CC BY
8
2021 Электротехника, информационные технологии, системы управления № 37 УДК 621.316.72
DOI: 10.15593/2224-9397/2021.1.03
В.Г. Сугаков, Н.С. Варламов, Ю.С. Малышев
Волжский государственный университет водного транспорта, Нижний Новгород, Россия
ВЛИЯНИЕ ИЗМЕНЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ИСТОЧНИКА ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ НА ВЫХОДНОЕ НАПРЯЖЕНИЕ БЕСТРАНСФОРМАТОРНОГО НЕПОСРЕДСТВЕННОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ЧАСТОТЫ
Качество электрической энергии в электроэнергетической системе объектов водного транспорта непосредственно связано с режимами эксплуатации судна и типом применяемого генераторного агрегата. Например, в стояночных режимах судна с погрузкой или в режимах маневрирования при включении электродвигателей от судовой электростанции соизмеримой мощности параметры напряжения могут выходить за пределы допустимых значений, что приводит к различным негативным последствиям: уменьшению производительности исполнительных механизмов и систем, появлению сбоев в работе систем управления, сокращению срока службы электрических машин и т.д. В настоящее время помимо разработок устройств, адаптивных к нестабильности параметров напряжения, ведутся изыскания в области энергосберегающих решений. Одним из перспективных решений в этой области является применение в судовой электростанции дизель-генераторов с переменной частотой вращения, которые позволяют уменьшить удельный расход топлива и горючесмазочных материалов по сравнению с двигателями внутреннего сгорания с постоянной частотой вращения при работе на долевых нагрузках. Однако главной особенностью таких генераторных агрегатов является изменение частоты напряжения на выходных клеммах генератора. Недостатком технических решений на основе использования непосредственных преобразователей частоты является зависимость параметров выходного напряжения от изменения параметров напряжения источника электроэнергии. Цель исследования: разработка имитационной модели бестрансформаторного непосредственного преобразователя частоты для анализа её выходных параметров при изменении параметров напряжения источника электроэнергии. Методы: для исследования разработанного устройства выполнен ряд опытов на основе имитационной модели в среде MatLab. Результаты: разработанное устройство обеспечивает подключение выходных зажимов к наиболее подходящему напряжению питающей сети при формировании выходного напряжения с заданными значениями амплитуды и частоты напряжения. Частота выходного напряжения не зависит от частоты напряжения источника электроэнергии. Формирование выходного напряжения обеспечивается в диапазоне от 11 до 100 % амплитуды линейного напряжения источника электроэнергии при коэффициенте нелинейных искажений не более 25 %. Практическая значимость: результаты анализа показали возможность применения бестранформаторного непосредственного преобразователя частоты для питания частотно-управляемых электроприводов переменного тока в автономных энергоустановках с переменной частотой вращения привода генератора с целью получения стабильной частоты выходного напряжения.
Ключевые слова: непосредственный преобразователь частоты, судовая электроэнергетическая система, параметры напряжения, моделирование.
V.G. Sugakov, N.S. Varlamov, Yu.S. Malyshev
Volga State University of Water Transport, Nizhny Novgorod, Russian Federation
INFLUENCE OF CHANGE A PARAMETERS OF AN ELECTRIC POWER SOURCE ON A OUTPUT VOLTAGE OF THE TRANSFORMER-FREE DIRECT FREQUENCY CONVERTER
The quality of electrical energy related to modes of operation and a type of generator in the electric power system of water transport. For example, voltage parameters can go beyond the permissible values in parking modes of vessel with loading or in maneuvering modes. This leads to various negative consequences: a decrease in the performance of actuators and systems, the appearance of failures in the operation of control systems, and a reduction in a service life of electric machines etc. At present, in addition to a development of devices with adapt to instability of voltage parameters, research carried out of energy-saving solutions. One of a promising solution is the use of variable speed diesel generators in a ship power plant. This can reduce a specific consumption of fuel and lubricants as compared to internal combustion engines with a constant speed, when operating at shared loads. However, the main feature of such generator is the change in a voltage frequency at the output terminals of generator. The disadvantage of direct frequency converters is a dependence of the output voltage parameters on changes of voltage parameters of power source. Purpose: creating a simulation model of transformer-free direct frequency converter for analysis of the model output parameters while changing the parameters of power supply voltage. Methods: to research the proposed device a number of experiments performed base on a simulation model in the MatLab environment. Results: the transformer-free direct frequency converter provides connection of output terminals to the most appropriate voltage of power supply while forming the output voltage with the given values of voltage amplitude and frequency. The frequency of output voltage is independent of frequency voltage of power source. The output voltage provided in the range from 11 to 100 % of amplitude line voltage of the power source with a total harmonic distortion of not more than 25 %. Practical relevance: the results of the analysis showed the possibility of using a transformer-free direct frequency converter to power frequency-controlled AC drives in self-contained power plants with a variable speed generator drive in order to obtain a stable output voltage frequency.
