Научная статья на тему 'Многоуровневые широтно-импульсные преобразователи напряжения для судовых электроэнергетических систем'

Многоуровневые широтно-импульсные преобразователи напряжения для судовых электроэнергетических систем Текст научной статьи по специальности «Электротехника»

CC BY
134
19
Поделиться
Ключевые слова
ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА / ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ЭНЕРГИЯ / ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЯ / ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

Аннотация научной статьи по электротехнике, автор научной работы — Дмитриев Б. Ф., Калмыков А. Н., Сеньков А. А.

Рассматривается применение многоуровневых преобразователей напряжения с широтно-импульсной модуляцией для судовых электроэнергетических систем. Представлены некоторые результаты компьютерного моделирования электромагнитных процессов многоуровневого широтно-импульсного преобразователя при различных видах нагрузки.

Похожие темы научных работ по электротехнике , автор научной работы — Дмитриев Б.Ф., Калмыков А.Н., Сеньков А.А.,

Multilevel pulse-width voltage converters for ship electroenergy systems

Statical and power parameters of regulators of constant voltage on the basis of alllevel converters pulse-width modulation of voltage output is esteemed. The characteristic relations of figure of merits of output and input energy are resulted.

Текст научной работы на тему «Многоуровневые широтно-импульсные преобразователи напряжения для судовых электроэнергетических систем»

Список литературы

1. Иванов-Смоленский А.В. Электрические машины. Т. 2. М.: Издательский дом МЭИ, 2006. 525 с.

Y. Timonin

Managed elektroprivod of the system of cooling of transformer The questions of cooling of transformer are considered due to application of managed elektroprivod.

Keywords: asynchronous engine, adjusting offrequency of rotation, okhladitekdli.

Получено 06.07.10

УДК 629.9:502.14:62-83

Б.Ф. Дмитриев, д-р техн. наук, проф., (812) 714-68-39, dmitrievbf@yandex.ru (Россия, Санкт-Петербург, СПбГМТУ), А.Н. Калмыков, проф., проректор по НР, (812) 714-68-39, dmitrievbf@yandex.ru (Россия, Санкт-Петербург, СПбГМТУ), А.А. Сеньков, инж., (812) 714-68-39, dmitrievbf@yandex.ru (Россия, Санкт-Петербург, Центр морской техники «Рубин»)

МНОГОУРОВНЕВЫЕ ШИРОТНО-ИМПУЛЬСНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ НАПРЯЖЕНИЯ ДЛЯ СУДОВЫХ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СИСТЕМ

Рассматривается применение многоуровневых преобразователей напряжения с широтно-импульсной модуляцией для судовых электроэнергетических систем. Представлены некоторые результаты компьютерного моделирования электромагнитных процессов многоуровневого широтно-импульсного преобразователя при различных видах нагрузки.

Ключевые слова: технические средства, электрическая энергия, энергосбережения, полупроводниковые преобразователи.

Современные суда и корабли содержат сложные технические комплексы, в которых широко используются электроэнергетические и управляющие технические средства. При этом под техническими средствами понимаются основные и вспомогательные устройства, предназначенные для выполнения определённых функций. К ним относятся снабжение потребителей необходимым видом энергии, обеспечение движения и маневрирования корабля, предотвращение аварий и борьба с их последствиями, создание условий жизнеобеспечения и нормальных условий эксплуатации судового оборудования.

Наиболее важной технической системой является энергетическая система корабля (судна), она является многофункциональной, поскольку

80

выполняет несколько функций: генерирование, распределение, передачу и потребление электроэнергии.

Судовые и электроэнергетические системы имеют свои особенности и существенно отличаются от наземных электроэнергетических систем. Основными характерными чертами судовых и корабельных ЭЭС являются [1]:

1) соизмеримость мощностей генераторов и потребителей электроэнергии;

2) большое количество потребителей, различающихся по роду тока, напряжения, мощности;

3) нелинейность многих видов нагрузки;

4) частые динамические изменения нагрузки;

5) высокие требования по надёжности.

