CC BY
11
Электротехнические комплексы и системы
Ле Ван Тунг Le Van Tung
кандидат технических наук, кафедра «Автоматизации», Куангниньский промышленный университет, Куангнинь, Вьетнам
Данг Нгок Хюу Dang Ngoc Huy
кандидат технических наук, кафедра «Автоматизации», Куангниньский промышленный университет, Куангнинь, Вьетнам
До Чи Тхань Do Chi Thanh
кандидат технических наук, кафедра «Автоматизации», Куангниньский промышленный университет, Куангнинь, Вьетнам
Буй Чунг Кьен Bui Trung Kien
кандидат технических наук, кафедра «Электротехники», Куангниньский промышленный университет, Куангнинь, Вьетнам
УДК 621.314.57
DOI: 10.17122/1999-5458-2022-18-2-63-72
ПОВЫШЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА МОЩНОСТИ И УМЕНЬШЕНИЕ ГАРМОНИК ТОКА ИСТОЧНИКА ПИТАНИЯ В СИСТЕМЕ ЭЛЕКТРОПРИВОДА
КОНВЕЙЕРОВ
Актуальность
В настоящее время преобразователи частоты с диодными выпрямителями очень часто используются в системах электропривода конвейеров. Однако преобразователи частоты генерируют гармоники тока, отрицательно влияя на качество сети и долговечность электрического оборудования. В системе электропривода асинхронный двигатель потребляет реактивную мощность источника, что вызывает потери в сети и снижает коэффициент мощности на входе преобразователя. Следовательно, для системы электропривода необходимо проанализировать методы повышения коэффи-
циента мощности и уменьшения гармонических искажений тока в сети. Преобразователь частоты с реактором имеет простую конструкцию, но не обладает высокой эффективностью. Преобразователь частоты с многоимпульсным выпрямителем будет использовать несколько выпрямительных цепей в сочетании с трансформатором для устранения гармоник высокого порядка. Преобразователь частоты с реактором имеет простую структурную схему, но не обладает высокой эффективностью. Преобразователь частоты с многоимпульсным выпрямителем будет использовать несколько выпрямительных цепей в сочетании с трансформатором для устранения гармоник высокого порядка. Метод активного фильтра будет производить волны тока той же амплитуды, но с противоположным фазовым углом к гармоникам, генерируемым нагрузкой, что устраняет большинство гармоник высокого порядка и способно компенсировать реактивную мощность.
Цель исследования
Повышение энергетической эффективности электропривода конвейера с минимизацией его влияния на качество электрической энергии карьерной сети за счёт использования активных выпрямителей с системой прямого управления мощностью в многоинверторных преобразователях частоты.
Методы исследования
В данном исследовании использованы следующие методы: изучение научной литературы, компьютерное моделирование, выполненное в программном комплексе MatLab.
Результаты
В преобразователях частоты используются активные выпрямители с прямым управлением активной и реактивной мощностью, коэффициент мощности близок к единице, обмен энергией происходит в двух направлениях между двигателем и сетью. В статье сравнивается эффективность методов при рассмотрении системы частотно-регулируемого электропривода конвейеров.
Ключевые слова: активный выпрямитель, активный фильтр, многоимпульсный выпрямитель, прямое управление мощностью, прямое управление моментом, электропривод конвейера
IMPROVING THE POWER FACTOR AND REDUCING THE HARMONICS OF THE POWER SUPPLY CURRENT IN THE ELECTRIC DRIVE SYSTEM OF CONVEYORS
Relevance
Currently, frequency converters with diode rectifiers are very often used in conveyor drive systems. However, frequency converters generate current harmonics, adversely affecting the quality of the network and the durability of electrical equipment. In the electric drive system, the induction motor consumes the reactive power of the source, which causes losses in the network and reduces the power factor at the input of the converter. Therefore, for the electric drive system, it is necessary to analyze methods for improving the power factor and reducing harmonic distortion of the current in the network. The reactor frequency converter has a simple structure but does not have high efficiency. A frequency converter with a multi-pulse rectifier will use multiple rectifier circuits in combination with a transformer to eliminate high order harmonics. The reactor frequency converter has a simple structure but does not have high efficiency. A frequency converter with a multi-pulse rectifier will use multiple rectifier circuits in combination with a transformer to eliminate high order harmonics. The active filter method will produce current waves of the same amplitude but opposite phase angle to the harmonics generated by the load, which eliminates most high-order harmonics and can compensate for reactive power.
