Каскадные преобразователи частоты в системах электродвижения судов

DOI: 10.24937/2542-2324-2019-4-390-163-175 УДК 621.314:629.5

Д.В. Умяров1, Г.Б. Онищенко2

1 АО «КБ «Вымпел», Нижний Новгород, Россия

2 ООО НТЦ «Приводная техника», Москва, Россия

КАСКАДНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ЧАСТОТЫ В СИСТЕМАХ ЭЛЕКТРОДВИЖЕНИЯ СУДОВ

Объект и цель научной работы. Рассматриваются каскадные преобразователи частоты в системах электродвижения судов с едиными электроэнергетическими системами. Целью является обоснование достоинств каскадных преобразователей частоты и выгод, достижимых в случае их применения в составе систем электродвижения судов большой мощности с напряжением цепи главного тока выше 1 кВ.

Материалы и методы. Для решения поставленных задач использовались общепринятые положения электрических машин переменного и постоянного тока, полупроводниковой преобразовательной техники, математическое моделирование и др.

Основные результаты. Разработана имитационная математическая модель электроэнергетической системы судна с системой электродвижения на базе каскадного преобразователя частоты. Исследовано негативное воздействие каскадного преобразователя частоты на качество напряжения судовой сети. Выполнено сравнение результатов расчета с экспериментальными данными, полученными на испытаниях.

Заключение. Отмечается высокое качество выходного напряжения и тока каскадного преобразователя частоты при работе в составе системы электродвижения во всем диапазоне нагрузок, высокое качество потребляемого из сети тока и низкий (менее 3,0 %) коэффициент искажения формы кривой сетевого напряжения THD. Полученные результаты говорят о целесообразности рассмотрения каскадных преобразователей частоты для использования в системах электродвижения судов большой (до 15 МВт) мощности.

Ключевые слова: проектирование, электродвижение, имитационное математическое моделирование, электромагнитная совместимость, несинусоидальность, гармонические искажения, спектральный состав, осциллографирование. Авторы заявляют об отсутствии возможных конфликтов интересов.

DOI: 10.24937/2542-2324-2019-4-390-163-175 UDC 621.314:629.5

D. Umyarov1, G. Onishenko2

1 JSC DO Vympel, Nizhny Novgorod, Russia

2 LLC Science & Research Centre Privodnaya Tekhnika, Moscow, Russia

MULTI-STAGE FREQUENCY CONVERTERS IN MARINE ELECTRIC PROPULSION SYSTEMS

Object and purpose of research. This paper discusses multi-stage frequency converters in electric propulsion systems of the ships fitted with Integrated Electric Propulsion System (IEPS). The purpose is to justify the advantages of multistage frequency converters and benefits of their application in heavy-duty electric propulsion systems of ships with main circuit voltage over 1 kV.

Materials and methods. The tasks were solved through common approaches followed for AC and DC machines and semi-conducting converters, as well as through mathematical simulation and other tools.

Main results. Development of the mathematical model simulating electric propulsion system of IEPS ship based on multistage frequency converter. The study also investigated adverse effects of this converter upon voltage quality in ship grid, comparing analytical results versus test data.

Для цитирования: Умяров Д.В., Онищенко Г.Б. Каскадные преобразователи частоты в системах электродвижения судов. Труды Крыловского государственного научного центра. 2019; 4(390): 163-175.

For citations: Umyarov D., Onishenko G. Multi-stage frequency converters in marine electric propulsion systems. Transactions of the Krylov State Research Centre. 2019; 4(390): 163-175 (in Russian).

Conclusion. The authors point out high quality of output voltage and current achieved by the frequency converter as part of electric propulsion system in the entire load band, as well as high quality of grid current and low, less than 3.0%, shape distortion coefficient of grid voltage THD curve. These results confirm practicability of multi-staged frequency converters in heavy-duty (up to 15 MW) electric propulsion systems of ships.

Keywords: design, electric propulsion, mathematical simulation, electromagnetic compatibility, non-sine shape, harmonic distorsions, spectral composition, oscillography. Authors declare lack of the possible conflicts of interests.

Электрические гребные установки (ГЭУ) имеют широкое распространение в судостроении благодаря использованию в них компактных первичных двигателей, возможности выбора оптимальных параметров первичных двигателей и гребных винтов, достаточно широкой стандартизации и унификации отдельных элементов частей установки.

Выбор ГЭУ обусловлен необходимостью обеспечения высокой маневренности и высокой перегрузочной способности (что особенно важно при работе судна во льдах). Кроме того, применение электродвижения позволяет питать вспомогательные электромеханизмы от шин генераторов.

