Русская версия English version

Разработка и исследование усовершенствованных алгоритмов ШИМ активных выпрямителей с целью улучшения качества электроэнергии во внутризаводских электрических сетях 6–35 кВ

А.А. Николаев, М.В. Буланов, А.С. Маклаков, И.Г. Гилемов

Вестник ИГЭУ, 2023 г. выпуск 6, сс. 69—81

Скачать PDF

Аннотация на русском языке: 

Состояние вопроса. В настоящее время для мощных регулируемых электроприводов переменного тока с частыми динамическими режимами стандартным решением стало применение преобразователей частоты с активными выпрямителями. К достоинствам данных преобразователей относят возможность рекуперации энергии торможения в питающую сеть, а также, как заявлено производителями преобразовательной техники, лучшую электромагнитную совместимость с питающей сетью. Данное утверждение верно лишь отчасти, поскольку производителями преобразователей частоты с активными выпрямителями не учитываются возможные резонансные явления во внутризаводской распределительной сети 6–35 кВ, вызванные взаимодействием реактивных элементов системы электроснабжения. При наложении на резонансную область значимых гармоник тока преобразователей частоты с активными выпрямителями могут возникать опасные искажения напряжения 6–35 кВ. Традиционные способы обеспечения электромагнитной совместимости преобразователей частоты с активными выпрямителями в этом случае могут не иметь должного эффекта. В связи с этим актуальным является разработка альтернативных технических решений, позволяющих обеспечить приемлемый уровень электромагнитной совместимости преобразователей частоты с активными выпрямителями. Одним из таких решений является применение в преобразователях частоты с активными выпрямителями усовершенствованных алгоритмов ШИМ, адаптирующихся к резонансным явлениям во внутризаводской сети 6–35 кВ.

Методы и материалы. Материалами для исследования послужили осциллограммы токов и напряжений на входе преобразователей частоты с активными выпрямителями, полученные экспериментально и с помощью математического моделирования. Экспериментальные данные получены на действующем оборудовании с преобразователями частоты с активными выпрямителями и на специальной лабораторной установке. При разработке усовершенствованных алгоритмов ШИМ активных выпрямителей использован известный математический аппарат, описывающий зависимость отдельных гармоник от числа переключений и углов коммутации.

Результаты. Получены результаты, показывающие эффективность усовершенствованных алгоритмов ШИМ в плане снижения влияния преобразователей частоты с активными выпрямителями на питающую сеть и улучшения качества электроэнергии во внутризаводских сетях 6–35 кВ. Результаты исследования внедрены на ряде металлургических предприятий, благодаря чему удалось добиться снижения искажений напряжения 6–35 кВ и повысить устойчивость работы чувствительных электроприемников.

Выводы. Разработанные усовершенствованные алгоритмы ШИМ преобразователей частоты с активными выпрямителями позволяют значительно улучшить качество электроэнергии во внутризаводских электрических сетях 6–35 кВ без дополнительных капитальных затрат и установки дополнительного оборудования. На основании полученных результатов рекомендовано использование разработанных алгоритмов ШИМ на действующем оборудовании с преобразователями частоты с активными выпрямителями промышленных предприятий.

Список литературы на русском языке: 

1. Возможности компенсации реактивной мощности в сети посредством высокомощного рекуперативного электропривода переменного тока / А.С. Маклаков, А.А. Николаев, С.А. Линьков, Т.А. Лисовская // Электротехнические и информационные комплексы и системы. – 2022. – Т. 18, № 3-4. – С. 65–74.

2. Network-Friendly Low-Switching-Frequency Multipulse High-Power Three-Level PWM Rectifier / J.A. Pontt, J.R. Rodríguez, A. Liendo, et al. // IEEE Transactions on Industrial Electronics. – 2009. – Vol. 56, No. 4. – Р. 1254–1262.

3. Николаев А.А., Храмшин Т.Р., Афанасьев М.Ю. Исследование резонансных явлений в распределительных электрических сетях среднего напряжения систем внутризаводского электроснабжения промышленных предприятий // Машиностроение: сетевой электронный научный журнал. – 2017. – Т. 5, № 4. – С. 51–62.

4. Resonances in a High-Power Active-Front-End Rectifier System / J. Pontt, G. Alzamora, R. Huerta, N. Becker // IEEE Trans. Ind. Electron. – 2005. – Р. 482–488.

5. Повышение качества электроэнергии в системах электроснабжения прокатных станов с использованием преобразователей частоты с активными выпрямителями за счет применения специализированных пассивных фильтров / А.А. Николаев, М.Ю. Афанасьев, И.Г. Гилемов, М.В. Буланов // Вестник ИГЭУ. – 2023. – Вып. 1. – С. 41–52.

6. Обеспечение электромагнитной совместимости мощных электроприводов четырехклетьевого стана ППП ХП ЧерМК ПАО «Северсталь» с питающей сетью 10 кВ / А.А. Николаев, И.Г. Гилемов, М.В. Буланов и др. // Актуальные проблемы современной науки, техники и образования. – 2021. – Т. 12, № 1. – С. 65–74.

7. Николаев A.A., Гилемов И.Г., Буланов M.В. Оценка влияния режимов работы электроприводов прокатного стана с ПЧ-АВ на качество напряжения питающей сети 10 кВ // Вестник ИГЭУ. – 2021. – Вып. 5. – С. 41–50.