Aim of research
Improving the energy efficiency of the conveyor electric drive with minimizing its impact on the quality of the electric power of the quarry network through the use of active rectifiers with a direct power control system in multi-inverter frequency converters.
Research methods
In this study, the following methods were used: the study of scientific literature, computer simulation performed in the MatLab software package.
Results
The frequency converters use active rectifiers with direct control of active and reactive power, the power factor is close to unity, and the energy exchange occurs in two directions between the motor and the network. The article compares the effectiveness of methods when considering a system of the frequency-controlled electric drive of conveyors.
Keywords: active rectifier, active filter, multi-pulse rectifier, direct power control, direct torque control, conveyor drive
В настоящее время в преобразователях частоты (ПЧ) используются выпрямители, которые вызывают в сети искажения формы тока и напряжения. Гармоники тока и напряжения оказывают большое влияние на качество электроэнергии, передачу электроэнергии, режим работы и срок службы электрооборудования горных предприятий [1]. В системах электроприводов переменного тока преобразователи частоты потребляют реактивную мощность из сети. Это приводит к потерям в линиях и снижению коэффициента мощности на входе ПЧ [2]. Некоторые решения для уменьшения уровня гармоник и повышения коэффициента мощности в системе привода с частотным регулированием широко применяются, например выходные реакторы и пассивные фильтры [3]. Однако использование многоимпульсного выпрямителя, активного фильтра (АФ) и ПЧ с активным выпрямителем имеет много преимуществ в повышении качества сетевого питания [4].
Многоимпульсный выпрямитель позволит устранить определенные гармоники в зависимости от количества выпрямителей, гарантируя, что общее гармоническое искажение (Total Harmonic Distortion (THD)) находится в допустимом диапазоне. В настоящее время ПЧ с активными выпрямителями постепенно
заменяют диодные выпрямители [5]. Метод прямого управления мощностью (Direct Power Control (DPC)) в активном выпрямителе обеспечивает контроль активной и реактивной мощности сети. Преимущество метода в том, что величина компенсации реактивной мощности может регулироваться [6].
Режимы работы двигателей конвейеров также влияют на качество электроэнергии на входе ПЧ [7]. В статье используется метод DPC для управления скоростью и крутящим моментом двигателей конвейеров с разными режимами работы [8]. Посредством рабочих режимов двигателей будут оцениваться преимущества и недостатки многоимпульсного выпрямителя, активного фильтра и активного выпрямителя в системе электропривода конвейерного двигателя [9].
6-пульсный выпрямитель обычно используется в современных промышленных преобразователях частоты, но имеет недостаток, заключающийся в искажении тока питания источника существующими гармоническими составляющими тока 5-, 7-, 11-, 13-, 17-, 19-го порядков. Чтобы уменьшить THD, вызванное работой 6-пульсного выпрямителя, можно использовать 12-пульсный выпрямитель, как показано на рисунке 1. В 12-пульсном выпрямителе используются два 6-пульсных выпрямителя, включен-
ных параллельно (12 диодов) для формирования постоянного напряжения на выходе. Это устраняет 5-ю и 7-ю гармоники с большой амплитудой и снижает THD сетевого тока на входе ПЧ [10].
В статье анализируются только результаты работы 12-пульсного выпрямителя в системе электропривода конвейерного двигателя.
Активный фильтр
Активные фильтры включают в себя активные выпрямители (на базе ЮВТ-транзисторов) и датчики измерения напряжения и тока (рисунок 2). Согласно теории мгновенной мощности от Акаги [11], в электрической системе мгновен-
ную мощность p и мгновенную реактивную мощность q нагрузки можно разделить на две составляющие: компоненту (р, с|), соответствующую основной частоте тока нагрузки, и осциллирующую компоненту (р, ф, соответствующую гармонической волне высокого порядка [5]. Теория Акаги позволяет выбирать сигналы нужной частоты, что является основой для разработки активных фильтров [11].
Структура управления АФ, как показано на рисунке 3, с трехфазной электрической системой, где компонент тока ^ не существует, удовлетворяет условию i + I + i = 0.
