%, коэффициент мощности −
0,992-0,997). Библ. 8, рис. 4.
Ключевые слова: энергоэффективность, корректор коэффициента мощности, широтно-импульсная модуляция.
ENERGY EFFICIENCY ANALYSIS IN POWER FACTOR CORRECTOR UNDER DIFFERENT
PULSE-WIDTH MODULATION MODES
S.A.Stepenko
Chernihiv National University of Technology,
str. Shevchenko, 95, Chernihiv, 14027, Ukraine. e-mail: serhii.stepenko.ua@ieee.org
The paper is devoted to energy efficiency analysis of power factor corrector based on boost converter by modeling in Matlab
Simulink. The different types of pulse-width modulation, including trailing-edge modulation, leading-edge modulation and double-
edge modulation, were investigated. The study shows, that using modern semiconductor devices with modulation in the frequency
range 20-180 kHz, it is possible to build an active power factor corrector with high performance (efficiency up to 97%, total
harmonic distortion of the input current 7-13%, power factor 0,992-0,997). At frequencies less than 100 kHz the use of leading-edge
PWM or double-edge PWM instead of trailing-edge PWM is more efficient based on power factor and total harmonic distortion of
the current. References 8, figures 4.
Key words: energy efficiency, power factor correction, total harmonic distortion, pulse-width modulation.
1. Gorodnyi A.N. Analyzing of transistor switch dissipation power in sequential type switched-mode and quasi-resonant zero current
switch converters // Tekhnichna Elektrodynamika. – 2012. – № 3. – Pp. 75–76. (Rus)
2. Pazeev A.G. Analysis of static instability of the output voltage in active power factor correctors // Pratsi Instytutu Elektrodynamiky
Natsionalnoi Akademii Nauk Ukrainy. – 2011. – № 30. – Pp. 24–29. (Ukr)
3. Stepenko S.A., Husev О.О., Ivanets С.А., Veligorskyi О.А. Comparative analysis of control methods for power line conditioner //
Visnyk Kyivskoho Natsionalnoho Universytetu Tekhnolohii ta Dyzainu. – 2012. – № 1. – Pp. 82–88. (Ukr)
4. Stohnii B.S., Kyrylenko O.V., Denysiuk S.P. Smart electrical grids of power systems and their technological support // Tekhnichna
Еlektrodynamika. – 2010. – № 6. – Pp. 44–50. (Ukr)
5. Shydlovskyi A.K., Zharkin A.F., Pazeev A.G. Continuous approximate model of AC/DC converters with active power factor
correction // Tekhnichna Elektrodynamika. – 2011. – № 6. – Pp. 11–17. (Ukr)
6. Denisov Y., Stepenko S. Power factor corrector based on parallel quasi-resonant pulse converter with fast current loop // Electrical,
Control and Communication Engineering. – 2013. – Vol. 3. – Issue 1. – Pp. 5–11.
7. Denisov Y.O., Stepenko S.A., Gorodny A.N., Kravchenko A.O. Input current parameters analysis for PFC based on quasi-resonant
and conventional boost converters // Proceedings of the IEEE 34th International Conference on Electronics and Nanotechnology
(ELNANO-2014), April 15-18, 2014, Kyiv, Ukraine. – 2014.
8. Grady W.M., Gilleskie R.J. Harmonics and how they relate to power factor // Proceedings of the EPRI Power Quality Issues &
Opportunities Conference (PQA’93), San Diego, CA, November 1993. – 1993. – Pp. 1–8.
Надійшла 17.02.2014
|
| id | techned_org_ua-article-1081 |
| institution | Technical Electrodynamics |
| keywords_txt_mv | keywords |
| language | Ukrainian |
| last_indexed | 2026-06-16T01:18:31Z |
| publishDate | 2014 |
| publisher | Інститут електродинаміки НАН України, Київ |
| record_format | ojs |
| resource_txt_mv | technedorgua/f3/e48d053e7c68915f9532867c55b1e0f3.pdf |