Рис. 1. Общая структурная схема единой электроэнергетической системы с электрической гребной установкой

Fig. 1. General layout of integrated electric propulsion system with electrically driven propulsion plant

2Ï 21 2£

Ubx - const p-

fBx - const о-

2i 2i Z\

ивых - var

fBbix - var -«

Рис. 2. Схема силовой части преобразователя частоты с автономным инвертором напряжения

Fig. 2. Power part of frequency converter with autonomous voltage inverter

Наиболее широкое распространение системы электродвижения получили на судах со специфическими эксплуатационными режимами. Применение ГЭУ выглядит предпочтительным для ледоколов, судов активного ледового плавания, судов технического и вспомогательного флота, промысловых и исследовательских судов. Сферы применения судов данных классов предполагают резкие изменения условий плавания, повышенную маневренность, продолжительную работу на пониженной мощности, продолжительные стоянки, частые работы на малых ходах с одновременным использованием различных механизмов большой мощности [5].

В ГЭУ современных судов в качестве гребных используются, как правило, асинхронные или синхронные электродвигатели различного исполнения.

На сегодняшний день преобладают ГЭУ переменного тока или двойного рода тока в составе единой электроэнергетической системы (ЕЭЭС). Возможность построения ЕЭЭС целесообразно рассматривать, если судно имеет гребную электрическую установку вместо классической механической. Структурная схема такой системы изображена на рис. 1.

Преобразователь частоты (ПЧ), построенный на основе автономного инвертора напряжения, представлен на рис. 2. Схема содержит входной неуправляемый мостовой выпрямитель, звено постоянного тока с батареей конденсаторов и автономный инвертор напряжения (АИН).

Иногда для пропуска через инвертор мощности, необходимой гребному двигателю, недостаточно единичной мощности ЮБТ-транзисторов. В этом случае ключи включают в параллель или соединяют в параллель блоки инверторов. В системах электродвижения большой мощности с этой целью применяют многоуровневые и каскадные ПЧ, построенные по различным топологиям (рис. 3). Применение таких ПЧ также позволяет значительно улучшить качество электроэнергии [1].

Необходимо отметить, что практика использования частотно-регулируемых приводов в системах электродвижения судов по сравнению

С

Рис. 3. Структурная схема электроэнергетической системы ледокола мощностью 25 МВт с электрической гребной установкой на основе многоуровневого преобразователя частоты

Fig. 3. Electric propulsion system of 25MW icebreaker with electrically driven propulsion plant based on staged frequency converter

с промышленными установками имеет следующие особенности:

установленная мощность частотно-регулируемых приводов в промышленных установках, как правило, меньше мощности питающей сети, и искажения, вносимые в сеть, весьма незначительны;

при больших мощностях частотно-регулируемых приводов в промышленных установках искажения напряжения определяются симметричными магнитными сопротивлениями трансформатора, в то время как в судовых установках - несимметричными по продольной и поперечной осям магнитными сопротивлениями синхронного генератора.

В судовых электроэнергетических системах очень актуален вопрос электромагнитной совместимости и качества электрической энергии. Критерием качества электроэнергии является коэффициент несинусоидальности формы кривой напря-

жения. Он равен отношению среднеквадратичного напряжения суммы высших гармоник сигнала, кроме первой, к напряжению первой гармоники при воздействии на вход устройства синусоидального сигнала.

THDu:

S U2

n=2

Uc

•100%,

где ис - действующее напряжение сети; ип -напряжение гармонической составляющей п-го порядка; п - порядок высшей гармонической составляющей.

Значение коэффициента не должно превышать 10 % [7]. Превышение установленного значения ТИБ приводит к нарушению нормальной работы оборудования, не входящего в состав ГЭУ, но питающегося от общей электростанции и чувствительного к качеству электроэнергии. Несинусои-

Рис. 4. Входной ток 6-пульсного выпрямителя Fig. 4. Input current of 6-pulse rectifier

дальность тока и напряжения может быть причиной наводок в телекоммуникационных сетях, снижения КПД электромеханических систем, вибрации и шума в электрических машинах, дополнительного нагрева кабелей, трансформаторов электрических машин и увеличения потерь в них. Все эти негативные воздействия могут приводить к сокращению срока службы и выходу из строя оборудования.

Трехфазный мостовой выпрямитель потребляет из сети несинусоидальный ток. Высшие гармонические составляющие тока создают падение напряжения на сопротивлениях питающего трансформатора и генератора (рис. 4). Как следствие, гармонический состав напряжения сети изменяется [3].

Способом улучшения гармонического состава потребляемого преобразователем тока является применение схем выпрямления, имеющих пульс-ность больше шести, например, 12-пульсный выпрямитель. Для построения таких схем используется трехобмоточный трансформатор, вторичные обмотки которого имеют соединения «звезда» и «треугольник». К каждой вторичной обмотке подключается трехфазный мостовой выпрямитель. Выпрямители соединяются последовательно, их выпрямленные напряжения суммируются.

