Распознавание неисправностей и реконфигурирование трехфазного пятиуровневого каскадного H-мостового инвертора

Автор(и)

  • Тану Прасад Индийский технологический институт Бхилаи, Чаттисгарх, Індія http://orcid.org/0000-0003-3691-8473
  • Сватпнаит Паттнаик Национальный технологический институт Раипур, Чаттисгарх, Індія

DOI:

https://doi.org/10.20535/S002134702206005X

Ключові слова:

каскадный многоуровневый H-мостовой инвертор, метод пространственно-векторной модуляции, распознавание ошибок, нечеткая логика, реконфигурация ошибок, вспомогательный инверторный модуль

Анотація

В статье представлена методика распознавания неисправностей и реконфигурации трехфазного пятиуровневого каскадного Н-мостового инвертора. Анализ работы многоуровневого инвертора выполнен с использованием метода пространственно-векторной модуляции. При отказе разомкнутого переключателя, который достаточно часто встречается в многоуровневом инверторе,  и определяется с помощью нечеткой логики, выполняется реконфигурация при неисправности путем добавления к основному многоуровневому инвертору одного вспомогательного инверторного модуля, который работает при наличии неисправности и регулирует выходное напряжение. Работа вспомогательного инверторного модуля определяется заданным состоянием переключения, в зависимости от неисправности, возникающей в конкретном переключателе. Применение данного метода дает возможность непрерывной работы основного многоуровневого инвертора даже в состоянии с неисправностью при отсутствии на выходе только одного или двух уровней напряжения. Непрерывная работа многоуровневого инвертора при меньшем значении параметра THD достигается без использования фильтра, что подтверждается моделированием в среде MATLAB®.

Посилання

L. Franquelo, J. Rodriguez, J. Leon, S. Kouro, R. Portillo, M. Prats, “The age of multilevel converters arrives,” IEEE Ind. Electron. Mag., vol. 2, no. 2, pp. 28–39, 2008, doi: https://doi.org/10.1109/MIE.2008.923519.

J. Rodriguez, J.-S. Lai, F. Z. Peng, “Multilevel inverters: a survey of topologies, controls, and applications,” IEEE Trans. Ind. Electron., vol. 49, no. 4, pp. 724–738, 2002, doi: https://doi.org/10.1109/TIE.2002.801052.

R. R. Kumar, “Comparison of PWM techniques and inverter performance,” IOSR J. Electr. Electron. Eng., vol. 4, no. 1, pp. 18–22, 2013, doi: https://doi.org/10.9790/1676-0411822.

K. Deepa, P. A. Kumar, V. S. Krishna, P. N. K. Rao, A. Mounika, D. Medhini, “A study of comparative analysis of different PWM techniques,” in 2017 International Conference On Smart Technologies For Smart Nation (SmartTechCon), 2017, pp. 1144–1149, doi: https://doi.org/10.1109/SmartTechCon.2017.8358548.

K. V. Kumar, P. A. Michael, J. P. John, S. S. Kumar, “Simulation and comparison of SPWM and SVPWM control for three phase inverter,” ARPN J. Eng. Appl. Sci., vol. 5, no. 7, pp. 61–74, 2010.

H. Hu, W. Yao, Z. Lu, “Design and implementation of three-level space vector PWM IP core for FPGAs,” IEEE Trans. Power Electron., vol. 22, no. 6, pp. 2234–2244, 2007, doi: https://doi.org/10.1109/TPEL.2007.909296.

I. Ahmed, V. B. Borghate, A. Matsa, P. M. Meshram, H. M. Suryawanshi, M. A. Chaudhari, “Simplified space vector modulation techniques for multilevel inverters,” IEEE Trans. Power Electron., vol. 31, no. 12, pp. 8483–8499, 2016, doi: https://doi.org/10.1109/TPEL.2016.2520078.

J.-S. Hu, J.-N. Lin, H.-C. Chen, “A discontinuous space vector PWM algorithm in abc reference frame for multilevel three-phase cascaded H-bridge voltage source inverters,” IEEE Trans. Ind. Electron., vol. 64, no. 11, pp. 8406–8414, 2017, doi: https://doi.org/10.1109/TIE.2017.2703675.

R. R. Krishna, K. Gopakumar, M. Boby, A. K. Yadav, L. G. Franquelo, S. S. Williamson, “Multilevel 24-sided polygonal voltage-space-vector structure generation for an IM drive using a single DC source,” IEEE Trans. Ind. Electron., vol. 66, no. 2, pp. 1023–1031, 2019, doi: https://doi.org/10.1109/TIE.2018.2831189.

D. Miljković, “Fault detection methods: A literature survey,” in 2011 Proceedings of the 34th International Convention MIPRO, 2011, uri: https://ieeexplore.ieee.org/document/5967153.

