CC BY
218
УДК 62-83:621/.69
Р.Р. Храмшин, канд. техн. наук, доц., (3519) 29-84-30, hramshinRR@mail.ru, Т.Р. Храмшин, канд. техн. наук, доц., (3519) 29-84-30, timur.hramshin@mail.ru,
Е.А. Храмшина, ассист., (3519) 29-84-30, ше to you27@mail.ru, Г.П. Корнилов, канд. техн. наук, доц., зав. кафедрой, (3519) 29-84-30, кот mgn@mail.ru (Россия, Магнитогорск, МГТУ)
МНОГОУРОВНЕВЫЙ ВЫСОКОВОЛЬТНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЧАСТОТЫ ДЛЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДА
Рассматривается применение многоуровневого высоковольтного преобразователя частоты для электропривода. Представлены некоторые результаты компьютерного моделирования электромагнитных процессов многоуровневого высоковольтного преобразователя частоты.
Ключевые слова: двигатели, высоковольтный преобразователь частоты, электромагнитная совместимость, многоуровневый инвертор.
Доля высоковольтных асинхронных и синхронных двигателей, которые осуществляют электропривод насосов и вентиляторов, существенна в парке электрических двигателей. Перевод их в режим с регулируемой частотой вращения обеспечит значительный энерго- и ресурсосберегающий эффект.
Для регулирования частоты вращения двигателей широкое применение получили двухзвенные преобразователи частоты [1]. Такие устройства преобразуют электроэнергию питающей сети в электроэнергию с требуемыми значениями напряжения, тока и частоты в два этапа. На первом этапе с помощью выпрямителя производится преобразование переменного тока и напряжения с частотой 50 Гц в постоянный ток и напряжение. На втором этапе с помощью автономных инверторов постоянный ток и напряжение преобразуются в переменные, но уже с новыми, требуемыми для обеспечения желаемого режима работы электродвигателя значениями тока, напряжения и частоты.
Коэффициент полезного действия двухзвенного высоковольтного преобразователя частоты (ВПЧ) весьма высокий - до 98%, что обусловлено эффективностью современных силовых полупроводниковых приборов, работающих в ключевом режиме.
Основными критериями эффективности работы ВПЧ являются, обеспечение электромагнитной совместимости с системой электроснабжения, а также обеспечение электромагнитной совместимости ПЧ и двигателя, что позволяет использовать стандартные двигатели практически без их разгрузки по мощности [2].
Являясь источником высших гармоник, автономные инверторы оказывают влияние как на потери в двигателе и его допустимую нагрузку, так
и на изоляцию статора. Электрическое воздействие выходного напряжения инвертора на изоляцию статора определяется как величиной, так и крутизной фронтов прямоугольных импульсов питающего двигатель напряжения и зависит от топологии автономного инвертора и алгоритмов его управления.
Рациональное решение, наиболее эффективно обеспечивающее электромагнитную совместимость инвертора и электродвигателя практически без разгрузки последнего, это применение многоуровневого инвертора напряжения с импульсной модуляции, для формирования фазного напряжения. За счет большего количества уровней фазного напряжения, его форма у высоковольтного преобразователя частоты близка к синусоидальной форме. Выходной ток многоуровневого инвертора напряжения с импульсной модуляции также практически синусоидальный.
Топология таких преобразователей предусматривает, что питание каждой фазы двигателя осуществляется от несколько последовательно включенных ячеек. Структурная схема силовой части многоуровневого высоковольтного преобразователя частоты приведена на рис. 1. Ячейки рассчитаны на полный ток двигателя и представляют собой однофазный импульсный преобразователь. Каждая ячейка создает только часть выходного фазного напряжения.
