Wielopoziomowe przekształtniki energoelektroniczne – topologie, zasada działania, metody modulacji

W artykule zostały omówione wybrane zagadnienia dotyczące budowy topologicznej, sposobu działania i sterowania oraz metod modulacji stosowanych w przekształtnikach wielopoziomowych. Dokonano przeglądu podstawowych topologii przekształtników wielopoziomowych, do których zalicza się przekształtniki z diodami poziomującymi, przekształtniki z kondensatorami poziomującymi, przekształtniki kaskadowe oraz przekształtniki hybrydowe. Opisano ogólną strukturę działania przekształtnika wielopoziomowego składającą się z kilku etapów w zależności od jego zastosowania i topologii. W strukturze działania wyszczególniono etapy zewnętrznej pętli sterowania, wewnętrznej pętli sterowania, stabilizacji napięć DC oraz modulacji. Następnie zaprezentowano podział metod modulacji stosowanych w przekształtnikach wielopoziomowych i dokonano szczegółowego opisu wybranych metod modulacji. W dalszej części artykułu zostały szczegółowo opisane metody modulacji, tj. metoda z sygnałami nośnymi z przesuniętymi poziomami oraz metoda z sygnałami nośnymi przesuniętymi fazowo posłużyły do przedstawienia analizy strat mocy w przekształtnikach wielopoziomowych.
 

Pełny tekst (pdf)

[1] Zhang J., Xu S., Din Z., Hu X.: Hybrid Multilevel Converters: Topologies, Evolutions and Verifications, Energies, vol. 12, no. 4. 2019, s. 615, https://www.mdpi.com/1996-1073/12/4/615 (dostęp: 04.11.2019r.).
[2] Lai J.S., Peng F.Z.: Multilevel converters-a new breed of power converters. IEEE Transactions on Industry Applications, vol. 32, no. 3, 1996, pp. 509–517, https://ieeexplore.ieee.org/document/502161 (dostęp: 31.10.2019r.).
[3] Hanzelka Z.: Rozważania o jakości energii elektrycznej (IV). Elektroinstalator, nr 12, 2001, s. 10-17.
[4] Bayoumi E. H.: Power electronics in smart grid distribution power systems: a review, International Journal of Industrial Electronics and Drives, vol. 3, no. 1, 2016, s. 20, https://www.researchgate.net/publication/305288782_Power_electronics_in_smart_ grid_distribution_power_systems_a_review (dostęp: 03.11.2019r.).
[5] Zygmanowski M., Michalak J.: Przekształtniki energoelektroniczne w EP, Artykuły Referencyjne, Biblioteka Źródłowa Energetyki Prosumenckiej, Stowarzyszenie Klaster 3x20, 2014, http://bzep.pl/static/uploads/MICHALAK_ZYGMANOWSKI_ PRZEKSZTALTNIKI_ENERGOELEKTRONICZNE_W_EP2.pdf, (dostęp: 06.11.2019r.).
[6] Zygmanowski M.: Analiza porównawcza właściwości wybranych wielopoziomowych przekształtników energoelektronicznych przeznaczonych do układów kondycjonowania energii elektrycznej, Rozprawa doktorska, Politechnika Śląska, 2009.
[7] Pieńkowski K., Knapczyk M.: Przekształtniki energoelektroniczne AC/DC/AC i AC/AC- układy topologiczne i sterowanie, Zeszyty Problemowe – Maszyny Elektryczne, nr 72/2005, 2005, s. 247.
[8] Leon J.I., Vazquez S., Franquelo L.G.: Multilevel Converters: Control and Modulation Techniques for Their Operation and Industrial Applications, Proceedings of the IEEE, vol. 105, no. 11, 2017, pp. 2066-2081, https://ieeexplore.ieee.org/document/8010540 (dostęp: 05.11.2019r.).
[9] Kazmierkowski M.P., Franquelo L., Rodriguez J., Perez M., Leon J.: High-Performance Motor Drives. IEEE Industrial Electronics Magazine, vol. 5, no. 3, 2011, pp. 6-26, https://www.researchgate.net/publication/261774243_High-Performance_Motor_Drives (dostęp: 12.11.2019r.).
[10]Biskup T., Kołodziej H., Paluszczak D., Sontowski J., Michalak J., Zygmanowski M.: Przekształtnik 3-poziomowy NPC 3,3 kV do integracji z silnikiem klatkowym, Maszyny Elektryczne - Zeszyty Problemowe, nr 2/2015(106), 2015, s. 163.
[11]Leon J.I., Kouro S., Franquelo L.G., Rodriguez J., Wu B.: The essential role and the continuous evolution of modulation techniques for voltage-source inverters in the past present and future power electronics, IEEE Transactions on Industry Applications, vol. 63, no. 5, 2016, pp. 2688-2701, https://ieeexplore.ieee.org/document/7386640 (dostęp: 05.11.2019r.).