Напряжения вторичных обмоток сдвинуты друг относительно друга на угол 30 эл. град. Поэтому и кривые тока, потребляемого каждым выпрямителем, будут иметь такой же сдвиг. Ток первичной обмотки трансформатора по форме представляет собой сумму токов вторичных обмоток. Кривая тока, потребляемого такой схемой, более приближена по виду к синусоиде, нежели ток 6-пульсного выпрямителя. Двенадцатипульсный режим выпрямления позволяет компенсировать 5 и 7 гармонические составляющие [4].

Дальнейшее увеличение пульсности выпрямителя позволяет еще более приблизить форму кривой потребляемого тока к синусоиде. Наращивание пуль-сности схемы происходит за счет добавления шести-пульсных трехфазных выпрямительных мостов, каждый из которых питается от своей вторичной обмотки трансформатора. Все вторичные обмотки при этом должны иметь фазовый сдвиг друг относительно друга. Иногда используют несколько трансформаторов, работающих параллельно. Многопульсные схемы выпрямления позволяют значительно улучшить гармонический состав потребляемого преобразователем тока без применения фильтрующих устройств.

Многоуровневые преобразователи строятся на основе многопульсных схем выпрямления и многоуровневых инверторов. Идея многоуровневого инвертора основана на делении напряжения в звене постоянного тока на конденсаторах и состоит в том, что выходное напряжение формируется не только за счет изменения длительности импульсов, как при широтно-импульсной модуляции (ШИМ), но и за счет изменения начального уровня напряжения. Такие инверторы отличает большое количество последовательно включенных вентилей в плече, что необходимо для уменьшения шагов при формировании кривой напряжения [6, 8]. Различия способов формирования кривой напряжения в классических

ивых 4U1 -

3И1 2И1 И1

ШИМ

2Тк 4Тк

6Тк

8Тк

Ивых 4И1

3И1

2И1

И1

МИМ

tfk

tfk

4Тк 8Тк 12Тк 16Тк

Рис. 5. Различные способы формирования кривой напряжения

Fig. 5. Different ways of voltage curve formation

0

0

АИН с ШИМ и в инверторах с многоуровневой импульсной модуляцией (МИМ) наглядно представлены на рис. 5.

Видно, что пульсации напряжения многоуровневого инвертора значительно меньше таковых в классической схеме. Таким образом, применение многоуровневых инверторов позволяет значительно улучшить форму выходного напряжения, уменьшить броски напряжения, снизить уровень электромагнитных помех, излучаемых преобразователем, и преодолеть сложности, связанные с особенностями работы двигателя при питании от источника импульсного напряжения.

На входе инвертора устанавливаются два последовательно включенных конденсатора, которые делят напряжение Ud пополам. Напряжение 0,5 Ud приложено через разделительные диоды к средним точкам плеч инвертора. Управляя транзисторами соответствующим образом, можно получить на выходе три уровня напряжения: Ud, 0,5Ud и 0, тогда как АИН, построенный по классической схеме, позволяет получать на выходе напряжение двух уровней: 0 и Ud.

Появление дополнительного уровня напряжения приводит к увеличению ступеней в кривой выходного напряжения. При этом уменьшается амплитуда пульсаций напряжения и снижается содержание высших гармоник в спектре (рис. 6).

Каскадные преобразователи частоты для электрической гребной установки

Staged frequency converters for electric propulsion plant

Дальнейшее увеличение числа уровней выходного напряжения ПЧ возможно за счет применения каскадной топологии инвертора. Данный класс многоуровневых преобразователей основан на последовательном соединении Н-мостовых ячеек (рис. 7). Инверторная ячейка представляет собой однофазный АИН. В отличие от схем, рассмотренных ранее, в каскадных преобразователях питание каждой ячейки постоянным напряжением осуществляется изолированно. Для этого каждая ячейка имеет на входе трехфазный мостовой неуправляемый выпрямитель. В свою очередь, каждый выпрямитель подключается к отдельной вторичной обмотке многообмоточного трансформатора. При этом легко решается задача создания многопульсной схемы выпрямления, поскольку напряжения вторичных обмоток имеют фазовый сдвиг.

at

Рис. 6. Кривая выходного напряжения трехуровневого инвертора

Fig. 6. Output voltage curve of three-stage inverter

Каждая ячейка обеспечивает на выходе три уровня напряжения: Ud, 0 и -Ud. Выходное напряжение преобразователя формируется за счет последовательного сложения напряжений отдельных ячеек. Число уровней выходного напряжения определяется следующим образом:

L = 2 p +1,

где р - число ячеек в фазе.

