БАГАТОРІВНЕВИЙ ІНВЕРТОР НАПРУГИ З АМПЛІТУДНОЮ ШИРОТНО-ІМПУЛЬСНОЮ МОДУЛЯЦІЄЮ
Harmonic composition of quasi-sinusoidal voltage was investigated on the six-level diode clamped inverter with amplitude pulse width modulation (APWM). Given comparison harmonic factor of stepped modulation (SM), and APWM, investigated cases of using a filter and without, given recommendations on th...
Saved in:
| Date: | 2014 |
|---|---|
| Author Affiliations: |
|
| Keywords: | keywords |
| Main Authors: | , , |
| Format: | Article |
| Language: | Ukrainian |
| Published: |
Інститут електродинаміки НАН України, Київ
2014
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://techned.org.ua/index.php/techned/article/view/1100 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Technical Electrodynamics |
| Download file: |
|
Institution
Technical Electrodynamics| _version_ | 1870203751624605696 |
|---|---|
| author | Терещенко , Т.О. Беженар, В.О. Білошицький , М.Ю. |
| author_facet | Терещенко , Т.О. Беженар, В.О. Білошицький , М.Ю. |
| author_institution_txt_mv | [
{
"author": "Т.О. Терещенко ",
"institution": "Національний технічний університет України \"КПІ\", пр. Перемоги, 37, Київ, 03056, Україна"
},
{
"author": "В.О. Беженар",
"institution": "Національний технічний університет України \"КПІ\", пр. Перемоги, 37, Київ, 03056, Україна"
},
{
"author": "М.Ю. Білошицький ",
"institution": "Національний технічний університет України \"КПІ\", пр. Перемоги, 37, Київ, 03056, Україна"
}
] |
| author_sort | Терещенко , Т.О. |
| baseUrl_str | https://techned.org.ua/index.php/techned/oai |
| collection | OJS |
| datestamp_date | 2023-01-10T12:06:36Z |
| description | Harmonic composition of quasi-sinusoidal voltage was investigated on the six-level diode clamped inverter with amplitude pulse width modulation (APWM). Given comparison harmonic factor of stepped modulation (SM), and APWM, investigated cases of using a filter and without, given recommendations on the choice of filter cutoff frequency and APWM frequency to achieve the desired harmonic factor output voltage. Research was conducted with interactive tool Matlab-Simulink. This scientific work has described the model, presented simulation parameters and graphs based on data obtained results. References 3, figures 4. |
| first_indexed | 2026-06-16T01:18:38Z |
| format | Article |
| fulltext |
ISSN 1607-7970. Техн. електродинаміка. 2014. № 4 81
УДК 621.314.5
БАГАТОРІВНЕВИЙ ІНВЕРТОР НАПРУГИ З АМПЛІТУДНОЮ
ШИРОТНО-ІМПУЛЬСНОЮ МОДУЛЯЦІЄЮ
Т.О.Терещенко, докт.техн.наук, В.О.Беженар, М.Ю.Білошицький
Національний технічний університет України "КПІ",
пр. Перемоги, 37, Київ, 03056, Україна.
e-mail: belosh59@gmail.com
Досліджено гармонічний склад квазісинусоїдальної напруги на виході шестирівневого діоднозамкненого інвер-
тора із амплітудною широтно-імпульсною модуляцією (АШІМ). Приведено порівняння коефіцієнта гармоніч-
них спотворень для ступеневої модуляції та АШІМ, надано рекомендації по вибору частоти зрізу фільтра та
частоти АШІМ для досягнення бажаного коефіцієнта гармонічних спотворень вихідної напруги. Дослідження
відбувалося за допомогою інтерактивного інструмента Matlab–Similink. Описано модель, приведено парамет-
ри моделювання та графіки, на основі яких отримано дані результати. Бібл. 3, рис. 4.
Ключові слова: багаторівневий інвертор, АШІМ, коефіцієнт гармонік.
