A novel modified AC/AC Z-Source converter for starting current reduction for three-phase induction motor

• Autorzy: Ngamkong Phurich , Photong Chonlatee

Identyfikatory

DOI

10.15199/48.2023.05.24

Warianty tytułu

PL

Nowatorski zmodyfikowany konwerter AC/AC Z-Source do redukcji prądu rozruchowego trójfazowego silnika indukcyjnego

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Induction motors inherently have very high current in order to provide sufficient power and torque for the loads when started. This very high current can cause the damage for the motors and other components. Therefore, an additional electronic soft starter such an AC/AC converter is commonly used to reduce this current but the reduced current is still high and relatively has high harmonics. This paper proposes a novel electronic soft starter, a modified AC/AC Z-Source converter for the three-phase induction motor. The proposed soft starter could directly convert AC voltage from a three-phase power supply with constant voltage and frequency by adjusting voltage together with the additional impedance source. The performance in terms of starting current reduction capacity and harmonic reduction capacity of the proposed starter with/without the overlap switching state implementation was examined and evaluated in comparison to the conventional starter with an AC/AC converter. These starter circuits were simulated via the computer program by operating at 3 load torque conditions: without load, half load and full load. The test results showed that the proposed starter with overlap switching state implementation provided the lowest starting current and lowest current harmonic distortion at the full load, following by the proposed starter without the overlap switching state implementation and a conventional starter, respectively. In turn, the proposed starter without the overlap switching state implementation provided the fastest settling times.

PL

Silniki indukcyjne z natury miały bardzo wysoki prąd rozruchowy, aby zapewnić wystarczającą moc i moment obrotowy dla obciążeń, co może spowodować uszkodzenie silników i innych komponentów. Dlatego do zmniejszenia tego prądu stosuje się softstarter elektroniczny, taki jak konwerter AC/AC, ale prąd zredukowany jest nadal wysoki i ma stosunkowo wysokie harmoniczne. W artykule zaproponowano nowatorski elektroniczny softstart, zmodyfikowany konwerter AC/AC Z-Source, do trójfazowego silnika indukcyjnego. Proponowany softstarter mógłby bezpośrednio przekształcać napięcie prądu przemiennego z trójfazowego źródła zasilania o stałym napięciu i częstotliwości poprzez regulację napięcia wraz z dodatkowym źródłem impedancji. Zbadano i oceniono wydajność w zakresie zdolności redukcji prądu rozruchowego i zdolności redukcji harmonicznych proponowanego rozrusznika z/bez implementacji stanu przełączania nakładkowego w porównaniu z konwencjonalnym rozrusznikiem z przekształtnikiem AC/AC. Te obwody rozruchowe symulowano za pomocą programu komputerowego, pracując w 3 warunkach obciążenia momentem obrotowym: bez obciążenia, połowicznego obciążenia i pełnego obciążenia. Wyniki testów pokazały, że proponowany rozrusznik z implementacją stanu przełączania nakładkowego zapewniał najniższy prąd rozruchowy i najniższe zniekształcenia harmoniczne prądu przy pełnym obciążeniu, zastępując odpowiednio rozrusznik bez implementacji stanu przełączania nakładkowego i rozrusznik konwencjonalny. Z kolei proponowany starter bez implementacji stanu przełączania nakładania zapewniał najszybsze czasy rozliczania.

Słowa kluczowe

EN

starting current reduction; AC/AC converter; soft starter circuits; Z-source converter; three-phase induction motor

PL

redukcja prądu rozruchowego; obwód softstartu; przetwornica z-source; trójfazowy silnik indukcyjny

• Wydawca: Wydawnictwo SIGMA-NOT
• Czasopismo: Przegląd Elektrotechniczny
• Rocznik: 2023
• Tom: R. 99, nr 5
• Strony: 133--138
• Opis fizyczny: Bibliogr. 29 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Ngamkong Phurich