Количество ячеек в фазе определяется напряжением сети и классом напряжения применяемых транзисторных модулей. Одним из основных преимуществ каскадного преобразователя является возможность наращивания напряжения и мощности за счет соединения соответствующего числа ячеек. Например, на напряжение 6 кВ обычно применяются преобразователи, имеющие по 5, 6 или 7 ячеек в каждой фазе, на напряжение 10 кВ - по 8 или 9 ячеек. Важно отметить, что для реализации кас-

VD1 VD3 VD5 f

21 11 II /

a ob o-

c 0-

VD2

VD4

VD6

Il 11 11

Ud

VT1

J

VT2

J

ия

VT4

SLA

Рис. 7. Схема Н-мостовой инверторной ячейки каскадного преобразователя

Fig. 7. Н-bridge inverter cell of multi-stage converter

0

C

VT 1

A В

С

ЙЕ

abc

Рис. 8. Схема семиуровневого каскадного преобразователя частоты

Fig. 8. Seven-stage frequency converter

кадных схем используются низковольтные конденсаторы и силовые вентили, которые отличают относительно низкая стоимость и более широкая доступность в сравнении с высоковольтными.

Однофазные инверторы ячеек могут быть выполнены в виде многоуровневых схем. Такое решение позволяет увеличить количество уровней выходного напряжения и повысить напряжение каждой ячейки без изменения элементной базы. Для преобразователей с такими инверторами в ячейках формула (2) имеет вид

Ь = 4 р +1,

где р - число ячеек в фазе.

Преобразователи, построенные по каскадной схеме, отличаются относительной простотой силовой вентильной схемы (рис. 8). Благодаря модульной структуре, использующей однотипные ячейки, упрощается ремонт преобразователя. Кроме того, каскадные схемы отличаются высокой надежностью. При выходе ячейки из строя она автоматически шунтируется, система управления корректирует режим работы остальных ячеек, и ПЧ сохраняет работоспособность, однако при этом происходит некоторое снижение выходной мощности [1, 2, 9-12].

Каждая ячейка работает в режиме синусоидальной ШИМ. Выбор частоты ШИМ является одним из факторов повышения качества выходного напряжения. Принципиально повышение частоты

возможно до 30 кГц (при использовании IGBT-модулей), что снижает амплитуду пульсаций трехфазного тока обмотки статора и связанные с ними шумы и вибрации в АД. Однако повышение частоты коммутации свыше 5 кГц вызывает резкое увеличение тепловых нагрузок на ключе в статических и динамических режимах.

Для формирования импульсов управления вентилями одной ячейки используется два треугольных сигнала несущей частоты и опорный синусоидальный сигнал частоты выходного напряжения. Импульсы управления одним полумостом ячейки формируются компаратором при сравнении несущего и опорного сигналов. Сигналы двух несущих сдвинуты по фазе на 180 градусов. Для формирования импульсов управления ячейками других фаз опорные сигналы сдвигаются на 120 градусов относительно друг друга. Для формирования импульсов управления ячейками одной фазы несущие сигналы смещаются на соответствующий угол а, эл. град., который определяется по формуле

а ^

180

где р - количество ячеек в фазе.

Выходное фазное напряжение преобразователя формируется как сумма напряжений всех ячеек фазы.

Для регулирования действующего значения выходного напряжения необходимо изменять со-

1

1

2

2

2

3

3

3

ответствующим образом амплитуду опорного сигнала. Для изменения частоты выходного напряжения следует варьировать частоту опорного сигнала (рис. 9).

Иногда для увеличения действующего значения напряжения в качестве опорного сигнала используют синусоиду с добавлением 1/6 третьей гармоники. Вид такой кривой представлен на рис. 10 [4].

Данный сигнал описывается выражением

иоп = и1 б1П

6

где иоп - мгновенное значение опорного сигнала; и1 - амплитуда первой гармоники сигнала; ш1 - круговая частота первой гармоники сигнала; г - время.

При использовании опорного сигнала, описываемого выражением (4), возрастает коэффициент заполнения импульсов выходного напряжения, поэтому возрастает и действующее значение.

Поскольку ячейки каскадных преобразователей питаются переменным напряжением изолированно, для построения таких схем применяются многообмоточные трансформаторы. Трансформатор является наиболее сложным элементом силовой схемы ПЧ.

Обобщенная схема многообмоточного трансформатора приведена на рис. 11. Как правило, вторичные обмотки можно разделить на несколько групп по три обмотки в каждой. Обмотки одной группы имеют одинаковый фазовый сдвиг. В такую группу объединяются обмотки, питающие соответствующие ячейки разных фаз.