Вступ. Багаторівневі інвертори із широтно-імпульсною модуляцією (ШІМ) та амплітудною широтно-
імпульсною модуляцією (АШІМ) широко застосовуються для перетворення енергії, отриманої із різних типів
генераторів таких, як вітрогенератори, сонячні батареї, а також у багатьох промислових та побутових призна-
ченнях. Пояснюється це такими перевагами зазначених інверторів, як зниження маси та габаритів вихідних фі-
льтрів; підвищення ККД; можливість суміщення в одному силовому вузлі функцій формування вихідної напру-
ги заданої форми та регулювання її амплітуди.
Точність роботи сучасних електронних пристроїв та систем залежить від якості вихідної напруги, тому
актуальною є задача підтримки її параметрів у заданому діапазоні та забезпечення роботи перетворювачів у
відповідності до вимог щодо вихідного спектра напруги та обмежень рівнів комбінаційних гармонік.
Силова схема інвертора. Сьогодні активно використовуються три основні схеми багаторівневих ін-
верторів: схема з фіксуючими діодами, плаваючими конденсаторами та каскадне з’єднання Н-мостів [2]. Серед
них трифазна схема діодно-замкненого інвертора дає можливість ефективно працювати на основній частоті пе-
ремикання, забезпечує високий ККД та надійність системи. Розглянемо шестирівневий інвертор (рис. 1). Завдя-
ки багаторівневій структурі квазісинусоїдальна напруга характеризується низьким коефіцієнтом гармонічних
спотворень. При цьому схема живиться лише від одного джерела живлення, що вигідно з точки зору схемотех-
ніки та практичного використання при-
строю. Така топологія ефективно вирі-
шує питання перетворення енергії для
споживачів з підвищеними вимогами
до якості електроживлення.
Кожна фаза має п’ять пар клю-
чів для перемикання рівня вихідної на-
пруги, при цьому в ній працюють п’ять
транзисторів. Такими парами для фази
А є: (Sa1, Sa`1), (Sa2, Sa`2), (Sa3, Sa`3),
(Sa4, Sa`4), (Sa5, Sa`5) (рис. 1).
Фазна напруга представляє со-
бою послідовність півперіодів квазіси-
нусоїдальної напруги, сформованої сту-
пеневою модуляцією. Лінійна напруга
формується шляхом віднімання фазних
напруг V ab =Va − Vb − в результаті
формується напруга квазісинусоїдаль-
ної форми з 11 рівнями [1−3].
Моделювання схеми у середовищі Matlab-Simulink. Як приклад представлено модель шестирівнево-
го діодно-замкнутого інвертора із синусоїдальною амплітудною широтно-імпульсною модуляцією в пакеті Mat-
lab-Simulink (рис. 2), яка досліджує формування синусоїдального сигналу для трифазної мережі з діючим зна-
ченням напруги Uд =380 B та частотою f=50 Гц. Напруга живлення Udc =450 B. Модель дозволяє провести ана-
© Терещенко Т.О., Беженар В.О., Білошицький М.Ю., 2014
82 ISSN 1607-7970. Техн. електродинаміка. 2014. № 4
ліз форми кривих лінійної, фазної та фільтрованої напруги, а також форму напруги на компонентах схеми
АШІМ модулятора.
На рис. 2 по-
значено складові: 1) мі-
кропроцесорної систе-
ми керування, 2) сило-
вої частини інвертора,
3) формувача лінійної
напруги, 4) фільтра
низьких частот.
Модель мікро-
процесорної системи
керування АШІМ від-
ображає процес фор-
мування імпульсів ке-
рування ключами. Вона
складається із трьох
блоків. Повна (подвій-
на) амплітуда вихід-но-
го синусоїдального сиг-
налу ділиться на п’ять
частин. Кожна із п’яти частин порівнюється з пилкоподібною напругою у відповідному діапазоні амплітуди для
кожної частини. Частота ШІМ встановлена fшім=5000 Гц. Таким чином, отримуємо АШІМ модуляцію для п’яти
пар ключів в одній фазі, у інших фазах сигнали керування будуть зміщені на кути 120°.
Результати моделювання. Моделювання роботи інвертора дає змогу порівняти два типи модуляції –
ступеневу модуляцію (СМ) та амплітудну широтно-імпульсну модуляцію (АШІМ) і визначити ефективність
фільтрації вихідної напруги.