8. Nikolaev A.A., Gilemov I.G. The Dynamic Operation Investigation of an Active Rectifier Control System with IGCT-Thyristor Switching Angle Table Selection Function // Proceedings – 2022 International Conference on Industrial Engineering, Applications and Manufacturing (ICIEAM 2022). – Sochi, 2022. – Р. 492–497.

9. Current Electromagnetic Compatibility Problems of High-Power Industrial Electric Drives with Active Front-End Rectifiers Connected to a 6–35 kV Power Grid: A Comprehensive Overview / A.A. Nikolaev, A.S. Maklakov, M.V. Bulanov, et al. // Energies. – 2023. – Vol. 16, No. 1. – P. 293.

10. Разработка усовершенствованного алгоритма ШИМ активного выпрямителя с адаптацией к резонансным явлениям во внутризаводской сети / А.А. Николаев, М.В. Буланов, М.Ю. Афанасьев, А.С.  Денисевич // Вестник ИГЭУ. – 2018. – Вып. 6 – С. 47–56.

11. O'Brien K., Teichmann R., Bernet S. Active rectifier for medium voltage drive systems // Applied Power Electronics Conference and Exposition, 2001. APEC 2001. Sixteenth Annual IEEE. – 2001. – Р. 557–562.

12. Celanovic N., Boroyevich D. A fast space-vector modulation algorithm for multilevel three-phase converters // IEEE Trans. Ind. Appl. – 2001. – Р. 637–641.

13. Храмшин Т.Р., Крубцов Д.С., Корнилов Г.П. Математическая модель силовой схемы главных электроприводов прокатных станов // Электротехника: сетевой электронный научный журнал. – 2014. – Т. 1, № 1. – С. 3–7.

14. Храмшин Т.Р., Храмшин Р.Р., Корнилов Г.П. Расчет электромагнитных процессов в трехфазном трехуровневом инверторе напряжения // Электротехнические системы и комплексы: межвуз. сб. науч. тр. – Магнитогорск: МГТУ, 2010. – Вып. 1. – С. 221.

15. Маклаков А.С., Гасияров В.Р., Белый А.В. Энергосберегающий электропривод на базе двухзвенного преобразователя частоты с активным выпрямителем и автономным инвертором напряжения // Электротехника: сетевой электронный научный журнал. – 2014. – Т. 1, № 1. – С. 23–30.

16. Храмшин Т.Р., Крубцов Д.С., Корнилов Г.П. Математическая модель активного выпрямителя в несимметричных режимах работы // Электротехника: сетевой электронный научный журнал. – 2014. – Т. 1, № 2. – С. 3–9.

17. Endrejat F., Pillay P. Resonance Overvoltages in Medium Voltage Multilevel Drive System // IEEE International Electric Machines & Drives Conference. – 2007. – C. 736–741.

18. Alawasa K.M., Moamed R.I., Xu W. Active Mitigation of Subsynchronous Interactions Between PWM Voltage-Source Converters and Power Networks // IEEE Transactions on Power Electronics. – 2014. – Р. 121–134.

19. Николаев А.А., Денисевич А.С., Буланов М.В. Исследование параллельной работы автоматизированных электроприводов прокатного стана и дуговой сталеплавильной печи // Вестник ИГЭУ. – 2017. – Вып. 3. – С. 59–69.

20. Экспериментальные исследования электромагнитной совместимости современных электроприводов в системе электроснабжения промышленных предприятий / А.А. Николаев, Г.П. Корнилов, Т.Р. Храмшин и др. // Вестник МГТУ им. Г.И. Носова. – 2016. – Т. 14, № 4 – С. 96–103.

21. Blooming T.M., Carnovale D.J. Application of IEEE STD 519-1992 Harmonic Limits // Conference Record of 2006 Annual Pulp and Paper Industry Technical Conference. – 2006. – Р. 1–9.

22. Moeini A., Zhao H., Wang S. A current reference based selective harmonic current mitigation PWM technique to improve the performance of cascaded H-bridge multilevel active rectifiers // IEEE Trans. Ind. Electronics. – 2018. – Vol. 65. – Р. 727–737.

23. A hybrid PWM strategy for three-level inverter with unbalanced DC links / X. Wu, G. Tan, G. Yao, et al. // IEEE J. Emerg. Sel. Top. Power Electron. – 2018. – Vol. 6. – P. 1–15.

24. Steczek M., Chudzik P., Szelag A. Combination of SHE- and SHM-PWM techniques for VSI DC-link current harmonics control in railway applications // IEEE Trans. Ind. Electron. – 2017. – Vol. 64. – P. 7666–7678.

25. Optimal selective harmonic control for power harmonics mitigation / K. Zhou, Y. Yang, F. Blaabjerg, D. Wang // IEEE Trans. Ind. Electron. – 2015. – Vol. 62. – P. 1220–1230.

26. Selective harmonic mitigation based self-elimination of triplen harmonics for single-phase five-level inverters / M. Sharifzadeh, H. Vahedi, R. Portillo, et al. // IEEE Trans. Power Electron. – 2019. – Vol. 34. – P. 86–96.

Ключевые слова на русском языке: 
преобразователь частоты, активный выпрямитель, широтно-импульсная модуляция, электромагнитная совместимость, качество электроэнергии, резонанс токов, высшие гармоники
Ключевые слова на английском языке: 
frequency converter, active rectifier, pulse width modulation, electromagnetic compatibility, power quality, current resonance, higher harmonics
Индекс DOI: 
10.17588/2072-2672.2023.6.069-081
Количество скачиваний: 
18