Oleg V. Nos

Relevance. The failure of a power cell in a cascaded H-bridge high-voltage variable frequency drive causes phase voltage asymmetry and triggers instantaneous protection systems, which at remote oil and gas facilities leads to multi-day shutdowns of process equipment. The traditional approach to restoring operability based on hardware redundancy increases equipment costs by 15–25%. Aim. Development and experimental verification of a software algorithm for controlled neutral point shifting in a cascaded multilevel inverter, ensuring symmetry of line-to-line voltages at the load under emergency operation when faulty power cells are bypassed without the use of hardware redundancy. Methods. The balancing algorithm is integrated into a conventional field-oriented control system for a three-phase AC motor by modifying the inverse Clarke transformation matrix. For a 13-level cascaded H‑bridge inverter, the computational process for finding the desired neutral point shift is automated by solving a system of high-order nonlinear equations. A simulation model is developed in MATLAB/Simulink with adaptive recalculation of the phase shifts of the carrier signal generators for scalar pulse width modulation with a triangular instantaneous waveform, implemented according to the phase-shifted pulse width modulation principle. Experimental verification of the developed algorithmic principles for line voltage balancing was performed on an industrial test bench at ZAO «ERASIB», Novosibirsk, based on a production model of the «ERATON-V» drive (6 cells per phase, 1140 V) and a 30 kW induction motor. Results and conclusions. Digital simulation confirms that the proposed adaptive recalculation of phase shifts preserves the instantaneous harmonic shape of the phase currents when cells are bypassed. For configurations 5-6-6, 5-5-6, and 5-5-5, the reduction in line voltage ranges from 5.8 to 16.6%, which is acceptable for pump and fan loads. The algorithm operability is experimentally confirmed for the failure of one, two, and three cells, as the control system automatically ensures symmetry of line voltages and sinusoidal stator currents of the electrical machine without hardware redundancy. The discrepancy between experimental data and simulation results does not exceed the engineering accuracy level of 5%, allowing this technical solution to be used in production models of the «ERATON-V» drive. For citation: Sidorov G. S., Nos O. V. Controlled shift of a neutral point of a cascaded high-voltage frequency converter: algorithm, simulation and experimental verification on industrial equipment. Bulletin of the Tomsk Polytechnic University. Geo Assets Engineering, 2026, vol. 337, no. 6, pp. 188-202. https://doi.org/10.18799/24131830/2026/6/5707

More recently, permanent magnet synchronous motors (PMSM) have been widely applied to power source for different applications, such as high precision tracking systems, standalone electric and unmanned aerial vehicles, industrial robotics, marine propulsions, etc., due to their advantages to conventional competitors for example induction motor with squirrel-cage rotor. In order to reduce the cost of AC drive, the removal of the mechanical sensors is required. Hence, the sensorless motor control is more preferable and is based on electrical measurements, namely, three-phase currents and voltages. The paper is devoted to sensorless field-oriented control design procedure for a non-salient PMSM. The proposed control strategy is employed on full order sliding-mode observer which provides the output insensitivity to parameter changes and disturbances. In order to reduce th e high-frequency chattering and enhance the rotor position estimation quality and accuracy, the band-pass filter with tracking of the central frequency to the speed reference is applied. To obtain actual information about the unmeasurable rotor position and speed, the phase-locked loop with cascade connection of adaptive proportional-integral controller is employed. A simulation of the dynamic starting mode of a PMSM under zero initial conditions has been performed by MATLAB/Simulink environment. As can be concluded from the simulation results, proposed sensorless field-oriented control strategy provides quick response as well as low rotor position estimation error both transient and steady-state behavior. The research significance of proposed PMSM sensorless field-oriented control strategy is to provide the wide range of motor speed operation, strong robustness of estimated rotor position to parameter perturbations as well as quality suppression of high frequency chattering effect owing to the switching attribute and the internal control discontinuity of sliding mode, whereby the practical application of a sensorless variable-frequency synchronous electric drive is expanding.