Порівняння базується на об-
численні коефіцієнта гар-
монічних спотворень (Кг)
для СМ та АШІМ з вихід-
ним фільтром та без нього.
Ступенева модуля-
ція формується наступним
шляхом: еталонний сигнал
подвійної амплітуди ділить-
ся на п’ять частин по осі ор-
динат, далі отримані сигна-
ли порівнюються з сигнала-
ми п‘яти генераторів пилко-
подібної напруги для фор-
мування ШІМ сигналів кож-
ного рівня. Коефіцієнт гар-
монічних спотворень сигна-
лу з СМ дорівнює 11,21%. У випадку АШІМ Кг = 13,24 %. Збільшення значення пояснюється присутністю гар-
монік високої частоти ШІМ. Однак гармоніки спектру АШІМ групуються на високих частотах, причому відсу-
тні низькочастотні кратні гармоніки. Амплітуда вищих гармонік знаходиться в діапазоні 0…4% відносно осно-
вної гармоніки.
На рис. 3, а показано напругу СМ, а також її спектр після фільтрації Г-подібним LC- фільтром з часто-
тою зрізу fз=500 Гц. Коефіцієнт гармонічних спотворень такого сигналу дорівнює 10,73%. На рис. 3, б показа-
но спектр АШІМ сигналу після фільтрації. В цьому випадку при використанні такого самого фільтру Кг =0,61%.
Оцінимо ефективність фільтрації СМ та АШІМ напруги при однакових параметрах фільтра:
− при СМ напрузі фільтр зменшує значення коефіцієнта гармонічних спотворень у K1=Кг/Кгф=
=11,21/10,73=1,045 разів;
− при АШІМ напрузі фільтр зменшує значення Кг у K2 =13,24/0,61=21,705 разів, тобто ефективність
використання фільтра при використанні АШІМ значно вища.
Отже, використання АШІМ модуляції дає змогу значно покращити якість вихідного сигналу при вико-
ристанні недорогих та простих фільтрів.
1)
2)
3)
4)
ISSN 1607-7970. Техн. електродинаміка. 2014. № 4 83
Аналіз коефіцієнта гармонічних спотворень.
На рис. 4 показано залежність Кг від частоти зрізу філь-
тра. Дані отримано на частотах модуляції fашім=2,5; 5 та
10 кГц (криві 1, 2, 3 відповідно). Чим вища частота зрізу
фільтра, тим більше гармонік вищого порядку фільтр
пропускає, тому збільшується Кг, однак завдяки збіль-
шенню частоти АШІМ можна компенсувати зростання
коефіцієнта спотворень. Графік дозволяє обрати парамет-
ри фільтру та частоту АШІМ за заданим значенням Кг .
Висновки. Задача вибору параметрів фільтру,
типу модуляції та частоти роботи багаторівневого інвер-
тора може бути значно спрощена шляхом використання
представленої моделі в пакеті Matlab-Simulink, яка відо-
бражає роботу як силової частини, так і мікропроцесор-
ної системи керування. Дослідження підтверджують не-
достатню ефективність ступеневої модуляції. Для розгля-
нутої моделі коефіцієнт спотворень СМ із використанням фільтрації становить 10,71%. На відміну від СМ АШІМ
зміщує спектр напруги в область вищих частот, що дозволяє легко відфільтрувати вищі гармоніки. Коефіцієнт
гармонічних спотворень при використанні фільтра зменшується в 21 раз та становить лише 0,64%.
УДК 621.314.5
МНОГОУРОВНЕВЫЙ ИНВЕРТОР НАПРЯЖЕНИЯ С АМПЛИТУДНОЙ ШИРОТНО-
ИМПУЛЬСНОЙ МОДУЛЯЦИЕЙ
Терещенко Т.А. докт.техн.наук, Беженар В.А., Белошицкий М.Ю.