Keywords: direct frequency converter, ship electric power system, total harmonic distortion, modeling.
Введение
В настоящее время полупроводниковые преобразователи электрической энергии являются неотъемлемой частью электротехнических комплексов и систем на объектах водного транспорта [1-3].
Работа полупроводниковых преобразователей в судовой электроэнергетической системе (СЭЭС) зависит от режимов эксплуатации судна [4, 5] и от взаимного влияния преобразователей, судовой электростанции и потребителей электроэнергии [6-10]. Степень взаимного влияния в основном определяется типом и соотношением мощностей преобразователей, генераторных агрегатов и других потребителей электрической энергии. Влияние изменения параметров напряжения
источника электроэнергии заключается не только в снижении надежности и эффективности работы, но и в изменении параметров выходного напряжения преобразователя [11-13]. Особенно для серийно выпускаемых устройств, которые разрабатываются для работы при стабильных параметрах электрической энергии.
Помимо этого на данный момент ведутся разработка и внедрение на объекты водного транспорта энергосберегающих решений СЭЭС на основе дизель-генераторов переменной частоты вращения [14-16]. Данные системы позволяют перевести режим работы электростанции в наиболее экономичный по расходу топлива во всем диапазоне изменения нагрузок [17, 18]. Главной особенностью предложенных систем является изменение частоты напряжения на выходных клеммах генератора.
Таким образом, обеспечение требуемого качества электрической энергии [19-21] и эффективной работы полупроводниковых преобразователей электрической энергии при изменении параметров источника электрической энергии было и остается актуальной задачей. Несмотря на разнообразие технических решений, большинство разработанных устройств предназначено для применения в промышленных сетях и не учитывает особенности работы в СЭЭС. Недостатком непосредственных преобразователей частоты (НПЧ) [22], которые разрабатываются для систем с постоянной частотой напряжения, является зависимость параметров выходного напряжения от изменения амплитуды и частоты напряжения источника электроэнергии.
Устранение указанных недостатков возможно путем применения бестрансформаторного непосредственного преобразователя частоты (БТНПЧ) [23], который формирует выходное напряжение с заданными параметрами напряжения и обеспечивает подключение выходных зажимов к наиболее подходящему напряжению питающей сети вне зависимости от вариации ее параметров (амплитуды, частоты и формы кривой напряжения).
Целью данной работы является анализ параметров выходного напряжения БТНПЧ при изменении параметров источника электроэнергии.
1. Методы и материалы
Источник питания для БТНПЧ имеет трехфазную систему напряжений с выведенной нулевой точкой. Эта система позволяет иметь три прямых фазных напряжения Цао, иВ0, Усо и соответствующие обратные фазные напряжения и0А, и0В, и0С, а также три прямых линей-
ных напряжений ЦаВ, иВС, иСА и соответствующие обратные линейные напряжения иВА, Цв, Цас- Из этих напряжений можно создать систему двенадцати напряжений, имеющих фазовый сдвиг 30о.
Имитационная модель БТНПЧ представлена на рис. 1.
Y1-Y12
Х55 1
А
В
C 2
N
10
Рис. 1. Структурная схема имитационной модели БТНПЧ
Элементы 1 (из) и 2 (f) являются блоками задания амплитуды и частоты эталонного синусоидального напряжения, а элемент 3 (Start) совместно с элементом 5 (Logical Operator1) осуществляет ввод в работу БТНПЧ. Элементы L1, L2, L3 и N являются входными клеммами БТНПЧ, а на клеммах T1 и T2 формируется выходное напряжение.