Рис. 1. Структура силовой части многоуровневого ВПЧ
Выходные уровни напряжения многоуровневого инвертора с импульсной модуляцией, определяемые по формуле Я
ивых I = Аи •К0 ^ 3п• Кгп, формируют фазное напряжение высоковольт-
п=0
ного преобразователя частоты в виде плавной ступенчатой кривой. Здесь Аи - шаг квантования по напряжению; Ко - коэффициент, задающий знак напряжения, Ко = 1 (для положительной полуволны) или Ко = - 1 (для отрицательной полуволны) ; ( Я + 1 ) - количество ячеек многоуровневого инвертора напряжения; К, п - коэффициент, задающий значение напряжения ячейки, может принимать значения Кп = 1, К, п = 0 или К, п = - 1 ; I = 1, 2, 3, ... - номер уровня выходного фазного напряжения.
Если количество ячеек последовательно включенных в фазу преобразователя равно четырем, то число уровней по напряжению равно 40 (для формирования положительного напряжения). Такое же число уровней будет при формировании отрицательного напряжения. Синусоидальное фазное напряжение, при изменении от + ит до - ит будет представлено в виде ступенчатого напряжения с общим количеством уровней 40 + 40 + 1 = 81. Здесь единица соответствует начальному (нулевому) уровню. На рис. 2 приведены осциллограммы фазного напряжения для различных амплитудных значений сигнала задания: 1,0 изад ш , 0,8 изад ш , . . . 0,1 изад ш .
Алгоритм управления ключами многоуровневого инвертора организован так, что переход от ступени к ступени не превышает шага квантования А и. Напряжения питания ячеек одинаковы, а выходные напряжения неодинаковы и находятся в отношении 1 : 3 : 9 : 27, образуют степенной ряд числа 3. Как отмечалось выше, каждая ячейка представляет собой однофазный импульсный преобразователь и рассчитана на полный ток нагрузки. Коэффициент К п определяет в каком режиме работает ячейка. При К, п = 1 выходное напряжение ячейки имеет положительный знак и ячейка увеличивает значение фазного напряжения. При К, п = 0 ячейка обеспечивает протекание полного тока нагрузки, без изменения величины фазного напряжения. При К, п = - 1 выходное напряжение ячейки имеет отрицательный знак и ячейка уменьшает значение фазного напряжения. При синусоидальном законе формирования выходного напряжения Ивых, г частота изменения коэффициентов К, п для ячеек, различна. Для ячейки с малым значением напряжения питания 1Аи частота изменения коэффициента К, п выше, чем у ячейки с большим значением напряжения питания 27 А и.
40 30 20 10
)2
О -10 -20 -30 -40
Рис. 2. Осциллограммы фазного напряжения
Авторами проведены исследования в среде МАТЬАВ с многоуровневым инвертором напряжения, содержащей четыре ячейки. На рис. 3 приведен гармонический состав фазного напряжений для сигнала задания с амплитудным значением 1,0 £/зад т . Амплитуда основной гармоники напряжения принята равной 100 %. Доля остальных гармоник очень незначительна. Их амплитудные значения менее 0,5 % по отношению к основной гармонике выходного напряжения.
100%
0,9% 0,8% 0,7% 0,6% 0,5% 0,4% 0,3% 0,2% 0,1% 0,0%
Рис. 3. Гармонический состав фазного напряжения
На рис. 4 приведена гистограмма коэффициента несинусоидальности фазного напряжения при изменении амплитудного значения сигнала
Е п А ДА", дДп ... п Л ЫЛА .п.п.п 1™, 1, л!
1 5 9 13 17 21 25 29 33 37 41 45 49 53 57
задания в диапазоне от 1,0 С/задт до 0,1 £/зад т. При максимальном сигнале задания 1,0 £/задт коэффициент несинусоидальности менее 1 %. Из гистограммы видно, что при уменьшении фазного напряжения в два раза коэффициент несинусоидальности увеличивается незначительно - от 0,84 % до 1,48 %, т.е. доля гармоник напряжений, отличных от основной гармоники, остается незначительной.