Национальный технический университет Украины "КПИ",
пр. Победы, 37, Киев, 03056, Украина.
e-mail: belosh59@gmail.com
Исследован гармонический состав квазисинусоидального напряжения на выходе шестиуровневого диоднозамк-
нутого инвертора с амплитудной широтно-импульсной модуляцией (АШИМ). Приведены сравнения коэффици-
ента гармоничных искажений для ступенчатой модуляции и АШИМ, рассмотрены случаи с использованием
фильтра и без него, даны рекомендации по выбору частоты среза фильтра и частоты АШИМ для достиже-
ния желаемого коэффициента гармоничных искажений выходного напряжения. Исследования проведены с
помощью интерактивного инструмента Matlab – Similink. Описана модель, параметры моделирования и гра-
фики, на основе которых получены данные результаты. Библ. 3, рис. 4.
Ключевые слова: многоуровневый инвертор, АШИМ, коэффициент гармоник.
MULTILEVEL INVERTER WITH AMPLITUDE PULSE WIDTH MODULATION
Tereshchenko T.O., Bezhenar V.O., Beloshytskyi M.Yu.
National Technical University of Ukraine "Kyiv Politechnic Institute",
рr. Peremohy, 37, Kyiv, 03056, Ukraine.
e-mail: belosh59@gmail.com
Harmonic composition of quasi-sinusoidal voltage was investigated on the six-level diode clamped inverter with ampli-
tude pulse width modulation (APWM). Given comparison harmonic factor of stepped modulation (SM), and APWM,
investigated cases of using a filter and without, given recommendations on the choice of filter cutoff frequency and
APWM frequency to achieve the desired harmonic factor output voltage. Research was conducted with interactive tool
Matlab-Simulink. This scientific work has described the model, presented simulation parameters and graphs based on
data obtained results. References 3, figures 4.
Key words: multilevel inverter, APWM, total harmonic distortion.
1. Bezhenar V., Mykolaets D., Mykytiuk V., Tereshchenko T. Multilevel Inverter as VAR –compensator // Electronics and
nanotechnology (ELNANO), 2013 IEEE XXXIII International Scientific Conference. – 2013. – Pp. 370–372.
2. Rodriguez J., Lai J.S., Peng F.Z. Multilevel Inverters: Survey of Topologies, Controls, and Applications // IEEE Trans-
actions on Industry Applications. – 2002. – Vol. 49. – No 4. – Pp. 724–728.
3. Tolbert L.M., Peng F.Z., Habetler T. Multilevel Converters for Large Electric drives // IEEE Transactions on Industry
Applications. – 1999. – Vol.35. – No 1. – Pp. 36–44.
Надійшла 04.02.2014
|
| id | techned_org_ua-article-1100 |
| institution | Technical Electrodynamics |
| keywords_txt_mv | keywords |
| language | Ukrainian |
| last_indexed | 2026-06-16T01:18:38Z |
| publishDate | 2014 |
| publisher | Інститут електродинаміки НАН України, Київ |
| record_format | ojs |
| resource_txt_mv | technedorgua/9a/5e1dc9d479b1aeae024b948fb4e5d19a.pdf |