F. Asghar, M. Talha, S. H. Kim, “Comparative study of three fault diagnostic methods for three phase inverter with induction motor,” Int. J. Fuzzy Log. Intell. Syst., vol. 17, no. 4, pp. 245–256, 2017, doi: https://doi.org/10.5391/IJFIS.2017.17.4.245.

F. Asghar, M. Talha, S. H. Kim, “Neural network based fault detection and diagnosis system for three-phase inverter in variable speed drive with induction motor,” J. Control Sci. Eng., vol. 2016, pp. 1–12, 2016, doi: https://doi.org/10.1155/2016/1286318.

H. Liu, P. C. Loh, F. Blaabjerg, “Sub-module short circuit fault diagnosis in modular multilevel converter based on wavelet transform and adaptive neuro fuzzy inference system,” Electr. Power Components Syst., vol. 43, no. 8–10, pp. 1080–1088, 2015, doi: https://doi.org/10.1080/15325008.2015.1022668.

S. Boukadida, S. Gdaim, A. Mtiba, “Sensor fault detection and isolation based on artificial neural networks and fuzzy logic applicated on induction motor for electrical vehicle,” Int. J. Power Electron. Drive Syst., vol. 8, no. 2, p. 601, 2017, doi: https://doi.org/10.11591/ijpeds.v8.i2.pp601-611.

M. Thirumarimurugan, N. Bagyalakshmi, P. Paarkavi, “Comparison of fault detection and isolation methods: A review,” in 2016 10th International Conference on Intelligent Systems and Control (ISCO), 2016, pp. 1–6, doi: https://doi.org/10.1109/ISCO.2016.7726957.

P. Lezana, J. Pou, T. A. Meynard, J. Rodriguez, S. Ceballos, F. Richardeau, “Survey on fault operation on multilevel inverters,” IEEE Trans. Ind. Electron., vol. 57, no. 7, pp. 2207–2218, 2010, doi: https://doi.org/10.1109/TIE.2009.2032194.

B. Lu, S. K. Sharma, “A literature review of IGBT fault diagnostic and protection methods for power inverters,” IEEE Trans. Ind. Appl., vol. 45, no. 5, pp. 1770–1777, 2009, doi: https://doi.org/10.1109/TIA.2009.2027535.

M. A. Rodriguez-Blanco, A. Vazquez-Perez, L. Hernandez-Gonzalez, V. Golikov, J. Aguayo-Alquicira, M. May-Alarcon, “Fault detection for IGBT using adaptive thresholds during the turn-on transient,” IEEE Trans. Ind. Electron., vol. 62, no. 3, pp. 1975–1983, 2015, doi: https://doi.org/10.1109/TIE.2014.2364154.

U.-M. Choi, F. Blaabjerg, K.-B. Lee, “Study and handling methods of power IGBT module failures in power electronic converter systems,” IEEE Trans. Power Electron., vol. 30, no. 5, pp. 2517–2533, 2015, doi: https://doi.org/10.1109/TPEL.2014.2373390.

Z. Wang, X. Shi, L. M. Tolbert, F. Wang, B. J. Blalock, “A di/dt feedback-based active gate driver for smart switching and fast overcurrent protection of IGBT modules,” IEEE Trans. Power Electron., vol. 29, no. 7, pp. 3720–3732, 2014, doi: https://doi.org/10.1109/TPEL.2013.2278794.

W. Zhang, D. Xu, P. N. Enjeti, H. Li, J. T. Hawke, H. S. Krishnamoorthy, “Survey on fault-tolerant techniques for power electronic converters,” IEEE Trans. Power Electron., vol. 29, no. 12, pp. 6319–6331, 2014, doi: https://doi.org/10.1109/TPEL.2014.2304561.

W. Song, A. Q. Huang, “Fault-tolerant design and control strategy for cascaded H-bridge multilevel converter-based STATCOM,” IEEE Trans. Ind. Electron., vol. 57, no. 8, pp. 2700–2708, 2010, doi: https://doi.org/10.1109/TIE.2009.2036019.

M. Aleenejad, H. Iman‐Eini, S. Farhangi, “Modified space vector modulation for fault‐tolerant operation of multilevel cascaded H‐bridge inverters,” IET Power Electron., vol. 6, no. 4, pp. 742–751, 2013, doi: https://doi.org/10.1049/iet-pel.2012.0543.

L. Maharjan, T. Yamagishi, H. Akagi, J. Asakura, “Fault-tolerant operation of a battery-energy-storage system based on a multilevel cascade PWM converter with star configuration,” IEEE Trans. Power Electron., vol. 25, no. 9, pp. 2386–2396, 2010, doi: https://doi.org/10.1109/TPEL.2010.2047407.