Рисунок 1. Схема электропривода с 12-пульсным выпрямителем и асинхронными двигателями
Figure 1. Scheme of an electric drive with a 12-pulse rectifier and asynchronous motors
АФ — активный фильтр
АФ — active filter
Рисунок 2. Схема электропривода с активным фильтром
Figure 2. Scheme of an electric drive with an active filter
Рисунок 3. Структура управления активным фильтром Figure 3. Active filter control structure
Ток нагрузки ¿ь = [¿¿а Ььь 1Ьс\т и напряжение источника щ = [иа Щ ис]т преобразуются в систему координат ав путем преобразования Кларка [11]:
1 О
иа иР
1 1 " иа
2 VI 2 щ Мс. ; (1)
2 2 .
1 1 " ha
2 V3 2 _ л/3 кь • (2)
2 2 . hc-
(3)
Уравнения (1) и (2) определяют суммарную мгновенную мощность нагрузки в системе координат ав:
5 = и. Г = (иа + ]ир). (¡а - ]. 5 = (иа1а + ир1р) + ^и^« - иа1р). Таким образом, мгновенная активная мощность и реактивная мощность определяются:
Р = и«*« + ир1р = Р + р; (4) q = ир1а - иа1Р = ч + £1. (5)
Уравнения (4) и (5) будут вычислять i, ^ следующим образом:
их + и
Э
ip =
является нестабильным, поэтому, чтобы обеспечить постоянное напряжение на конденсаторе, источник питания должен обеспечивать необходимый уровень мощности р0 фильтра.
АФ обеспечивает мощность рАФ и qАФ в сети следующим образом:
РАФ = Р - Р - Р + Ро = -Р + Ро; (8)
Чаф = -Ч - Ч- (9)
Из формул (6)-(9) рассчитывается ток компенсации следующим образом:
¡г,
гтттт (Раф- и« + ЧАФ- ир);
Ua+Up
!сР -
u£ + u;
(рдф-Up - ЧАФ-и<х).
(3
(10) (11)
Из формул (6)-(11) видно, что ток сети в системе координат ав будет повторно проверен, когда будет произведена компенсация, и в результате будет получен только основной компонент гармонической волны (^ = ^ + iC):
1 (р + р0).иа; (12)
= 1 г
+ ÏCT
us+us
(p.ua + q.up); (6)
(p.up-q.ua). (7)
isp - icp + ip -
ц2
(p + p0).up. (13)
и2 +ц|
Активный фильтр отвечает за обеспечение составляющей мощности переменного тока р от значения р и реактивной мощности q, включая составляющие ^ и с|. Кроме того, напряжение на конденсаторе
Уравнения (10) и (11) вычисляют необходимый ток компенсации в системе координат ав с двумя функциями фильтрации гармоник и компенсации реактивной мощности. Из компенсационного тока в системе ав ток, подлежащий компенсации в реальной системе координат
- 67
abc, будет рассчитываться по формулам (1), (2), (10) и (11):
г 1
ГГ 1
I* lcb Icref
i* . cc. >
1 2 1 2
О
V3 2
_л/3 2
Lca icß
(14)
Таким образом, алгоритм управления активным фильтром, основанный на теории мгновенной мощности р^, рассчитывает требуемый ток компенсации, чтобы установить значение для внутреннего контура. Внутренний контур управляет активным фильтром для создания мгновенного тока компенсации, уравновешивает гармонические токи, генерируемые нагрузкой.
Метод прямого управления мощностью фРС) основан на схемах, которые управляют мгновенной активной и мгно-
" V-» т-ч
венной реактивной мощностью. В структуре DPC состояния переключения преобразователя выбираются на основе разницы между вычисленным значением и регулируемым значением активной мощности р и реактивной мощности q.
Оценка мощности является важной частью системы. Цель такой оценки состоит в том, чтобы определить расчетную мощность и затем сравнить ее с установленной мощностью для формирования корректного сигнала управления [2].
Структурная схема преобразователя частоты (см. рисунок 3) показывает, что
использование одного активного выпрямителя в сочетании с тремя инверторами напряжения уменьшит размер устройств.