В процессе исследования математической модели 7- и 11-уровневого преобразователей частоты получены значения ТИБ тока и напряжения на входе ПЧ, тока двигателя при различных значениях варьируемых параметров. Полученные данные позволяют построить графики зависимости ТИБ от изменяемых величин, установить и проанализировать закономерности (рис. 12-13).

При увеличении мощности судовой электростанции относительно мощности гребных двигателей ТИБ напряжения сети уменьшается, несмотря на незначительное увеличение ТИБ потребляемого тока. Уменьшение искажения напряжения с ростом мощности происходит потому, что при этом снижается активное и индуктивное сопротивление источника, следовательно, высшие гармонические составляющие тока создают меньшее падение напряжения.

Рис. 9. Формирование выходного фазного напряжения (фазы А): а) выходное напряжение ячейки 1; б) выходное напряжение ячейки 2; в) выходное напряжение ячейки 3; г) выходное фазное напряжение семиуровневого преобразователя частоты

Fig. 9. Formation of output phase voltage (phase A): a) output voltage of Cell 1; b) output voltage of Cell 2; c) output voltage of Cell 3; d) output phase voltage of seven-stage frequency converter

Рис. 10. Вид кривой опорного сигнала с добавлением третьей гармоники

Fig. 10. Curve of reference signal with addition of the 3rd harmonic

а)

©

+Ж(к-\)!к

© ©

+60°/k 0°

-60 °/k

б)

©

(g) -30°(k - 1)/k

(g) +30°(k-\)/k

© ©

+30°/k -30°/k

-30°(k - 1)/k

Рис. 11. Общие структурные схемы многообмоточных трансформаторов. Число ячеек в фазе: а) нечетное; б) четное Fig. 11. General layout of multi-coil transformer. Number of phase cells: a) odd; b) even

THD, %

3 2,8 2,6 2,4 2,2 2 1,8 1,6 1,4 1,2 1

l-г

THD Uc11 THD Uc7 I

1,9 2,1 2,3 Рс/Рд

Рис. 12. Зависимость THD напряжения сети от соотношения мощностей сети и нагрузки Fig. 12. Grid THD voltage versus grid/load power ratio

THD, %

3 2,8 2,6 2,4 2,2 2 1,8 1,6 1,4 1,2 1

Мнагр, о.е.

Рис. 13. Зависимость THD напряжения сети от момента нагрузки

Fig. 13. Grid THD voltage versus load moment

При увеличении момента нагрузки на валу двигателя снижается ТИБ потребляемого из сети тока. В результате увеличения момента возрастает и основная гармоника тока, потребляемого электроприводом. Следовательно, снижается доля высших гармоник в токе. Однако при этом увеличивается мощность, потребляемая ПЧ из сети. Как следствие, возрастает ТИБ напряжения сети.

Частота ШИМ влияет только на работу автономных инверторов ячеек. Поскольку выпрямитель ячейки отделен от инвертора звеном постоянного тока с фильтрующим конденсатором, частота ШИМ почти не оказывает влияния на гармонические искажения напряжения сети и потребляемого тока (рис. 14-17).

Видно, что кривые потребляемого тока и напряжения сети в системе с 11-уровневым ПЧ искажены меньше. Амплитуды высших гармоник представлены в процентах от основной гармоники. Гистограммы показывают, что в спектре напряжения на входе 11-уровневого ПЧ амплитуды 17 и 19 гармоник (частоты 850 и 950 Гц) снижены более чем в 3 раза по отношению к этим же гармоникам в схеме с семиуровневым ПЧ. При любых значениях варьируемых параметров ТИБ кривых тока и напряжения для 11-уровневой схемы ниже, чем для семиуровневой, поскольку в 11-уровневом ПЧ вторичные обмотки имеют пять различных фазовых углов, а в семиуровневом - три. Следовательно пульсность схемы выпрямления 11-уровневого ПЧ выше.

Однако и семиуровневый ПЧ во всех из рассмотренных режимов соответствует требованиям РМРС, т.к. ТИБ напряжения сети не превышает 10 %. Следовательно, такая схема также может применяться в системах электродвижения без установки дополнительных фильтрующих устройств.

С точки зрения влияния ПЧ на асинхронный двигатель важнейшим фактором является гармонический состав тока двигателя и форма кривой напряжения на нем. Высшие гармоники тока обуславливают дополнительный нагрев двигателя, а колебания напряжения с высокой амплитудой приводят к возникновению емкостных токов в межвитковой изоляции, что приводит к ее разрушению. С целью анализа качества электроэнергии на выходе ПЧ определяются значения ТИБ тока двигателя при различных величинах варьируемых параметров схемы.