| spelling | techned_org_ua-article-10812023-01-10T12:06:36Z ENERGY EFFICIENCY ANALYSIS IN POWER FACTOR CORRECTOR UNDER DIFFERENT PULSE-WIDTH MODULATION MODES АНАЛІЗ ПОКАЗНИКІВ ЕНЕРГОЕФЕКТИВНОСТІ КОРЕКТОРА КОЕФІЦІЄНТА ПОТУЖНОСТІ ПРИ РІЗНИХ СПОСОБАХ ШИРОТНО-ІМПУЛЬСНОЇ МОДУЛЯЦІЇ Степенко , С.А. energy efficiency power factor correction total harmonic distortion pulse-width modulation енергоефективність коректор коефіцієнта потужності широтно-імпульсна модуляція The paper is devoted to energy efficiency analysis of power factor corrector based on boost converter by modeling in Matlab Simulink. The different types of pulse-width modulation, including trailing-edge modulation, leading-edge modulation and doubleedge modulation, were investigated. The study shows, that using modern semiconductor devices with modulation in the frequency range 20-180 kHz, it is possible to build an active power factor corrector with high performance (efficiency up to 97%, total harmonic distortion of the input current 7-13%, power factor 0,992-0,997). At frequencies less than 100 kHz the use of leading-edge PWM or double-edge PWM instead of trailing-edge PWM is more efficient based on power factor and total harmonic distortion of the current. References 8, figures 4. В роботі проведено аналіз показників енергоефективності для коректора коефіцієнта потужності на основі імпульсного перетворювача при використанні різних типів широтно-імпульсної модуляції. Показано, що в діапазоні частот модуляції 20-180 кГц за умови використання сучасної елементної бази можлива побудова коректорів коефіцієнта потужності з високими показниками енергоефективності (коефіцієнт корисної дії 97%, коефіцієнт гармонік струму 7-13%, коефіцієнт потужності 0,992-0,997). Бібл. 8, рис. 4. Інститут електродинаміки НАН України, Київ 2014-06-25 Article Article application/pdf https://techned.org.ua/index.php/techned/article/view/1081 Tekhnichna Elektrodynamika; No. 4 (2014): TEKHNICHNA ELEKTRODYNAMIKA; 078 ТЕХНІЧНА ЕЛЕКТРОДИНАМІКА; № 4 (2014): ТЕХНІЧНА ЕЛЕКТРОДИНАМІКА; 078 2218-1903 1607-7970 uk https://techned.org.ua/index.php/techned/article/view/1081/957 Авторське право (c) 2023 ТЕХНІЧНА ЕЛЕКТРОДИНАМІКА https://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0 |
| spellingShingle | енергоефективність коректор коефіцієнта потужності широтно-імпульсна модуляція Степенко , С.А. АНАЛІЗ ПОКАЗНИКІВ ЕНЕРГОЕФЕКТИВНОСТІ КОРЕКТОРА КОЕФІЦІЄНТА ПОТУЖНОСТІ ПРИ РІЗНИХ СПОСОБАХ ШИРОТНО-ІМПУЛЬСНОЇ МОДУЛЯЦІЇ |
| title | АНАЛІЗ ПОКАЗНИКІВ ЕНЕРГОЕФЕКТИВНОСТІ КОРЕКТОРА КОЕФІЦІЄНТА ПОТУЖНОСТІ ПРИ РІЗНИХ СПОСОБАХ ШИРОТНО-ІМПУЛЬСНОЇ МОДУЛЯЦІЇ |
| title_alt | ENERGY EFFICIENCY ANALYSIS IN POWER FACTOR CORRECTOR UNDER DIFFERENT PULSE-WIDTH MODULATION MODES |
| title_full | АНАЛІЗ ПОКАЗНИКІВ ЕНЕРГОЕФЕКТИВНОСТІ КОРЕКТОРА КОЕФІЦІЄНТА ПОТУЖНОСТІ ПРИ РІЗНИХ СПОСОБАХ ШИРОТНО-ІМПУЛЬСНОЇ МОДУЛЯЦІЇ |
| title_fullStr | АНАЛІЗ ПОКАЗНИКІВ ЕНЕРГОЕФЕКТИВНОСТІ КОРЕКТОРА КОЕФІЦІЄНТА ПОТУЖНОСТІ ПРИ РІЗНИХ СПОСОБАХ ШИРОТНО-ІМПУЛЬСНОЇ МОДУЛЯЦІЇ |
| title_full_unstemmed | АНАЛІЗ ПОКАЗНИКІВ ЕНЕРГОЕФЕКТИВНОСТІ КОРЕКТОРА КОЕФІЦІЄНТА ПОТУЖНОСТІ ПРИ РІЗНИХ СПОСОБАХ ШИРОТНО-ІМПУЛЬСНОЇ МОДУЛЯЦІЇ |
| title_short | АНАЛІЗ ПОКАЗНИКІВ ЕНЕРГОЕФЕКТИВНОСТІ КОРЕКТОРА КОЕФІЦІЄНТА ПОТУЖНОСТІ ПРИ РІЗНИХ СПОСОБАХ ШИРОТНО-ІМПУЛЬСНОЇ МОДУЛЯЦІЇ |
| title_sort | аналіз показників енергоефективності коректора коефіцієнта потужності при різних способах широтно-імпульсної модуляції |
| topic | енергоефективність коректор коефіцієнта потужності широтно-імпульсна модуляція |
| topic_facet | energy efficiency power factor correction total harmonic distortion pulse-width modulation енергоефективність коректор коефіцієнта потужності широтно-імпульсна модуляція |
| url | https://techned.org.ua/index.php/techned/article/view/1081 |
| work_keys_str_mv | AT stepenkosa energyefficiencyanalysisinpowerfactorcorrectorunderdifferentpulsewidthmodulationmodes AT stepenkosa analízpokaznikívenergoefektivnostíkorektorakoefícíêntapotužnostípriríznihsposobahširotnoímpulʹsnoímodulâcíí |