Формирование эталонной формы выходного напряжения осуществляется с помощью блоков 4 (Divide1, Divide2, Sine1 и Abs1) и 6 (Constant1, Integrator1 и Transport Delay1) совместно с компаратором 7. Компаратор 7 формирует единичный сигнал в моменты, когда текущее время, формируемое блоком 6, превышает значение времени, соответствующее заданной частоте эталонного сигнала.
Формирование выходного напряжения на выходе БТНПЧ осуществляет блок 10 (рис. 2). Блок 11 (Counter1, Transport Delay1, Compare To Constant1 и Compare To Constant2) совместно с RS-триггером 12 (S-R Flip-Flop1) и полупроводниковыми вентилями VT1-VT28 осуществляет формирование положительного и отрицательного полупериода выходного напряжения.
Полупроводниковые вентили, входящие в анодную и катодную подгруппы, осуществляют коммутацию нагрузки в соответствии с работой блоков 8 и 9.
Рис. 2. Структурная схема имитационной модели блока 10 БТНПЧ
Блок измерения напряжений 8 (см. рис. 1) состоит из двенадцати измерителей напряжения Voltage Measurementl-Voltage Measurement 12, двенадцати блоков вычитания Add1-Add12 и двенадцати блоков модуля Abs1-Abs12. Данный блок формирует сигналы AU1, AU2, ... AU12 модуля отклонений мгновенных напряжений входных напряжений от заданного эталонного напряжения иЭ в соответствии с выражением:
где AU1 — AU12 - модули отклонения напряжения; u1 — u12 - напряжения, формируемые на входах блока 8; иэ - эталонное напряжение; uAN,uBN,uCN - прямые фазные напряжения; uNA,uNB,uNC - обратные фазные напряжения; uAB,uBC,uCA - прямые линейные напряжения; uBA,uCB,uAC - обратные линейные напряжения.
Блок формирования управляющих импульсов 9 (см. рис. 1) формирует импульсы управления на вентили силовой части БТНПЧ на основе напряжений AU1 — AU12 и состоит из двенадцати элементов логического «И» A1-A12 и одиннадцати блоков выбора наименьшего напряжения (БВНН) V1-V11 [23]. При этом формирование импульсов управления происходит в соответствии с выражением:
' AUi = К — ua1 = luAN — Uab AU2 = lu2—u3l = ^AC—ual AU3 = lu3—u3l = ^NC — ual AU4 = lu4 — ual = IUBC — ual, AU5 = lu5—ual = ЫBN —ual AU6 = lu6 — ual = ЫАВ — ual AU7 = lu7 — ual = luNA —ual AUg = lu8—ual = hCA — ual AU9 = lu9 — ual = luCN — ual AU10 = lu10 — ual = luCB — ua1 AUlt = luii — ual = luNB — ua1, \AUi2 = lu12 — ual = luAB — ua1,
(1)
(2)
где Y\—Y\2 - управляющие импульсы на вентили преобразователя; Uq™ - сигнал с первого выхода БВНН; Uq2 - сигнал со второго выхода БВНН; n - порядковый номер блока БВНН, n = 1...11; UAN,UBN,UCN -прямые фазные напряжения; UNA, UNB, UNC - обратные фазные напряжения; UAB, UBC, UCA - прямые линейные напряжения; UBA, UCB, UAC -обратные линейные напряжения.
Блоки V1—V11 осуществляют выбор предпочтительного напряжения для использования в формировании выходного напряжения и формируют управляющие импульсы на управляющие вентили БТНПЧ. Каждый блок V1—V12 состоит из элементов Productl, Product2, Relation Operatorl - Relation Operator3, Logical Operatorl, Suml, S-R Flip-Flopl. Формирование выходных сигналов Ql, Q2 и outC осуществляется на основании сигналов на первом InA и втором InB входах блока в соответствии с выражением:
где и$[пА и и¡пб - сигналы соответственно на входе 1пА и 1пБ; иЩ^ -сигналы на выходах блока БВНН оМС соответственно.
