Optimal algorithms of multiphase pulse width modulation based on load current dispersion

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

Aim. Development of algorithms for multiphase pulse width modulation in the converter-to-electric motor system that are optimal in terms of the load current dispersion in the load.

Materials and Methods. To study the processes of multiphase pulse width modulation in frequency control of electric drives in the converter-to-electric motor system, methods of electrical circuit theory are used; the proposed algorithms are illustrated by figures and can be implemented in the MATLAB software environment.

Results. We considered the process of multiphase pulse width modulation in the converter-to-electric motor system. We demonstrated that full-phase and non-full-phase pulse width modulation algorithms can be used to minimize the number of switching operations of voltage switch converter keys. We analyzed expressions for modulating functions of multiphase voltages of half-bridges of voltage switch converters. We produced an expression for the local dispersion of the load current of a multiphase bridge circuit. We found numerical values of the pulse displacement coefficients which make it possible to obtain a minimum value of local current dispersion for cases of full-phase and non-full-phase multiphase pulse width modulation. We produced an expression for the optimal pre-modulation function, which allows us to avoid over-modulation at any values of the amplitude coefficient under given restrictions. We found an expression for the cutoff modulation coefficient of a multiphase bridge for sinusoidal modulating voltage functions.

Conclusion. The results can be used for development of control algorithms for multiphase voltage switch converters in automated electric drive systems.

About the authors

Aleksandr V. Saushev

Admiral Makarov State University of Maritime and Inland Shipping

Author for correspondence.
Email: saushev@bk.ru
ORCID iD: 0000-0003-2657-9500
SPIN-code: 9692-8603

Doctor of Sciences in Engineering, Associate Professor, Head of the Department of Electric Drive and Electrical Equipment Shore Installations

Russian Federation, St. Petersburg

Igor V. Belousov

Admiral Makarov State University of Maritime and Inland Shipping

Email: igor5.spb@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0002-9754-1318
SPIN-code: 9055-5945

Associate Professor, Department of Electric Drive and Electrical Equipment of Coastal Installations

Russian Federation, St. Petersburg

Veniamin F. Samoseiko

Admiral Makarov State University of Maritime and Inland Shipping

Email: samoseyko@mail.ru
ORCID iD: 0000-0003-2407-1922
SPIN-code: 5813-4505

Professor, Department of Electric Drive and Electrical Equipment of Coastal Installations

Russian Federation, St. Petersburg

Vladimir O. Guskov

Admiral Makarov State University of Maritime and Inland Shipping

Email: guskov@inbox.ru
ORCID iD: 0000-0002-9917-1971

postgraduate student, Department of Electric Drive and Electrical Equipment of Coastal Installations

Russian Federation, St. Petersburg

References

  1. Bakhovtsev IA, Zinoviev GS. Generalized analysis of the output energy of multiphase multilevel voltage inverters with pulse-width modulation. Electricity. 2016;4:26–33. (In Russ.) EDN: WALPQZ
  2. Tereshkin VM, Aitov IL, Sergeev NA. Study of control algorithms of multiphase bridge converters. Jelektrotehnika, 2020;1:17–23. (In Russ.) EDN: UNKUKN
  3. Shevcov DA, Poletaev AS. Multiphase pulse-width modulators for devices with a multi-channel principle of electric power conversion. Vestnik Moskovskogo aviacionnogo instituta, 2018;1(25):1–5. (In Russ.) EDN: UNKUKN
  4. Oleshhuk VI, Ermuratskij VV. Multilevel converters with symmetrical output voltage for powerful six-phase transport electric drive. Problemy regional’noj jenergetiki. 2015;1(27):27–34. (In Russ.) EDN: TUGLIP
  5. Gel’ver FA, Belousov IV, Samosejko VF. Methods for improving the quality of the synthesized voltage of a cascade converter of a part. Vestnik Permskogo nacional’nogo issledovatel’skogo politehnicheskogo universiteta. Jelektrotehnika, informacionnye tehnologii, sistemy upravlenija. 2020;1:21–45. (In Russ.) EDN: YERANS doi: 10.15593/2224-9397/2020.1.02
  6. Hava AM, Çetin NO. A Generalized Scalar PWM Approach with Easy Implementation Features for Three-Phase, Three-Wire Voltage-Source Inverters. IEEE Transactions on Power Electronics. 2010;26(5):1385–1395. doi: 10.1109/TPEL.2010.2081689
  7. Mao X, Ayyanar R, Krishnamurthy HK. Optimal variable switching frequency scheme for reducing switching loss in single-phase inverters based on time-domain ripple analysis. IEEE Transactions on Power Electronics. 2009;24(4):991–1001. doi: 10.1109/TPEL.2008.2009635
  8. Klimov V. Chastotno-energeticheskie parametry shim-invertorov sistem bespereboinogo pitaniya. Silovaya elektronika. 2009;22:66–71. (In Russ.) [cited: 09.03.2023] Available from: https://power-e.ru/wp-content/uploads/2009_4_66.pdf
  9. Madhavi R, Harinath C. Investigation of various space vector pwm techniques for inverter. International Journal of Engineering Research and Management (IJERM). 2014;1(7):162–165. [cited: 09.03.2023] Available from: https://www.ijerm.com/download_data/IJERM0110071.pdf
  10. Dmitriev BF, Galushin SYa, Likhomanov AM, Rozov AYu. Trekhfaznaya sinusoidal’naya modifitsirovannaya shirotno-impul’snaya modulyatsiya pervogo roda v avtonomnykh invertorakh. Morskoi vestnik. 2017;1(61):69–72. (In Russ.) EDN: YHDFBJ
  11. Ptah GK. Comparison of the characteristics of alternating current electric motors of the induction and synchronic types, with the purpose of using them in combustible electric motors of greater power. Izvestija vysshih uchebnyh zavedenij. Jelektromehanika. 2019;5(62):24–30. (In Russ.) EDN: ISPZZZ doi: 10.17213/0136-3360-2019-5-24-30
  12. Belousov IV, Samoseiko VF, Saushev AV. Assessment of filtering properties of asynchronous electric drive with pulse width modulation. E35 Web of Conferences. 2022;363:1–8. doi: 10.1051/e3sconf/202236301025
  13. Hava AM, Kerkman RJ, Lipo TA. A High Performance Generalized Discontinuous PWM Algorithm. IEEE Transactions on Industry applications. 1998;34(5):1059–1071. doi: 10.1109/28.720446
  14. Chaplygin EE, Khukhtikov SV. Pulse width modulation with passive phase in three-phase voltage inverters. Electricity. 2011;5:53–61. (In Russ.) EDN: NRBWQP
  15. Saushev AV, Belousov IV, Bova EV, Rumjancev AJu. Non-full-phase algorithms for pulse-width modulation of three-phase voltages in frequency control systems of electric drives. Modern Transportation Systems and Technologies. 2024;2(10):231–246. (In Russ.) doi: 10.17816/transsyst628299

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. The scheme of the m-phase electronic key bridge

Download (51KB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. Vector diagram of phase voltages at the phase shift angle ρ = 2·π/m and m = 4

Download (21KB)
Indexing metadata
4. Fig. 3. Two-phase voltage modulation schemes on: a) a three-level two-phase bridge; b) a two-level three-phase bridge

Download (86KB)
Indexing metadata
5. Fig. 4. Modulating functions of the half-bridge potentials of a 5-phase bridge at a =1 with a premodulation function (11)

Download (72KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2025 Saushev A.V., Belousov I.V., Samoseiko V.F., Guskov V.O.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.

link to the archive of the previous title

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».