Автономность судовой и корабельной ЭЭС в условиях ограниченных площадей и объёмов размещения её оборудования затрудняет обеспечение требуемого качества электроэнергии. Например, при установке обычного гребного двигателя (ГЭД), в зависимости от типа и водоизмещения судна (корабля), сектор, где устанавливается ГЭД, занимает 5.. .10 % объёма судна (корабля). В настоящее время широкое применение получили пропульсивные комплексы с винторулевой колонкой (ВРК), который обладает существенными преимуществами по сравнению с установками обычных типов ГЭД (рис. 1). Достоинствами таких комплексов [1, 2, 3] с ВРК является отсутствие валопровода и рулевого устройства. Это позволяет повысить КПД, улучшить виброакустические характеристики оборудования и одновременно принципиальным образом улучшить маневренность судна.

Рис. 1. Внешний вид пропульсивного комплекса с ВРК

Создание на базе систем электродвижения переменного тока единых электроэнергетических установок, в которых главные генераторы

обеспечивают питанием как ГЭД, так и общесудовые приемники электроэнергии, позволяет существенно улучшить массогабаритные и технико-экономические показатели энергетической установки.

Питание и управление ГЭД с ВРК осуществляется через полупроводниковый преобразователь частоты (ПЧ), который значительно влияет на качество электрической энергии, искажая в ряде случаев форму потребляемого тока и напряжения на шинах ЭЭС (рис. 2).

В настоящее время одним из важнейших факторов, влияющим на экономичность использования электрической энергии, является сокращение потребляемой полупроводниковыми преобразователями и регулируемой на их основе реактивной мощности.

Наиболее перспективной возможностью обеспечения энергосбережения и повышения экономичности использования электрической энергии в полупроводниковых преобразователях является повышение качества энергопотребления за счёт использования топологий многоуровневого преобразования, связанных с новыми стратегиями управления (например, релейно-векторного) при реализации силовых схем полупроводниковых преобразователей с учётом современной элементной базы.

При этом становится возможным активное формирование потребляемых такими преобразователями сетевых токов и режимов энергопотребления из питающей сети.

Коэффициент мощности при наличии нелинейной нагрузки уменьшается из-за изменения формы кривой тока и сдвига по фазе между первой гармоникой потребляемого тока и напряжением сети, что ведёт к увеличению потерь в питающих сетях.

Ругыаяр^^а]

Дргстанцкшкое ушлите ние

Пропуттьасшы Д1П(Г ±Т>: ли

Рис. 2. Обобщенная схема единой ЭЭС

Анализ показал, что на уменьшение коэффициента мощности влияют следующие факторы [1, 4,5,6]:

1) несинусоидальность потребляемых токов и приложенных напряжений, обусловленных нелинейной нагрузкой;

2) несинусоидальность потребляемого тока, обусловленная наличием в системе сглаживающего фильтра.

Уменьшение коэффициента мощности приводит к необходимости применения более мощных источников электропитания (из-за роста потерь мощности), что сопровождается ужесточением требований, предъявляемых к надежности и безопасности работы преобразовательных устройств, а также ухудшает их удельные массогабаритные показатели и увеличивает стоимость.

Возросшие требования к степени электромагнитной совместимости преобразователей с питающей сетью потребовали новых технических решений для преобразователей с приданием им свойств активной коррекции коэффициента мощности. Многоуровневый принцип преобразования параметров электрической энергии позволяет осуществить практически синусоидальное потребление тока из питающей сети, синфазное с напряжением сети во всем диапазоне регулирования выходного напряжения.

На рис. 3^7 приведены структурные схемы многоуровневых преобразователей постоянного и переменного напряжения.

Рис. 3. Структурные схемы двухуровневых регуляторов постоянного

напряжения: а - на ключах с двусторонней проводимостью; б - на ключах с односторонней проводимостью

83

+ *

51 53 , 55 1—,

о ЛС2

ад ад

сторона постоянного

тока

— Ф

-О сторона

переменного

52 п---Б4 Б6 =-

ад ад ад

тока

Рис. 4. Двухуровневая трёхфазная топология

+

1 Б5 1 59 I

лег

ею

' 2ГИ 2ГЙ

сторона

постоянного

тока

+

__ БЗ____57____БИ__

ш ш ш

а,Ь,с -■^С сторона

переменного тока

512]

Рис. 5. Трёхуровневая трёхфазная топология

+ *

¡¿Ъ

сторона постоянного

тока

ш0 сторона

переменного

тока

Рис. 6. Однофазная Н-топология

1 , ^ 1 ^ 1 I ЭД I Я11 1 ,

+1JK3 jig ig jig jKg

сторона переменного

сторона

постоянного

тока

< ) S2 —* S4 , | S6 [ S8 , __ S10 ( | S12 < |

JKg JKg JKg Jiff .iff iff

-0 31 -фЫ -0a2 -•Ь2

Рис. 7. Трёхфазная Н-топология с общим накопительным

конденсатором

Приняты следующие обозначения: СУ - система управления; S1...S12 — полностью управляемые ключи; RH, LH - нагрузка.