Соотношение мощностей источника и нагрузки не влияет на ток двигателя. Он определяется фор-

мой кривой и частотой пульсаций выходного напряжения ПЧ и параметрами электродвигателя.

С ростом момента нагрузки на валу двигателя ТИБ тока двигателя снижается, поскольку возрастает основная гармоника тока. При этом колебания тока, возникающие из-за пульсаций напряжения, не изменяются и составляют меньший процент от основной гармоники.

Рост частоты ШИМ вызывает увеличение частоты пульсаций напряжения. Как следствие, кривая тока двигателя становится более сглаженной, ТИБ снижается. При этом наибольшее снижение наблюдается в схеме с семиуровневым ПЧ. При равных частотах ШИМ в данной схеме частота пульсаций выходного напряжения ниже, поэтому ее изменения оказывают более существенное влияние на ток.

Частота пульсаций выходного напряжения ПЧ при неизменной частоте ШИМ возрастает при увеличении числа ячеек в одной фазе. Пульсации напряжения в семиуровневом ПЧ не превышают 1/3 его амплитуды, в 11-уровневом - 1/5, в то время как в классическом АИН с ШИМ амплитуда пульсаций выходного напряжения равна амплитуде напряжения. Следовательно, форма кривой выходного напряжения у каскадных ПЧ ближе к синусоиде, при этом чем больше ячеек в фазе имеет ПЧ, тем лучше форма кривой напряжения.

С приближением кривой напряжения к синусоиде улучшается и форма тока двигателя. Амплитуда пульсаций тока в схеме с 11-уровне-

Рис. 14. Напряжение сети для преобразователей частоты: а) для семиуровневого; б) 11-уровневого

Fig. 14. Grid voltage for a) seven-stage and b) eleven-stage frequency converter

а)

1.8

1.6

1.4

1 1.2

E

1 1

u.

о 0.8

&

S* 0.6

2

0.4

0.2

0

Fundamental (50Hz) = 8883 , THD= 2.84%

I I  I I

I  11 l.i I  LI.I

1000 1200 Frequency

Рис. 15. Спектр гармоник напряжения сети для преобразователей частоты:

а) для семиуровневого;

б) 11-уровневого

Fig. 15. Spectrum of grid voltage harmonic for a) seven-stage and b) eleven-stage frequency converter

б)

Fundamental (50Hz) = 8892 , THD= 1.87%

1000 1200 1400 1600 1800 2000 Frequency

THD = 1,85 %

а)

- / \ А THD = 0,62 %

б)

Рис. 16. Потребляемый из сети ток

для преобразователей частоты:

а) для семиуровневого; б) 11-уровневого

Fig. 16. Grid current demand of a) seven-stage and b) eleven-stage frequency converter

вым ПЧ заметно ниже. Все высшие гармонические составляющие снизили свой вклад в кривую тока.

Помимо коэффициента гармонических искажений, дающего количественную характеристику искажений, важным показателем качества электроэнергии является коэффициент искажения Ки, который определяется как отношение основной гармоники тока к действующему значению полного тока. При синусоидальной форме тока Ки = 1. Если Ки потребляемого двигателем тока меньше единицы, то данный электродвигатель нельзя нагружать номинальным моментом, поскольку при этом действующее значение первой гармоники будет равно номинальному, а полный ток будет превышать это значение. Как следствие, двигатель получает дополнительный нагрев. Таким образом, имеется возможность по величине Ки судить о максимально возможной нагрузке оборудования. Поскольку в рассматриваемых системах электродвижения токи и напряжения имеют гармонические искажения, целесообразно рассчитывать для них Ки. Коэффициент искажения связан с ТИБ выражением

Ки =

71

+ THD2

где ТИБ - коэффициент гармонических искажений.

По полученным в ходе исследования значениям ТИБ посчитаны коэффициенты искажения Ки для кривых напряжения сети ис, потребляемого тока 1с и тока двигателя 1д, приведенные в таблице.

г- FFT analysis- а) Fundamental (50Hz) = = 917.4, T»D= 1.27%

1 1 1 1 1 11111

0.7 -

~ 06 1 | 0.5 -

lZ 0.4 в Ê 0-3 -

i 0.2 - 1 I I J. I _  X- _  X 1 _ l-L  _ 1 _L 1

0.1 il. .1.1. ....