Для оценки качества работы электропривода конвейеров предположим, что скорость и момент возрастают, а затем резко уменьшаются. Это является двумя наиболее важными изменениями при работе асинхронного двигателя конвейеров. Модель системы электропривода была разработана для обеспечения стабильной работы при резком изменении момента нагрузки Мс (рисунок 4).
Результаты моделирования
В данной работе было использовано программное обеспечение МайаЬ& Simulink для моделирования системы электропривода.
На рисунке 5 показан процесс плавного пуска и останова электропривода. Из характеристик электромагнитного момента и скорости вращения трех конвейерных двигателей видно, что прямое управление моментом двигателя обеспечивает высокое качество управления без перерегулирования скорости и электромагнитного момента.
Рисунок 6 показывает, что форма тока и значение коэффициента мощности у электропривода с активным фильтром лучше, чем у методов с реактором на входе преобразователя частоты и 12-пульсным выпрямителем.
Сеть
■ Лента 1
_ Лепта 2
а)
Лента 3
b)
Рисунок 4. Схема электропривода с активным выпрямителем (а), структурная схема
прямого управления мощностью АВН (b)
Figure 4. Diagram of an electric drive with an active rectifier (а), block diagram of the direct power control of the active rectifier (b)
М, Нм, ю, об/м
1000
-1000 а)
/ / h \ у V
г \ г—
М, Нм, ю, об/м
1500
М, Нм, ю, об/м
ТОО 500 О
-500 -1000
/ \1 \
/ \
А 1 \2 \
1000
-1000
t,C b)
С)
г
\
Л С
а) первый АД; b) второй АД; с) третий АД; скорости (1) и моменты (2) двигателей с использованием метода DTC соответствуют реальному грузопотоку на ленте
a) the first IM; b) the second IM; c) the third IM; the speeds (1) and torques (2) of the engines using the DTC method correspond to the real cargo flow on the belt
Рисунок 5. Процесс плавного пуска и останова электропривода
Figure 5. The process of soft start and stop of the electric drive
да
—
а)
5
Mc1
Ш
"П
Мс2
Jo,
4
МсЗ .0-1,
- I
IMJ |
Iabc, A
500
Iabc, A
Км
1.65 1.66 1.67 1.68 t,C C) 165
1 — измеритель тока; 2 — расчет тока компенсации; 3 — индуктор связи; 4 — измерение тока компенсации; 5 — трехфазный IGBT мост; 6 — блок расчета потерь активной мощности а) структурная схема модели с активным фильтром; b) график формы тока сети c 12-пульсным выпрямителем; c) график формы тока сети c активным фильтром; d) коэффициента мощности Км: 1 — при использовании диодного выпрямителя с реактором (Км = 0,9-0,94), 2 — при использовании активного фильтра (Км ~ 1), 3 — при использовании 12-пульсного выпрямителя
1 — current meter; 2 — calculation of the compensation current; 3 — coupling inductor;
4 — compensation current measurement; 5 — three-phase IGBT bridge;
6 — block for calculating active power losses a) block diagram of the model with an active filter; b) graph of the current shape of the network with a 12-pulse rectifier; c) graph of the current shape of the network with an active filter; d) power factor Km: 1 — when using a diode rectifier with a reactor (Km = 0.9-0.94),
2 — when using an active filter (Km ~ 1), 3 — when using a 12-pulse rectifier
Рисунок 6. Математическая модель моделирования системы электропривода
Figure 6. Mathematical model for simulation of the electric drive system
- 69
Электротехнические и информационные комплексы и системы. № 2, v. 18, 2022
Рисунок 7, Ь и рисунок 5 показывают, что электропривод конвейеров работает стабильно на заданной скорости, ток сети близок к синусоидальной форме основной частоты (ТНБ^ном) = 0,46 %), что является лучшим результатом, чем при использовании 12-импульсного выпрями-
теля и активного фильтра. Когда двигатели работают в режиме рекуперативного торможения, энергия возвращается в сеть через активный выпрямитель. Используя активный выпрямитель и метод активного фильтра, коэффициент мощности улучшается Км ~ 1.
