کنترل محرکه موتور القایی مبتنی بر اینورتر مهار دیودی تو در تو با استفاده از روش پیش ‏بین مبتنی بر مدل با مجموعه کنترلی محدود

نوع مقاله : مقاله برق

نویسندگان

1 گروه مهندسی برق قدرت، دانشکده مهندسی برق و کامپیوتر، دانشگاه تهران

2 دانشگاه ارومیه

چکیده

در این مقاله یک روش کنترل پیش‌بین مبتنی بر مدل با مجموعه کنترلی محدود برای محرکه الکتریکی مبتنی بر یک اینورتر مهاردیودی تو در تو چهار سطحی (4L-NNPC) ارائه شده است. در کاربرد محرکه الکتریکی و با توجه به سرعت متغیر موتور، کنترل ولتاژ خازن‏های شناور در این مبدل، به ویژه در سرعت پائین (فرکانس خروجی پایین)، به دلیل عدم وجود حالات کلیدزنی کافی، یک مسئله چالش برانگیز است. در روش پیشنهادی این مقاله، اهداف کنترلی مورد نیاز موتور الکتریکی و مبدل 4L-NNPC یعنی کنترل گشتاور، شار و ولتاژ خازن‏های شناور در قالب یک تابع هزینه چند هدفه فرمول‌بندی شده است. یک ضریب وزنی اصلاح شده برای کنترل خازن‏های شناور در تابع هزینه معرفی شده است که امکان کنترل کامل نوسانات ولتاژ خازن‏های شناور به ویژه در عملیات فرکانس پایین و به ازای مقادیر مختلف گشتاور بار را تامین می‏کند. روش کنترل پیشنهادی علاوه بر برآورده کردن اهداف مورد نیاز محرکه الکتریکی، قابلیت کنترل ولتاژ خازن‏های شناور مبدل را در کل محدوده فرکانس خروجی و گشتاور کاری موتور را دارد. عملکرد روش پیشنهادی بر روی یک مبدل 4L-NNPC در کاربرد یک محرکه موتور القائی 1500 اسب بخار، با ولتاژ خط 4160 ولتی در محیط نرم‏افزار MATLAB/Simulink شبیه‏سازی و راستی‏آزمایی شده است.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

Control of Induction Motor Drive based on Nested Neutral Point Clamped Inverter using Finite Control-Set Model Predictive Method

نویسندگان [English]

  • Kourosh Khalaj Monfared 1
  • Hossein Iman-Eini 1
  • Yousef Neyshabouri 2
1 School of Electrical and Computer Engineering, University of Tehran, Tehran, Iran
2 Faculty of Electrical and Computer Engineering, Urmia University
چکیده [English]

This paper presents a finite control set model predictive control for a four-level nested neutral point clamped converter (4L-NNPC) in electric drive application. Controlling the voltage of the flying capacitors (FCs) in this converter, especially at low output frequency, is challenging due to the lack of complete switching states to control the FCs voltages. In the proposed method, the main control objectives of the electrical motor and converter, i.e., the control of the torque, flux, and voltage of the FCs, have been formulated. A modified weighting factor for FC voltage objective in the cost function is introduced, which provides the full possibility of controlling voltage fluctuations of FCs, especially in low-frequency operation. The proposed control method, in addition to controlling the electric motor's required objectives, can control the voltage of the FCs of the converter in the entire operating frequency range. The performance of the proposed method has been simulated and verified on a 4L-NNPC converter using a 1500 HP, 4160 V electric drive in the MATLAB/Simulink software environment.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Nested Neutral Point Clamped Converter
  • Electrical Drive
  • Capacitor Voltage Balancing
  • Model Predictive Control