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 Frequency

j— FFT analysts—— б) Fundamental (50Hz) = = 920.4 , "mD= 0.62%

0.3 0.25 i :

-i 1 02 - -

it 0.1S i - -

I 01 -

0.05 - 1. -

Ill  III.    .и

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 Frequency (Hz) 1600 1800 2000

Рис. 17. Спектр потребляемого из сети тока для преобразователей частоты: а) для семиуровневого; б) 11-уровневого

Fig. 17. Spectrum of grid current consumed by a) seven-stage and b) eleven-stage frequency converter

Значения коэффициента искажения, полученные для кривых напряжения и тока, оказались очень близкими к единице. Следовательно, в ГЭУ на основе как 11-уровневого, так и 7-уровневого

ПЧ электрические машины могут нормально функционировать при номинальной нагрузке без использования дополнительных фильтрующих устройств (рис. 18-19).

THD и Ки кривых напряжения сети Uc, потребляемого тока Ic и тока двигателя 1д THD and Ki of grid voltage Uc, consumed current Ic and motor current 1д

Семиуровневый ПЧ 11-уровневый ПЧ

THD Ки THD Ки

Uc 0,0285 0,9996 0,0187 0,9998

Ic 0,0128 0,99992 0,0062 0,99998

Ы 0,0473 0,9978 0,0146 0,9999

Рис. 18. Осциллограмма напряжений на двигателе, полученных на испытаниях Fig. 18. Oscillogram of motor voltages obtained from the tests

Рис. 19. Осциллограмма фазных токов двигателя, полученных на испытаниях Fig. 19. Oscillogram of motor phase currents from the tests

Заключение

Conclusion

Одним из наиболее эффективных и перспективных способов улучшения гармонического состава токаяи напряжения является применение в составе ГЭУ многоуровневых каскадных преобразователей частоты.

Достоинствами каскадных преобразователей частоты являются:

высокое качество выходного напряжения и тока, которое обеспечивает многоуровневая схема формирования выходного напряжения синусоидальной формы;

высокое качество потребляемого из сети тока и, соответственно, хорошая электромагнитная совместимость с силовой сетью судна;

повышенная надежность работы, т.к. даже в случае отказа некоторых силовых ячеек имеется возможность продолжить регулирование напряжения и частоты со снижением выходной мощности преобразователя;

использование низковольтных элементов и компонентов в ячейках;

модульность, унификация, простота диагностики и высокая ремонтопригодность;

высокие коэффициент мощности и КПД;

большая мощность (до 15 МВт);

большой диапазон выходных напряжений (до 10 кВ);

большой диапазон регулирования выходной частоты.

Перечисленные достоинства актуальны для систем электродвижения судов большой мощности (более 4 МВт), где напряжение цепи главного тока выше 1000 В. Использование преобразователей такой конструкции позволяет отказаться от установки дополнительных устройств для фильтрации высших гармонических составляющих и от дробления агрегатов для снижения единичной мощности и напряжения.

Библиографический список

1. Жемеров Г.Г., ТитаренкоИ.Г., Тугай Д.В. Моделирование электропривода переменного тока с каскадным многоуровневым инвертором напряжения // Электротехника и электромеханика. 2013. № 2. С. 40-47.

2. Ломакина Л.С., Садиков Д.Г., Титов В.Г., Чернов Е.А. Энергосберегающий регулируемый электропривод газоперекачивающего агрегата // Актуальные проблемы электроэнергетики: сб. статей конференции. Н. Новгород, 2014. С. 127-134.

3. Черных А.И. Моделирование электротехнических устройств в Matlab, SimPowerSistem и Simulink. Санкт-Петербург: Питер, 2008. 288 с.

4. Белоусов И.В., Гельвер Ф.А., Самосейко В.Ф., Хомяк В. А. Широтно-импульсные преобразователи электрической энергии. Санкт-Петербург: Крылов-ский государственный научный центр, 2019. 228 с.

5. Гребные электрические установки / Дарьенков А.Б. [и др.]. Н. Новгород: Нижегород. гос. тех. ун-т им. Р.Е. Алексеева, 2015. 207 с.

6. Кокин А.Я., Самойлов О.И., Титов В.Г. Имитационная модель многоуровневого преобразователя частоты на автономном объекте // Будущее технической науки: материалы XIV Междунар. молодежной научно-технической конференции. Н. Новгород, 2015. 120 с.

7. Правила классификации и постройки морских судов: [в 5 т.]. Т. 2. / Российский морской регистр судоходства. Санкт-Петербург, 2015. 753 с.

8. Макаров В.Г., Хайбрахманов Р.Н. Многоуровневые инверторы напряжения. Обзор топологий и применение // Вестник технологического университета. 2016. Т. 19, № 22. С. 134-138.

9. Yasmeena, Tulasi Ram Das. Cascaded multilevel inverters: A survey of topologies, controls and applications // International Journal of Scientific and Engineering Research. 2013. Vol. 4, № 8. P. 353-367.