Ia,A
Км
THDj
-FFT analysis —
Fundamental (50Hz) A= 366, THD= 0.46%
I 0.2
0.1
1° ч 20
Harmonic order
a) структурная схема модели с активным выпрямителем с алгоритмом прямого управления мощностью; b) форма тока сети; c) коэффициент мощности Км ~ 1; d) коэффициент искажения тока сети при стабильной работе двигателей
a) block diagram of the model with an active rectifier with a direct power control algorithm; b) grid current shape; c) power factor Km ~ 1; d) grid current distortion factor with stable
operation of motors
Рисунок 7. Математическая модель моделирования системы электропривода Figure 7. Mathematical model for modeling the electric drive system
Выводы
Результаты моделирования показывают, что 12-импульсный выпрямитель, активная фильтрация и активный выпрямитель уменьшают гармоники сетевого тока и увеличивают коэффициент мощности на входе системы электропривода конвейеров. Двигатели конвейера рабо-
тают в устойчивом состоянии при изменении грузопотока нагрузки на ленте. В преобразователе частоты используется активный выпрямитель, который не только уменьшает гармоники и компенсирует реактивную мощность, но также регулирует напряжение постоянного тока в промежуточной цепи преобразователя.
Энергия также передается в двух направлениях между сетью и двигателем, таким образом происходит экономия электроэнергии для системы. В системах электропривода с несколькими конвейерными двигателями использование ПЧ с актив-
Список источников
1. Абрамович Б.Н., Сычев Ю.А., Зимин Р.Ю. Оценка эффективности гибридных систем коррекции формы кривых тока и апряжения в электрических сетях с распределенной генерацией // Промышленная энергетика. 2018. № 1. С. 45-54.
2. Козярук А.Е., Камышьян А.М. Improving the Energy Efficiency of the Electromechanical Transmission of an Open-Pit Dump // Journal of Mining Institute. 2019. Vol. 239. P. 576-582. DOI: 10.31897/PMI.2019.5.576.
3. Costabeber A., Tenti P., Caldognetto T., Verri E. Selective Compensation of Reactive, Unbalance, and Distortion Power in Smart Grids by Synergistic Control of Distributed Switching Power Interfaces // 15th European Conference on Power Electronics and Applications (EPE). 2013. Vol. 1. P. 1-9.
4. Meshcheryakov V.N., Khabibullin M.M., Pikalov V.V., Valtchev S. Active Power Filter with Common DC Link for Compensation of Harmonic Distortion in Power Grids // 16th International Power Electronics and Motion Control Conference and Exposition (PEMC 2014). 2014. P. 1586-1590.
5. Абрамович Б.Н., Устинов Д.А., Abdallah W.J. Development and Design of a Mobile Power Plant in the Form of a Standalone Power Supply // IOP Conf. Series: Journal of Physics: Conf. Series. 2020. Vol. 1753(2021). DOI: 10.1088/1742-6596/1753/1/012006.
6. Лепалов М.Г., Розанов И.К. Operation Modes of Converters with SMES on DC-Side Used for Improving of Electrical Systems Efficiency // 15th International Power Electronics and Motion Control Conference and Exposition, EPE-PEMC 2012 ECCE Europe. 2012. P. 6397438.
7. Заголило С.А., Семенов А.С., Семенова М.Н., Якушев И.А. Компьютерное моделирование многодвигательной системы электропривода в пакете программ MatLab // Моделирование, оптимизация и информаци-
ным выпрямителем имеет преимущество, поскольку использование одного активного выпрямителя в сочетании с тремя инверторами напряжения уменьшит размер устройств.
онные технологии. 2020. Т. 8. № 2(29). С. 1-18.DOI: 10.26102/2310-6018/2020.29.2.012.
8. Пронин М.В., Воронцов А.Г. Электро-механотронные комплексы и их моделирование по взаимосвязанным подсистемам. СПб: Ладога, 2017. 177 с.
9. Кондрахин В.П., Стадник Н.И., Бе-лицкий П.В. Измерение грузопотока на ленточном конвейере с помощью съемного тен-зоизмерительного устройства с учетом натяжения ленты // Горная электромеханика. 2013. № 1. С. 79-87.
10. Костин В.Н., Сериков В.А., Шерстен-никова И.А. Higher Harmonics and Limiting Thereof in Power Supply Systems of Different Voltages // IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. 2019. Vol. 378 (1). 012051. DOI: 10.1088/1755-1315/378/1/ 012051.