This paper presents control strategy of four-leg four-wire active power filter for independent phase current control. The strategy is based on digital notch filter adaptive to grid voltage frequency to maintain high quality compensation under grid voltage frequency variations inherent in microgrids with distributed generation and standalone power supply systems using fast response phase-locked loop system. Proposed control strategy requires no coordinate transformation and operates directly with load and converter currents which significantly reduces computational load and dynamic phase interaction. Mathematical modeling of the converter with LC filter and neutral wire inductor was carried out and mathematical equations were obtained to choose the parameters of the current controller (proportional and integral gains) based on the desired bandwidth of the current control loop, power stage reactive elements nominal values, and DC-side nominal voltage level. Proposed control strategy was studied using Matlab/Simulink simulation under distorted grid with variable frequency, and experimental verification using laboratory prototype of the system was implemented.

Выходной импеданс преобразователей электрической энергии для современных систем электроснабжения, содержащих большое количество электронных нагрузок, является важной характеристикой, описывающей не только качество генерируемого напряжения, но и устойчивость системы электроснабжения в целом. В этом случае его максимальное значение необходимо ограничивать на этапе синтеза системы управления путем выбора достаточной структуры регуляторов и их параметров, основываясь на частотных характеристиках преобразователя напряжения. Сетевые преобразователи напряжения, преобразующие переменное сетевое напряжение в постоянное, в данном случае не являются исключением. В работе приведены результаты моделирования динамических свойств сетевого преобразователя напряжения в частотной области при управлении в исходной a-b-c системе координат. Показано, что в связи с наличием нуля второго порядка в передаточной функции объекта управления для исключения влияния тока нагрузки на контуры регулирования входных токов достаточно использовать ПИ-регулятор, частота сопряжения которого превышает частоту нуля в передаточной функции объекта управления. Также проведено исследование частотных характеристик объекта управления при замкнутых контурах управления входными токами. Дано их математическое описание. Показано, что параметры регулятора могут быть выбраны напрямую из задания на максимальный уровень выходного импеданса преобразователя с замкнутым контуром регулирования выходного напряжения. Предложены соотношения, позволяющие рассчитать параметры ПИ-регуляторов контуров регулирования тока и напряжения. Произведена проверка полученных соотношении в среде MatLab/Simulink , получены график логарифмической амплитудно-частотной характеристики выходного импеданса преобразователя с замкнутой двухконтурной системой управления и осциллограммы переходных процессов входных токов и выходного...

Relevance. The present paper is devoted to the practical issues of ensuring uninterrupted and quality power supply for standalone industrial facilities and quick response of power supply systems that become increasingly important in the context of continuously growing portion of renewable generation, such as wind turbines, solar photovoltaic arrays, tidal power units, characterized by inconsistency and randomness of power generation periods. At same time, the load also has an unpredictable nature of consumption, which consists in unbalanced connection, abrupt power drops and surges, and the introduction of non-linear consumers, which affects the quality of the voltage in the power supply system. The main aim. The paper presents a method to develop a quick-response control strategy for a standalone three-phase power supply system for mineral mining and processing facilities to ensure the generated balanced voltages with sinusoidal waveforms. Objects: standalone power supply system; PWM four-leg full-bridge inverter, single/three-phase load. Methods: quaternion algebra, noncommutative multiplication rules for imaginary units, closed-loop control, cascade systems. Results. The authors have developed basic concept covering the organization and implementation of a standalone AC generation system based on three-phase voltage quaternion decomposition into a balanced sinusoidal component and other components caused by amplitude-phase unbalance and nonlinear loads. The described continuous law provides a high speed of instantaneous compensation of distortions at abruptly variable load. Experimental studies were carried out on various kinds and configurations of loads: single-phase, three-phase symmetric, and also two-phase, one phase of which has a non-linear character of current consumption.

The resonant (R) controllers are widely applied to reduce ripple current/voltage in three-phase systems with power electronic converters. The digital signal processor (DSP) implementation of R-control implies a time delay due to online computation and discretization effects. The time delay produces an associated phase lag and causes deterioration of the transient operating performance as well as of the system stability. To overcome this drawback, the two modified schemes are considered in this paper for an R-control component, and one of them have never been presented before. The comparative analysis of proposed R-controllers is performed by using Bode diagrams in a frequency domain. As can be seen from the simulation results, while operating frequencies are less than the resonant frequency, a transfer function with the first order numerator is more suitable choice. In contrast, at operating frequencies exceed the resonant frequency, the transfer function with the second order numerator should be used to achieve appropriate transient performance because its frequency response is closer to the conventional R-controller. For this reason, it is more preferable to employ the R-controller scheme for digital implementation that combines simultaneously two transfer functions with time delay compensation.

In the paper, the dynamic parameters of active power filters (APFs) based on parallel semiconductor converters and their influence on the quality of compen

High precision positioning applications realized with a permanent-magnet synchronous motor are in demand on the market. The paper is concerned with the simplified control technique for such applications to reduce two significant challenges the flux harmonics and a cogging torque. The proposed control enhancing the tracking position accuracy for low-speed servo drives is based on well-known approach using the parallel connection of several resonant terms in parallel manner with a conventional speed proportional-integral (PI) controller. Finally, the experimental results show viability and effectiveness of high-performance tracking operations through eliminating of the selected speed pulsations.

Актуальность. В настоящее время все большее количество технологических процессов и производств в нефтегазовой отрасли реализуется на базе высокопроизводительного оборудования с полупроводниковыми преобразователями электрической энергии, в число которых, например, входят частотно-регулируемые электроприводы переменного тока или бесперебойные источники питания, которые относятся к классу нелинейных нагрузок и могут вызывать большое количество негативных явлений в работе распределительных сетей, включающих в себя несимметрию фазных напряжений и токов, резонансные процессы, тепловые потери в нейтральном проводе, перегрев двигателей и трансформаторов и т. д. Для улучшения электромагнитной совместимости различного рода электроприемников в составе промышленных систем электроснабжения довольно часто используют пассивные конденсаторные батареи для коррекции коэффициента мощности, которые малоэффективны в случае нелинейных процессов. Кроме этого, данный тип компенсационных устройств продолжает потреблять реактивную энергию при отсутствии каких-либо нагрузок и не удовлетворяет современным требованиям в области энергосбережения. Описанные выше недостатки в работе трехфазных систем переменного тока требуют разработки новых схемотехнических решений, методов анализа энергетических процессов и синтеза алгоритмов силовой фильтрации, позволяющих обеспечить нормированные показатели качества электрической энергии в распределительных сетях низкого и среднего классов напряжения вне зависимости от конкретного вида электрических цепей нагрузки. Цель исследования заключается в комплексном анализе существующих технических решений, направленных на повышение электромагнитной совместимости распределительных сетей, а также в описании основных ограничений в работе силовых фильтрокомпенсирующих устройств применительно к промышленным объектам минерально-сырьевого комплекса; в разработке базовых структур активных силовых фильтров с пониженными требованиями по производительности, объему памяти и быстродействию программно-аппаратной части системы управления, практическое применение которых обеспечивает нормированное качество электрической энергии при изменении режимов работы технологического оборудования или конфигурации питающей линии. Объекты: автономные или децентрализованные электроэнергетические системы переменного тока с преобразовательными устройствами силовой электроники и частотно-регулируемыми электроприводами, а также элементами силовой цепи с нелинейными характеристиками, например, реакторами или трансформаторами с насыщенными сердечниками, в которых присутствуют значительные искажения в мгновенной форме трехфазных сигналов; пассивные и активные силовые фильтры высших гармоник. Методы: некоммутативная алгебра кватернионов; четырехмерное гиперкомплексное пространство; методы спектрального анализа и разложения в ряд Фурье. Результат: краткий обзор различных подходов и технических средств к повышению качества электрической энергии в системах электроснабжения промышленных объектов минерально-сырьевого сектора, а также системы управления,рамках которых достигается синусоидальный закон изменения во времени сетевых токов с нулевым или опережающим/отстающим угловым...