H. Salimian, H. Iman-Eini, “Fault-tolerant operation of three-phase cascaded H-bridge converters using an auxiliary module,” IEEE Trans. Ind. Electron., vol. 64, no. 2, pp. 1018–1027, 2017, doi: https://doi.org/10.1109/TIE.2016.2613983.

S. Ouni et al., “Improvement of post-fault performance of a cascaded H-bridge multilevel inverter,” IEEE Trans. Ind. Electron., vol. 64, no. 4, pp. 2779–2788, 2017, doi: https://doi.org/10.1109/TIE.2016.2632058.

M. M. Haji‐Esmaeili, M. Naseri, H. Khoun‐Jahan, M. Abapour, “Fault‐tolerant structure for cascaded H‐bridge multilevel inverter and reliability evaluation,” IET Power Electron., vol. 10, no. 1, pp. 59–70, 2017, doi: https://doi.org/10.1049/iet-pel.2015.1025.

H. K. Jahan, F. Panahandeh, M. Abapour, S. Tohidi, “Reconfigurable multilevel inverter with fault-tolerant ability,” IEEE Trans. Power Electron., vol. 33, no. 9, pp. 7880–7893, 2018, doi: https://doi.org/10.1109/TPEL.2017.2773611.

A. A. Stonier, B. Lehman, “An intelligent-based fault-tolerant system for solar-fed cascaded multilevel inverters,” IEEE Trans. Energy Convers., vol. 33, no. 3, pp. 1047–1057, 2018, doi: https://doi.org/10.1109/TEC.2017.2786299.

S. Rahman, M. Meraj, A. Iqbal, L. Ben‐Brahim, R. Alammari, H. Abu‐Rub, “Fault tolerant single‐phase capacitor start capacitor run induction motor powered with cascaded multilevel quasi impedance source inverter,” J. Eng., vol. 2019, no. 17, pp. 4036–4040, 2019, doi: https://doi.org/10.1049/joe.2018.8042.

H. Iman-Eini†, S. Farhangi, J.-L. Schanen, M. Khakbazan-Fard, “A fault-tolerant control strategy for cascaded H-bridge multilevel rectifiers,” J. Power Electron., vol. 10, no. 1, pp. 34–42, 2010, uri: http://koreascience.or.kr/article/JAKO201012368302236.pdf.

M. Aleenejad, S. Jafarishiadeh, H. Mahmoudi, R. Ahmadi, “Reduced number of auxiliary H‐bridge power cells for post‐fault operation of three phase cascaded H‐bridge inverter,” IET Power Electron., vol. 12, no. 11, pp. 2923–2931, 2019, doi: https://doi.org/10.1049/iet-pel.2018.5073.

Диаграмма пятиуровневого пространственного вектора

##submission.downloads##

Опубліковано

2022-06-22 — Оновлено 2022-06-25

Як цитувати

Прасад, Т., & Паттнаик, С. (2022). Распознавание неисправностей и реконфигурирование трехфазного пятиуровневого каскадного H-мостового инвертора. Вісті вищих учбових закладів. Радіоелектроніка, 65(6), 377–392. https://doi.org/10.20535/S002134702206005X

Номер

Том 65 № 6 (2022)

Розділ

Оригінальні статті

Ліцензія

Авторське право (c) 2022 Вісті вищих учбових закладів. Радіоелектроніка

Издатель журнала Известия высших учебных заведений. Радиоэлектроника (сокр. "Известия вузов. Радиоэлектроника"), Национальный технический университет Украины "Киевский политехнический институт", учитывает, что доступ автора к его статье является важным как для самого автора, так и для спонсоров его исследований. Мы представлены в базе издателей SHERPA/RoMEO как зеленый издатель (green publisher), что позволяет автору выполнять самоархивирование своей статьи. Однако важно, чтобы каждая из сторон четко понимала свои права. Просьба более детально ознакомиться с Политикой самоархивирования нашего журнала.

Политика оплаченного открытого доступа POA (paid open access), принятая в журнале, позволяет автору выполнить все необходимые требования по открытому доступу к своей статье, которые выдвигаются институтом, правительством или фондом при выделении финансирования. Просьба более детально ознакомиться с политикой оплаченного открытого доступа нашего журнала (см. отдельно).

Варианты доступа к статье:

1. Статья в открытом доступе POA (paid open access)

В этом случае права автора определяются лицензией CC BY (Creative Commons Attribution).

2. Статья с последующим доступом по подписке

В этом случае права автора определяются авторским договором, приведенным далее.