16,0%
14,0%
12,0%
10,0%
8,0%
6,0%
4,0%
2,0%
0,0%
Рис. 4. Гистограмма коэффициента несинусоидальности фазного
напряжения
На основании изложенного в работе материала можно сделать следующий вывод.
Предложен алгоритм управления многоуровневым инвертором напряжения с импульсной модуляцией, обеспечивающий формирование ступенчатой формы фазного напряжения с числом уровней, равным 81.
Коэффициент несинусоидальности фазного напряжения очень мал. Высоковольтный преобразователь частоты на основе многоуровневого инвертора напряжения с импульсной модуляцией обеспечит хорошую электромагнитную совместимость с электрическими машинами.
Список литературы
1. Дробкин Б.З., Пронин М.В., Ефимов A.A. Развитие устройств силовой электроники для регулируемых электроприводов // Труды V Международной (16-й Всероссийской) конференции по автоматизированному электроприводу «АЭП - 2007». СПб, 2007. С. 26-32.
2. Коськин Ю.П., Пронин М.В. О необходимости учета высокочастотных электромагнитных процессов при разработке транзисторных электроприводов с ШИМ // Труды V Международной (16-й Всероссийской)
195
14,63%
6,34%
.3,63%.
0,84% ~0~95% 1,05%'
п,п,п
1,48% 1'79%.
лХ
2,47%
1,0 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1
конференции по автоматизированному электроприводу «АЭП - 2007». СПб, 2007. С. 122-125.
R Hramshin, T. Hramshin, E. Hramshina, G. Kornilov The multilevel high-voltage converter of frequency for the electric drive Application of the multilevel high-voltage frequency converter for the electric drive is in-process observed. Some results of computer modelling of electromagnetic processes of the multilevel high-voltage frequency converter are presented.
Keywords: engines, the high-voltage converter of frequency, electromagnetic compatibility, the multilevel inverter.
Получено 06.07.10
УДК 62-83:621/.69
Т.Р. Храмшин, канд. техн. наук, доц., (3519) 29-84-30,
timur.hramshin@mail.ru (Россия, Магнитогорск, МГТУ),
Г.П. Корнилов, канд. техн. наук, доц., зав. кафедрой, (3519) 29-84-79,
1<ргп mgn@mail.ru (Россия, Магнитогорск, МГТУ),
В.В. Ровнейко, нач. ТЭЦ, (3519) 29-84-30,
timur.hramshin@mail.ru (Россия, Магнитогорск, ОАО «ММК»),
А.А. Мурзиков, инженер Центральной электротехнической лаборатории,
(3519) 29-84-30, timur.hramshin@mail.ru
(Россия, Магнитогорск, ОАО «ММК»)
ИССЛЕДОВАНИЕ ЧАСТОТНО-РЕГУЛИРУЕМЫХ АСИНХРОННЫХ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ В ЛАБОРАТОРНЫХ УСЛОВИЯХ
Представлено описание силовой и измерительной части лабораторного стенда для исследования частотно-регулируемого асинхронного электропривода. Приведена структурная схема модели двигателя с разложением тока на две ортогональные составляющие. Выполнено исследование работы преобразователя частоты при кратковременных просадках питающего напряжения.
Ключевые слова: регулируемые электроприводы, горячее цинкование, двигательный режим, преобразователь частоты.
В настоящее время общей тенденцией регулируемых электроприводов общепромышленных механизмов является замена двигателей постоянного тока на двигатели переменного тока. Особенно заметен такой переход в металлургической отрасли в прокатном переделе, где регулируемые электроприводы составляют большую часть. Это проявляется в полной мере на ОАО «ММК», где за последние годы введены в эксплуатацию ряд энергоемких объектов, таких как агрегат непрерывного горячего цинкования, непрерывно-травильный агрегат, реверсивный стан холодной прокатки, три сортовых стана, толстолистовой стан 5000 горячей прокатки. Об-