مراجع

[1] A. Salem, H. Van Khang, K. G. Robbersmyr, M. Norambuena, and J. Rodriguez, “Voltage source multilevel inverters with reduced device count: Topological review and novel comparative factors,” IEEE Transactions on Power Electronics, Vol. 36, No. 3, 2020, pp. 2720–2747.
[2] Z. Ke, J. Pan, M. Al Sabbagh, R. Na, J. Zhang, J. Wang, and L. Xu, “Capacitor voltage ripple estimation and optimal sizing of modular multi-level converters for variable-speed drives,” IEEE Transactions on Power Electronics, Vol. 35, No. 11, 2020, pp. 12 544–12 554.
[3] J. A. Anderson, G. Zulauf, J. W. Kolar, and G. Deboy, “New figure-ofmerit combining semiconductor and multi-level converter properties,” IEEE Open Journal of Power Electronics, Vol. 1, 2020, pp. 322–338.
[4] بابک حسینی منتظر، جواد علمایی، مجید حسین­پور و بابک مظفری، "یک ساختار تعمیم­یافته حاوی دیود برای اینورتر چندسطحی با تعداد سویچ و درایور کمتر"، نشریه مدل‌سازی در مهندسی، دوره 19، شماره 66، پائیز 1400، صفحه 37-51.
[5] D. Krishnachaitanya and C. A., "Quantitative Analysis of Asymmetric Multilevel Inverters With Reduced Device Count From Reliability and Cost Function Perspective—A Review," in IEEE Transactions on Power Electronics, Vol. 36, No. 10, 2022, pp. 11068-11086.
[6] H. Li, H. Xiao, and G. Yang, “Reconstructed current model predictive control of npc three-level grid-tied converter with current sensor fault,” IEEE Access, Vol. 9, 2021, pp. 141 098–141 106.
[7] V. Jayan and A. M. Y. M. Ghias, “A single-objective modulated model predictive control for a multilevel flying-capacitor converter in a dc microgrid,” IEEE Transactions on Power Electronics, Vol. 37, No. 2, 2021, pp. 1560–1569.
[8] مجید حسین­پور و علی سیفی، "ارائه یک ساختار جدید برای مبدل چندسطحی متقارن به منظور کاهش تعداد سویچ"، نشریه مدل‌سازی در مهندسی، دوره 18، شماره60، بهار 1399، صفحه 71-85.
[9] Z. Xin, F. Xiao and L. Hu, "A Switching Sequence Optimization Method (SSOM) to Eliminate the Dead-Time Unexpected Output Levels for Four-Level Nested Neutral Point Clamped Converter," in IEEE Transactions on Transportation Electrification, Vol. 7, No. 4, 2021, pp. 2085-2094.
[10] K. K. Monfared, H. Iman-Eini and Y. Neyshabouri, "Cost comparison of four-level NNPC converter with four-level FC and NPC converters," 2022 13th Power Electronics, Drive Systems, and Technologies Conference (PEDSTC), 2022.
[11] Z. Xin, F. Xiao, and L. Hu, “A switching sequence optimization method (ssom) to eliminate the dead time unexpected output levels for fourlevel nested neutral point clamped converter,” IEEE Transactions on Transportation Electrification, 2021.
[12] H. Tian and Y. W. Li, “Carrier-based stair edge pwm (sepwm) for capacitor balancing in multilevel converters with floating capacitors,” IEEE Transactions on Industry Applications, Vol. 54, No. 4, 2018, pp. 3440– 3452.
[13] A. K. Peter, J. Mathew and K. Gopakumar, "A Simplified DTC-SVPWM Scheme for Induction Motor Drives Using a Single PI Controller," in IEEE Transactions on Power Electronics, Vol. 38, No. 1, 2023, pp. 750-761.
[14] L. Tan, B. Wu, V. Sood, D. Xu, M. Narimani, Z. Cheng, and N. R. Zargari, “A simplified space vector modulation for four-level nested neutral-point clamped inverters with complete control of flying-capacitor voltages,” IEEE Transactions on Power Electronics, Vol. 33, No. 3, 2017, pp. 1997–2006.
[15] M. Narimani, B. Wu, V. Yaramasu, Z. Cheng, and N. R. Zargari, “Finite control-set model predictive control (fcs-mpc) of nested neutral pointclamped (nnpc) converter,” IEEE Transactions on Power Electronics, Vol. 30, No. 12, 2015, pp. 7262–7269.
[16] H. Xie, W. Tian, X. Gao, F. Wang, J. Rodríguez and R. Kennel, "An Ensemble Regulation Principle for Multi-Objective Finite Control Set Model Predictive Control of Induction Machine Drives," in IEEE Transactions on Power Electronics, 2022.
[17] Y. Yang, H. Wen, M. Fan, X. Zhang, L. He, R. Chen, M. Xie, M. Norambuena, and J. Rodriguez, “Low complexity finite-control-set mpc based on discrete space vector modulation for t-type three-phase three-level converters,” IEEE Transactions on Power Electronics, Vol. 37, No. 1, 2021, pp. 392–403.
[18] سعید مقصودی، یوسف کاظمی سنجی، محمد فرهادی کنگرلو و سجاد گلوانی، "مدلسازی جامع شرایط نامتعادلی موتور القائی به منظور ارزیابی دقیق عملکرد حالت ماندگار بر اساس شاخص نامتعادلی جریان مختلط (CCUF)"، نشریه مدل‌سازی در مهندسی، دوره 19، شماره 66، پائیز 1400، صفحه 65-78.
[19] N. Jin, D. Dai, H. Xie, J. Wu and L. Guo, "Virtual Vector-Based FCS-MPC for NPC Three-Level Grid-Tied Inverter Without Weighting Factor of Neutral-Point Voltage Balancing," in IEEE Access, Vol. 10, 2022, pp. 72806-72814.
[20] A. Gonzalez-Prieto, C. Martin, I. González-Prieto, M. J. Duran, J. Carrillo-Ríos and J. J. Aciego, "Hybrid Multivector FCS–MPC for Six-Phase Electric Drives," in IEEE Transactions on Power Electronics, Vol. 37, No. 8, 2022, pp. 8988-8999.
[21] L. Tan et al., "A Simplified Space Vector Modulation for Four-Level Nested Neutral-Point Clamped Inverters With Complete Control of Flying-Capacitor Voltages," in IEEE Transactions on Power Electronics, Vol. 33, No. 3, 2018, pp. 1997-2006.
مدل سازی در مهندسی
دوره 21، شماره 74
آبان 1402
صفحه 275-290

فایل ها

سابقه مقاله

  • تاریخ دریافت: 09 مرداد 1401
  • تاریخ بازنگری: 26 آذر 1401
  • تاریخ پذیرش: 06 خرداد 1402

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار