Development of methods to improve the conversion efficiency and increase the power of a multi-level power inverter

ИРН AP13268732 project is carried out within the framework of grant funding of young scientists under the project "Zhas Galym" funded by the Committee of Science of the Ministry of Science and Higher Education of the Republic of Kazakhstan.

Project manager (postdoctoral student): Moldakhmetov S.S., PhD, senior lecturer of the department of «Power engineering and radio electronics» (e-mail sayatmoldakhmetov@gmail.com, ORCID: https://orcid.org/0000-0003-2432-7983, h-index = 2 (Scopus), Scopus Author ID: 56964373400).

Scientific consultant (consultant): Ivel V.P., Doctor of Technical Sciences, Professor of the Department of «Power engineering and radio electronics» (e-mail ivelvic@mail.ru, h-index = 1 (Scopus), Author ID в Scopus: 57200412147).

Terms: 01.05.2022 - 31.12.24

Duration: 32 months.

Total amount of financing: 18,965,325 tenge.

Project goals: Development of a multi-level autonomous high-power power inverter through the use of power transistor modules, topology and switching techniques, also providing a low coefficient of harmonic components of the output voltage, which will increase the power factor, efficiency and improve the quality of converted electricity without the use of output filters.

Expected results: As a result of the Project implementation, based on the developed prototype, it is planned to create an experimental installation for the Laboratory of Renewable Energy Sources at the M. Kozybayev North Kazakhstan University, which could become the basis for the creation of prototypes of autonomous inverters, contribute to the development of this scientific direction and the training of young scientists in the field of power electronics and alternative energy.

Project description: The results of the project implementation will increase the capacity and efficiency of autonomous solar or small wind power plants, improve the quality of electricity for consumers. This, in turn, will make such sources of alternative electricity more attractive for the autonomous power supply of private homes and farms in the Republic of Kazakhstan.

It is supposed to increase the power of an autonomous power inverter by using a special connection scheme for power transistor modules capable of switching large currents. To do this, it is necessary to develop special switching algorithms, driver galvanic isolation for controlling power modules, a microcontroller system for controlling a large number of power components, as well as protection systems to prevent emergency modes of operation.

The improvement of the quality of the converted electricity is planned to be achieved by using the previously developed method of switching voltage levels of a multi-level inverter. The developed switching technique contributes to improving the quality of electricity generated by autonomous power inverters, due to the greater sinusoidal output voltage.

The cost reduction of the developed inverter is planned to be achieved through the use of a special topology for the construction of the inverter, which differed from known analogues by a smaller number of expensive power semiconductor elements. This will also increase the efficiency of electricity conversion. A smaller number of power semiconductor elements will reduce the level of static and dynamic losses, and therefore increase the efficiency of the entire system. The use of heterostructural transistor modules with high electron mobility will also significantly reduce the volume of losses.

In addition, the inverter being developed will have an advantage in terms of weight and size in comparison with analogues. This is due to the refusal to use a transformer to increase the voltage. The voltage stages are planned to be folded by using special converters.

Проделанная работа:

По результатам научно-исследовательской работы осуществлены следующие задачи:

- разработан опытный образец автономного силового инвертора с синусоидальным выходным напряжением и мощностью до 30 кВт.

- разработана электрическая принципиальная схема автономного силового инвертора.

- для реализации опытного образца силового инвертора произведен выбор и расчет силовых компонентов, произведен расчет режима работы силовых транзисторных модулей, приобретены силовые компоненты для изготовления инвертора.

- для реализации опытного образца силового инвертора с использованием САПР easyEDA были разработаны печатные платы.

- для проведения экспериментальных исследований и введения в эксплуатацию опытного образца силового инвертора подготовлена ветроэнергетическая установка малой мощности, установленная на железобетонную опору высотой 9,5 м, находящуюся на территории студенческого городка СКУ им. М.Козыбаева между студенческим общежитием №2 и общежитием №3.

- для микроконтроллерной системы управления разработан программный код на языке С++.

- разработано устройство для управления от микроконтроллера силовыми модулями IGBT BSM1Х0GB120DN2, обеспечивающего при этом стабильный и надежный процесс управления, высокую электрическую прочность гальванической развязки силовой цепи и устройства управления, позволяющей снизить риск поражения человека электрическим током.

- получен патент №9091 на полезную модель «Система сбора и обработки данных для анализа почв». Система представляет собой набор из одного стационарного модуля приема данных и нескольких модулей сбора и передачи данных для анализа почвы, каждое из которых использует фотоэлектрический преобразователь в качестве основного источника питания.

- были разработаны печатные платы  опытного образца силового инвертора и создано описание принципа работы  опытного образца силового инвертора.

- в программе easyEDA были разработаны печатные платы для сборки и монтажа всех силовых компонентов, системы управления, а также всех датчиков.

- так как срок службы транзисторных ключей зависит от температуры их эксплуатации, было рассчитано эффективное охлаждение для надежной и долгой работы всей инверторной установки.

- разработана ветроэнергетическая установка малой мощности для проведения экспериментальных исследований и введения в эксплуатацию опытного образца силового инвертора.

Статьи и патенты:

1. Anarbayev A., Moldakhmetov S., Talipov O., Kazanbayeva A. Research on the exposure of radio-electronic equipment to ultrashort electromagnetic pulses and microwave radiation (2023) ARPN Journal of Engineering and Applied Sciences, 18 (11), pp. 1300 – 1308. DOI: 10.59018/0623168
2. Aubakirova G., Ivel V., Gerassimova Y., Moldakhmetov S., Petrov P. Application of artificial neural network for wheat yield forecasting (2022) Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 3 (4-117), pp. 31 - 39, DOI: 10.15587/1729-4061.2022.259653
3. Патент № 7825 на полезную модель «Устройство гальванической развязки для управления биполярными транзисторами с изолированным затвором»
4. Патент № 9091 на полезную модель «Система сбора и обработки данных для анализа почв»
5. Патент № 7960 на полезную модель «Способ инжекции электромагнитного импульса на интегральные микросхемы»