| spelling | techned_org_ua-article-11002023-01-10T12:06:36Z MULTILEVEL INVERTER WITH AMPLITUDE PULSE WIDTH MODULATION БАГАТОРІВНЕВИЙ ІНВЕРТОР НАПРУГИ З АМПЛІТУДНОЮ ШИРОТНО-ІМПУЛЬСНОЮ МОДУЛЯЦІЄЮ Терещенко , Т.О. Беженар, В.О. Білошицький , М.Ю. multilevel inverter APWM total harmonic distortion багаторівневий інвертор АШІМ коефіцієнт гармонік Harmonic composition of quasi-sinusoidal voltage was investigated on the six-level diode clamped inverter with amplitude pulse width modulation (APWM). Given comparison harmonic factor of stepped modulation (SM), and APWM, investigated cases of using a filter and without, given recommendations on the choice of filter cutoff frequency and APWM frequency to achieve the desired harmonic factor output voltage. Research was conducted with interactive tool Matlab-Simulink. This scientific work has described the model, presented simulation parameters and graphs based on data obtained results. References 3, figures 4. Досліджено гармонічний склад квазісинусоїдальної напруги на виході шестирівневого діоднозамкненого інвертора із амплітудною широтно-імпульсною модуляцією (АШІМ). Приведено порівняння коефіцієнта гармонічних спотворень для ступеневої модуляції та АШІМ, надано рекомендації по вибору частоти зрізу фільтра та частоти АШІМ для досягнення бажаного коефіцієнта гармонічних спотворень вихідної напруги. Дослідження відбувалося за допомогою інтерактивного інструмента Matlab–Similink. Описано модель, приведено параметри моделювання та графіки, на основі яких отримано дані результати. Бібл. 3, рис. 4. Інститут електродинаміки НАН України, Київ 2014-06-25 Article Article application/pdf https://techned.org.ua/index.php/techned/article/view/1100 Tekhnichna Elektrodynamika; No. 4 (2014): TEKHNICHNA ELEKTRODYNAMIKA; 081 ТЕХНІЧНА ЕЛЕКТРОДИНАМІКА; № 4 (2014): ТЕХНІЧНА ЕЛЕКТРОДИНАМІКА; 081 2218-1903 1607-7970 uk https://techned.org.ua/index.php/techned/article/view/1100/975 Авторське право (c) 2023 ТЕХНІЧНА ЕЛЕКТРОДИНАМІКА https://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0 |
| spellingShingle | багаторівневий інвертор АШІМ коефіцієнт гармонік Терещенко , Т.О. Беженар, В.О. Білошицький , М.Ю. БАГАТОРІВНЕВИЙ ІНВЕРТОР НАПРУГИ З АМПЛІТУДНОЮ ШИРОТНО-ІМПУЛЬСНОЮ МОДУЛЯЦІЄЮ |
| title | БАГАТОРІВНЕВИЙ ІНВЕРТОР НАПРУГИ З АМПЛІТУДНОЮ ШИРОТНО-ІМПУЛЬСНОЮ МОДУЛЯЦІЄЮ |
| title_alt | MULTILEVEL INVERTER WITH AMPLITUDE PULSE WIDTH MODULATION |
| title_full | БАГАТОРІВНЕВИЙ ІНВЕРТОР НАПРУГИ З АМПЛІТУДНОЮ ШИРОТНО-ІМПУЛЬСНОЮ МОДУЛЯЦІЄЮ |
| title_fullStr | БАГАТОРІВНЕВИЙ ІНВЕРТОР НАПРУГИ З АМПЛІТУДНОЮ ШИРОТНО-ІМПУЛЬСНОЮ МОДУЛЯЦІЄЮ |
| title_full_unstemmed | БАГАТОРІВНЕВИЙ ІНВЕРТОР НАПРУГИ З АМПЛІТУДНОЮ ШИРОТНО-ІМПУЛЬСНОЮ МОДУЛЯЦІЄЮ |
| title_short | БАГАТОРІВНЕВИЙ ІНВЕРТОР НАПРУГИ З АМПЛІТУДНОЮ ШИРОТНО-ІМПУЛЬСНОЮ МОДУЛЯЦІЄЮ |
| title_sort | багаторівневий інвертор напруги з амплітудною широтно-імпульсною модуляцією |
| topic | багаторівневий інвертор АШІМ коефіцієнт гармонік |
| topic_facet | multilevel inverter APWM total harmonic distortion багаторівневий інвертор АШІМ коефіцієнт гармонік |
| url | https://techned.org.ua/index.php/techned/article/view/1100 |
| work_keys_str_mv | AT tereŝenkoto multilevelinverterwithamplitudepulsewidthmodulation AT beženarvo multilevelinverterwithamplitudepulsewidthmodulation AT bílošicʹkijmû multilevelinverterwithamplitudepulsewidthmodulation AT tereŝenkoto bagatorívnevijínvertornaprugizamplítudnoûširotnoímpulʹsnoûmodulâcíêû AT beženarvo bagatorívnevijínvertornaprugizamplítudnoûširotnoímpulʹsnoûmodulâcíêû AT bílošicʹkijmû bagatorívnevijínvertornaprugizamplítudnoûširotnoímpulʹsnoûmodulâcíêû |