10. Rodruegez J., Lai J., PengF.Z. Multilevel Inverters: A survey of Topologies, Controls, and Applications // IEEE Transactions industrial electronics. 2002. Vol. 49, № 4. P. 724-738.

11. Farzaneh A., Nazarzadeh J. Precise Loss Calculation in Cascaded Multilevel Inverters // Computer and Electrical Engineering: proc. of the Second International Conference. Vol. II. Los Alamitos, 2009. P. 563-568.

12. Operation Principles and Control Strategies of Cascaded H-bridge Multilevel Active Power Filter / Han Y. [et al.] // Elektronika ir Elektrotechnika. 2009. Vol. 91, № 3. P. 71-76. (T. 190. Electrical Engineering).

References

1. G. Zhemerov, I. Titarenko, D. Tugay. Simulation of AC drive with staged voltage inverter // Elektrotekhnika i Elektromekhanika (Electrical Engineering & Electro-mechanics). 2013. No. 2. P. 40-47 (in Russian).

2. L. Lomakina, D. Sadikov, V. Titov, Ye. Chernov. Power-saving adjustable electric drive of gas pumping assembly // Relevant Challenges in Electric Power Industry. Compendium of conference papers. Nizhny Novgorod, 2014. P. 127-134 (in Russian).

3. A. Chernykh. Simulation of electric hardware in Matlab, SimPowerSistem and Simulink. St. Petersburg: Piter, 2008. 288 p. (in Russian).

4. I. Belousov, F. Gelver, V. Samoseyko, V. Khomyak. Pulsewidth converters. St. Petersburg: Krylov State Research Centre, 2019. 228 p. (in Russian).

5. A. Daryenkov et al. Marine electric propulsion plants. Nizhny Novgorod State Technical University (NNSTU) named after R.E. Alekseev, 2015. 207 p. (in Russian).

6. A. Kokin, O. Samoilov, V. Titov. Simulation of multi-staged frequency converter at an autonomous object // XIVth International Conference of Young Scientists and Engineers The Future of Technical Science. Compendium of papers. Nizhny Novgorod, 2015. 120 p. (in Russian).

7. Rules for Classification and Construction of Sea-Going Ships. In 5 volumes. Vol. 2. Russian Maritime Register of Shipping, 2015, 753 pp.

8. V. Makarov, R. Khaibrakhmanov. Multi-stage voltage inverters. Review of topologies and applications // Transactions of Kazan National Research Technological University (KNRTU). 2016. Vol. 19. No. 22. P. 134-138 (in Russian).

9. Yasmeena, Tulasi Ram Das. Cascaded multilevel inverters: A survey of topologies, controls and applications // International Journal of Scientific and Engineering Research. 2013. Vol. 4, № 8. P. 353-367.

10. J. Rodruegez, J. Lai, F.Z. Peng. Multilevel Inverters: A survey of Topologies, Controls, and Applications // IEEE Transactions industrial electronics. 2002. Vol. 49, № 4. P. 724-738.

11. A. Farzaneh, J. Nazarzadeh. Precise Loss Calculation in Cascaded Multilevel Inverters // Computer and

Electrical Engineering: proc. of the Second International Conference. Vol. II. Los Alamitos, 2009. P. 563-568.

12. Operation Principles and Control Strategies of Cascaded H-bridge Multilevel Active Power Filter / Y. Han [et al.] // Elektronika ir Elektrotechnika. 2009. Vol. 91, № 3. P. 71-76. (T. 190. Electrical Engineering).

Сведения об авторах

Умяров Дамир Вафиевич, начальник отдела АО «КБ «Вымпел». Адрес: 603104, Нижний Новгород, ул. Нар-това, д. 6, корп. 6, пом. № 25. Тел.: +7 (910) 875-79-94. E-mail: umyarovdv@mail.ru

Онищенко Георгий Борисович, д.т.н., научный руководитель ООО НТЦ «Приводная техника». Адрес: 109316, Москва, Волгоградский пр., д. 42, корп. 13. Тел.: +7 (916) 213-22-47.

About the authors

Damir V. Umyarov, Head of Department, JSC DO Vympel. Address: office 25, building 6, 6, Nartova st., Nizhny Novgorod, Russia, post code 603104. Tel.: +7 (910) 875-79-94. E-mail: umyarovdv@mail.ru.

Georgy B. Onishenko, Dr. Sci. (Eng.), Scientific Principal, LLC Science & Research Centre Privodnaya Tekhnika. Address: building 13, 42, Volgogradsky Prospekt, Moscow, Russia, post code 109316. Tel.: +7 (916) 213-22-47.

Поступила / Received: 16.09.19 Принята в печать / Accepted: 25.11.19 © Умяров Д.В., Онищенко Г.Б., 2019