11. Hirofumi A., Edson H.W., Aredes M. Instantaneous Power Theory and Applications to Power Conditioning // Institute of Electrical and Electronic Engineers. 2017. 454 p. DOI:10.1002/9781119307181.
References
1. Abramovich B.N., Sychev Yu.A., Zi-min R.Yu. Otsenka effektivnosti gibridnykh sistem korrektsii formy krivykh toka i aprya-zheniya v elektricheskikh setyakh s raspre-delennoi generatsiei [Estimation of the Effectiveness of Hybrid Systems for Correcting the shape of Current and Voltage Curves in Electrical Networks with Distributed Generation]. Promyshlennaya energetika - Industrial Energy, 2018, No. 1, pp. 45-54. [in Russian].
2. Kozyaruk A.E., Kamysh'yan A.M. Improving the Energy Efficiency of the Electromechanical Transmission of an Open-Pit Dump. Journal of Mining Institute, 2019, Vol. 239, pp. 576-582. DOI: 10.31897/PMI.2019.5.576.
3. Costabeber A., Tenti P., Caldognetto T., Verri E. Selective Compensa-tion of Reactive, Unbalance, and Distortion Power in Smart Grids
by Synergistic Control of Distributed Switching Power Interfaces. 15th European Conference on Power Electronics and Applications (EPE), 2013, Vol. 1, pp. 1-9.
4. Meshcheryakov V.N., Khabibullin M.M., Pikalov V.V., Valtchev S. Active Power Filter with Common DC Link for Compensation of Harmonic Distortion in Power Grids. 16th International Power Electronics and Motion Control Conference and Exposition (PEMC 2014), 2014, pp. 1586-1590.
5. Abramovich B.N., Ustinov D.A., Abdallah W.J. Development and De-sign of a Mobile Power Plant in the Form of a Standalone Power Supply. IOP Conf. Series: Journal of Physics: Conf. Series, 2020, Vol. 1753(2021). DOI: 10.1088/1742-6596/1753/1/012006.
6. Lepalov M.G., Rozanov I.K. Operation Modes of Converters with SMES on DC-Side Used for Improving of Electrical Systems Efficiency. 15th International Power Electronics and Motion Control Conference and Exposition, EPE-PEMC 2012 ECCE Europe. 2012, pp. 6397438.
7. Zagolilo S.A., Semenov A.S., Semenova M.N., Yakushev I.A. Kom-p'yuternoe mode-lirovanie mnogodvigatel'noi sistemy elektro-privoda v pakete programm MatLab. Modeliro-vanie, optimizatsiya i informatsionnye tekhno-logii - Modeling, Optimization and Information
Technologies, 2020, Vol. 8, No. 2(29), pp. 1-18. DOI: 10.26102/2310-6018/2020.29.2.012. [in Russian].
8. Pronin M.V., Vorontsov A.G. Elektrome-khanotronnye kompleksy i ikh modelirovanie po vzaimosvyazannym podsistemam [Electrome-chanotron Complexes and Their Modeling by Interconnected Subsystems]. Saint-Petersburg, Ladoga Publ., 2017. 177 p. [in Russian].
9. Kondrakhin V.P., Stadnik N.I., Belits-kii P. V. Izmerenie gruzo-potoka na lentochnom konveiere s pomoshch'yu s"emnogo tenzoiz-meritel'nogo ustroistva s uchetom natyazheniya lenty [Measurement of Cargo Flow on a Belt Conveyor Using a Removable Strain Gauge Device Taking into Account the Tension of the Belt]. Gornaya elektromekhanika - Mining Electromechanics, 2013, No. 1, pp. 79-87. [in Russian].
10. Kostin V.N., Serikov V.A., Sherstennikova I.A. Higher Harmon-ics and Limiting Thereof in Power Supply Systems of Different Voltages. IOP Conference Series: Earth and Environmental Science, 2019, Vol. 378 (1), P. 012051. DOI: 10.1088/1755-1315/378/1/012051.
11. Hirofumi A., Edson H.W., Aredes M. Instantaneous Power Theory and Applications to Power Conditioning. Institute of Electrical and Electronic Engineers. 2017. 454 p. D0I:10. 1002/9781119307181.