• Faculty of Engineering, Mahasarakham University, Thailand

autor

Photong Chonlatee

• Faculty of Engineering, Mahasarakham University, Thailand

Bibliografia

• [1] C. M. Franchi, Electrical Machine Drives. 2019.
• [2] “Introduction to electrical machine drives control,” Electrical Machine Drives Control:An Introduction, pp. 1–16, Oct. 2016.
• [3] J. Hindmarsh, POWER-ELECTRONIC/ELECTRICALMACHINE DRIVES. 1985.
• [4] S.-K. Sul, Control of Electric Machine Drive Systems. 2010.
• [5] J. Larabee, B. Pellegrino, and B. Flick, “Induction motor starting methods and issues,” Rec. Conf. Pap. - Annu. Pet. Chem. Ind. Conf., pp. 217–222, 2005.
• [6] S. Grover and M. M. Mankar, “Minimization of Starting Torque and Inrush Current of Induction Motor by Different Starting Methods using MATLABSIMULINK,” International Journal of Trend in Scientific Research and Development, vol. Volume-3, no. Issue-3, pp. 646–651, Apr. 2019.
• [7] T. Kataoka, T. Akasaka, and M. Sakamoto, “Starting performance prediction of an inverter fed induction motor,” Conference Record of the IEEE Industry Applications Society Annual Meeting.
• [8] Michał Jeleń , Grzegorz Jarek , Kazimierz Gierlotka, “Direct Torque Control Based Forced Dynamics Control of the Induction Motor and Doubly Fed Induction Machine,” Przegląd. Elektrotechniczny, vol.04b, pp.98, 2012.
• [9] Kamil Klimkowski, “Stator current sensor fault tolerant vector control of induction motor drive,” Przegląd. Elektrotechniczny, vol.05,pp.86,2018.
• [10] Arkadiusz Lewicki , Patryk Strankowski , Marcin Morawiec , Jarosław Guziński, “Space Vector Modulation strategy for multiphase Voltage Source Inverters,” Przegląd. Elektrotechniczny, vol.05,pp.112,2018.
• [11] S. Grover and M. M. Mankar, “Minimization of Starting Torque and Inrush Current of Induction Motor by Different Starting Methods using MATLABSIMULINK,” International Journal of Trend in Scientific Research and Development, vol. Volume-3, no. Issue-3, pp. 646–651, Apr. 2019.
• [12] V. Tytiuk, O. Chornyi, A. Pozihun, M. Baranovskaya, and A. Romanov, “Analytical study of starting current of the induction motor stator,” Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, vol. 2, no. 2 (92), pp. 75–81, Mar. 2018.
• [13] A. G. Arun Tomar, “Starting Time Calculation for Induction Motor,” Journal of Electrical & Electronic Systems, vol. 04, no. 02, 2015.
• [14] M. Habyarimana and D. G. Dorrell, “Methods to reduce the starting current of an induction motor,” 2017 IEEE International Conference on Power, Control, Signals and Instrumentation Engineering (ICPCSI), Sep. 2017.
• [15] R. Natarajan, V. K. Misra, and M. Oommen, “Time domain analysis of induction motor starting transients,” The Proceedings of the Twenty-First Annual North American Power Symposium.
• [16] Mykhaylo Zagirnyak , Andrii Kalinov , Viacheslav Melnykov,” Decrease of the thermal overloads of a variable-frequency electric drive at damages in the electric circuit of an induction motorstator,” Przegląd. Elektrotechniczny, vol.05,pp.43,2019.
• [17] Dmytro Mamchur , Serhii Husach,” An analysis on induction motor reliability and lifetime estimation methods,” Przegląd. Elektrotechniczny, vol.12, pp.218, 2020.
• [18] G. P. Chavan, P. P. C. Tapre, and P. C. Veeresh, “Simulation of ZSource Inverter Fed Induction Motor Drive,” vol. 5, no. 6, pp. 1–6, 2017.
• [19] C. Bumroongphuck, V. Thanyaphirak, and V.Kinnares, “Soft starting method for single-phase PWM AC chopper fed three-phase induction motor,” 2013 Int. Conf.Electr. Mach. Syst. ICEMS 2013, pp. 1991–1995, 2013.
• [20] V. Thanyaphirak, V.Kinnares, and A.Kunakorn, “Soft starting control scheme for three-phase induction motor fed by PWM AC chopper,” 2014 Int. Conf.Electr. Mach. Syst. ICEMS 2014, pp. 92–95, 2014.
• [21] Peng FZ. Z-source inverter. IEEE Transactions on industry applications, vol.39, no. 2, pp.504-510, 2003.
• [22] Qian W, Peng FZ, Cha H. Trans-Z-source inverters. IEEE transactions on power electronics, vol. 26, no.12, pp.3453-3463, 2011.
• [23] C.-T. Pham, A. Shen, P. Q. Dzung, N. B. Anh, and N. X. Phu, “A Comparison of Control Methods for Z-Source Inverter,” Energy and Power Engineering, vol. 04, no. 04, pp. 187–195, 2012.
• [24] D. Cao and F. Peng, “Z-Source/Current Source Inverter-Topology Analysis, Comparison and Design,” Jun. 2011.
• [25] Photong C, Klumpner C, Wheeler P. A current source inverter with series connected AC capacitors for photovoltaic application with grid fault ride through capability. In 2009 35th Annual Conference of IEEE Industrial Electronics, pp. 390-396, 2009.
• [26] Photong C. A comparison of three-phase grid-tied photovoltaic converters based on current fed configurations. InIECON 2013-39th Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society 013 Nov 10, pp. 1436-1443, 2013.
• [27] Photong C. A current source inverter with series AC capacitors for transformerless grid-tied photovoltaic applications (Doctoral dissertation, University of Nottingham), 2013.
• [28] X. Fang, M. Zhu, Z. Chen, J. Liu, and X. Zhao, “Current-fed Z-source inverter modulation,” 2011 International Conference on Electrical Machines and Systems, Aug. 2011.
• [29] “Current-Fed Z-Source Inverter,” Impedance Source Power Electronic Converters, pp. 35–53, Aug. 2016