  • Автор (каждый соавтор) уступает Издателю журнала «Известия высших учебных заведений. Радиоэлектроника» НТУУ «КПИ» на срок действия авторского права эксклюзивные права на материалы статьи, в том числе право на публикацию данной статьи издательством Аллертон Пресс, США (Allerton Press) на английском языке в журнале «Radioelectronics and Communications Systems». Передача авторского права охватывает исключительное право на воспроизведение и распространение статьи, включая оттиски, переводы, фото воспроизведения, микроформы, электронные формы (он- и оффлайн), или любые иные подобные формы воспроизведения, а также право издателя на сублицензирование третьим лицам по своему усмотрению без дополнительных консультаций с автором. При этом журнал придерживается Политики конфиденциальности.
  • Передача прав включает право на обработку формы представления материалов с помощью компьютерных программам и систем (баз данных) для их использования и воспроизводства, публикации и распространения в электронном формате и внедрения в системы поиска (базы данных).
  • Воспроизведение, размещение, передача или иное распространение или использование материалов, содержащихся в статье должно сопровождаться ссылкой на Журнал и упоминанием Издателя, а именно: название статьи, имя автора (соавторов), название журнала, номер тома, номер выпуска, копирайт авторов и издателя "© Национальный технический университет Украины "Киевский политехнический институт"; © автор(ы)".
  • Автор (каждый соавтор) материалов сохраняет все права собственника материалов, включая патентные права на любые процессы, способы или методы и др., а также права на товарные знаки.
  • Издатель разрешает автору (каждому соавтору) материалов следующее:
  1. Право пользоваться печатными или электронными вариантами материалов статьи в форме и содержании, принятыми Издателем для публикации в Журнале. Подробнее см. политики Оплаченного открытого доступа, подписки и самоархивирования.
  2. Право бесплатно копировать или передавать коллегам копию напечатанной статьи целиком или частично для их личного или профессионального использования, для продвижения академических или научных исследований или для учебного процесса или других информационных целей, не связанных с коммерческими целями.
  3. Право использовать материалы из опубликованной статьи в написанной автором (соавторами) книге, монографии, учебнике, учебном пособии и других научных и научно-популярных изданиях.
  4. Право использовать отдельные рисунки или таблицы и отрывки текста из материалов в собственных целях обучения или для включения их в другую работу, которая печатается (в печатном или электронном формате) третьей стороной, или для представления в электронном формате во внутренние компьютерные сети или на внешние сайты автора (соавторов).
  • Автор (соавторы) соглашаются, что каждая копия материалов или любая ее часть, распространенная или размещенная ими в печатном или электронном формате, будет содержать указание на авторское право, предусмотренное в Журнале и полную ссылку на Журнал Издателя.
  • Автор (соавторы) гарантирует, что материалы являются оригинальной работой и представлены впервые на рассмотрение только в этом Журнале и ранее не публиковались. Если материалы написаны совместно с соавторами, автор гарантирует, что проинформировал их относительно условий публикации материалов и получил их подписи или письменное разрешение подписываться от их имени.
  • Если в материалы включаются отрывки из работ или имеются указания на работы, которые охраняются авторским правом и принадлежат третьей стороне, то автору необходимо получить разрешение владельца авторских прав на использование таких материалов в первом случае и сделать ссылку на первоисточник во втором.
  • Автор гарантирует, что материалы не содержат клеветнических высказываний и не посягают на права (включая без ограничений авторское право, права на патент или торговую марку) других лиц и не содержат материалы или инструкции, которые могут причинить вред или ущерб третьим лицам. Автор (каждый соавтор) гарантирует, что их публикация не приведет к разглашению секретных или конфиденциальных сведений (включая государственную тайну). Подтверждением этого является Экспертное заключение (см. перечень документов в Правила для авторов).
  • Издатель обязуется опубликовать материалы в случае получения статьей положительного решения редколлегии о публикации на основании внешнего рецензирования (см. Политика рецензирования).
  • В случае публикации статьи на английском языке в журнале «Radioelectronics and Communications Systems» (Издатель: Аллертон Пресс, США, распространитель Springer) автору (соавторам) выплачивается гонорар после выхода последнего номера журнала года, в котором опубликована данная статья.
  • Документ Согласие на публикацию, который подают русскоязычные авторы при подаче статьи в редакцию, является краткой формой данного договора, в котором изложены все ключевые моменты настоящего договора и наличие которого подтверждает согласие автора (соавторов) с ним. Аналогичным документом для англоязычных авторов является Copyright Transfer Agreement (CTA), предоставляемый издательством Allerton Press.
  • Настоящий Договор вступает в силу в момент принятия статьи к публикации. Если материалы не принимаются к публикации или до публикации в журнале автор (авторы) отозвал работу, настоящий Договор не приобретает (теряет) силу.