Качество выходной и потребляемой энергии определяется гармоническим составом выходного напряжения и входного тока, которые характеризуются коэффициентами несинусоидальности и пульсаций.

Результаты компьютерного и математического моделирования с использованием пакетов MatLab Simulink и Mathad позволяют сделать следующие выводы:

1. С ростом числа уровней становится возможным уменьшить потери мощности и снизить частоту коммутации, а также существенно улучшить гармонический состав выходного напряжения преобразователя.

2. Использование прямого микропроцессорного управления позволяет перейти к формированию требуемых выходных характеристик многоуровневых ШИП в зависимости от режимов работы потребителей. Получены аналитические выражения, которые являются удобными алгоритмами для реализации ШИМ с различными законами управления.

3. Применение полностью управляемых ключей обеспечивает двухсторонний обмен энергией между питающей сетью и нагрузкой, возможность рекуперации энергии в сеть при двигательной нагрузке.

Список литературы

1. Пашин В.М., Свиридов Г.М. Новые принципы построения мощных статических преобразователей гребных электрических установок //Судостроение. №2. 2007. С.29-33.

2. Справочное руководство к проекту движительных систем Azipod®. Версия 6.2. Финляндия: Издание ABB Oy, 2008, 65 с.

3. Azipod Propulsion / Интернетиздание фирмы ABB Oy, URL: http ://www. abb .com/ marine (дата обращения 26.11.2009), 18 с.

4. Semikron application manual, URL: http: //www. semikr on .com/ internet.

5. Лихоманов А.М., Дмитриев Б.Ф. Анализ и синтез гармонического состава выходного напряжения однофазных инверторов с импульсной нагрузкой// Электричество. №7. 2009. С. 56-61.

6. Дмитриев Б.Ф. Анализ статических характеристик ступенчатого преобразователя напряжения// Электротехника. 2000. № 12. С. 26-30.

B. Dmitriev, A. Kalmy'kov, A. Senkov

Multilevel pulse-width voltage converters for ship electroenergy systems

Statical and power parameters of regulators of constant voltage on the basis of alllevel converters pulse-width modulation of voltage output is esteemed. The characteristic relations of figure of merits of output and input energy are resulted.

Keywords: technical means, electric energy, energy-savings, semiconductor converters.

Получено 06.07.10

УДК 629.9:502.14:62-83

Г.М. Иванов, д-р техн. наук, проф., директор, (495) 971-04-48, elprivivanov@mail.ru,

О.И. Осипов, д-р техн. наук, проф., ведущий науч. Сотр., (495) 971-04-48, osipovoi@mail.ru,

А.С. Дронов, канд. техн.наук, зам. директора, (495) 971-04-48,

elprivivanov@mail.ru,

К. А. Кузин, инженер, (495) 971-04-48,

kirill.kuzin@gmail.com (Россия, Москва, НПЦ «Русэлпром - Мехатроника»)

ПРОБЛЕМЫ И ОПЫТ МОДЕРНИЗАЦИИ ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ СИНХРОННЫХ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ НАСОСНЫХ СТАНЦИЙ

Рассматриваются основные проблемы и результаты модернизации высоковольтных синхронных электроприводов насосной станции.

Ключевые слова: возбудители синхронных двигателей, преобразователи частоты, электроприводы, СД, асинхронный пуск.

Замена нерегулируемых синхронных электродвигателей СД насосных станций на частотно-регулируемые электроприводы, обусловленная стремлением снижения энерго- и ресурсозатрат, наряду с общеизвестными проблемами модернизации асинхронного электропривода насосов имеет ряд дополнительных особенностей.

1. Синхронному электроприводу насосов, как правило, свойственны более высокие мощности и напряжения питания двигателей СД. И если для модернизации низковольтных приводов на рынке преобразователей частоты ПЧ имеется их большое количество, то для мощных высоковольтных синхронных приводов выбор ПЧ весьма ограничен.