При этом на первом входе блока БВНН VI присутствует сигнал Аи1 = \иАМ — иЭ\, а на втором входе - Аи2 = \иАС — иЭ\. На первом входе блока БВНН V2 присутствует сигнал Аи3 = \и1^с — иэ\, а на втором входе - Аи4 = \иБС — иЭ\ . На первом входе блока БВНН V3 присутствует сигнал Аив = \иБМ — иЭ\ , а на втором входе -Аи6 = \иАБ — иЭ\. На первом входе блока БВНН V4 присутствует сигнал Аи7 = \иМА — иЭ\, а на втором входе - Аи8 = \иСА — иЭ\. На первом входе блока БВНН V5 присутствует сигнал Аи9 = \иС1ч — щ\, а на втором входе - Аи10 = \иСБ — иЭ\. На первом входе блока БВНН V6 присутствует сигнал Аи11 = \иМБ — иЭ\ , а на втором входе -Аи12 = \иАБ — иЭ\. На первом входе блока БВНН V? присутствует сигнал и(^)1*С, а на втором входе - и()*.С. На первом входе блока БВНН V8 присутствует сигнал , а на втором входе - и(и[С. На первом входе
(3)
блока БВНН V9 присутствует сигнал Uoutc, а на втором входе — Uoutc. На первом входе блока БВНН V10 присутствует сигнал //OUtC, а на втором входе - /Utc ■ На первом входе блока БВНН V11 присутствует сигнал /Utc, а на втором входе - /(Utc ■
Таким образом, при формировании выходного напряжения с заданными параметрами в любой момент времени обеспечивается подключение выходных зажимов к наиболее подходящему напряжению питающей сети вне зависимости от вариации её параметров (амплитуды, частоты, формы кривой напряжения), что обеспечивает расширение функциональных возможностей НПЧ.
2. Входные параметры модели
Исследование и анализ выходного напряжения ивых осуществляются в соответствии со структурной схемой, предложенной в работе [24].
Входные параметры имитационной модели БТНПЧ
Наименование параметра Обозначение Значение параметра Единица измерения
Частота напряжения источника электроэнергии ./ист 1-60 Гц
Амплитуда линейного напряжения источника электроэнергии UmncT 14,14-2610,2 В
Значение линейного напряжения источника электроэнергии UHCT 10-1845,7 В
Заданная амплитуда выходного напряжения БТНПЧ итзад 122,6-565,7 В
Заданное значение частоты выходного напряжения /зад 1-60 Гц
Время начала формирования выходного напряжения ^нач 0,042 с
Мощность нагрузки на выходе БТНПЧ (при еоБф = 1) Рн 4 кВт
3. Результаты исследования
На рис. 3 представлены выходные характеристики БТНПЧ. Значение частоты выходного напряжения /вых вычислялось с помощью блоков измерения Fourier и Frequency и настраивалось относительно заданной частоты выходного напряжения /.ад. Относительное отклонение частоты выходного напряжения 5/вых определялось по формуле
5, = |,max _ ,min|/, (4)
"У вых |7 вых 7 вых |/ У зад' W
где /вь1:аХ и /втхп - соответственно максимальное и минимальное значения частоты выходного напряжения при /зад = const и /ист = const.
Среднеквадратическое значение напряжения ивых вычислялось помощью блока RMS, в который заносились значения /Зад.
1 10 20 30 40 50 60
/ист' Гц
а
б
в
Рис. 3. Пространства выходных параметров напряжения БТНПЧ: а - пространство частоты выходного напряжения /вЬ1х; б - пространство относительного отклонения частоты выходного напряжения 5/вых; в - пространство среднеквадратического значения выходного напряжения ивых
Анализ выходных характеристик, представленных на рис. 3, позволяет сделать вывод, что частота напряжения на выходе БТНПЧ /вых соответствует значению заданной частоты /Зад и поддерживается на данном значение вне зависимости от частоты источника электроэнергии /ист. Относительное отклонение частоты 8/вых не превышает 0,25 %. Максимальное значение 8/вых = 0,24 % наблюдается при /зад = 5 Гц
и /ист = 1 Гц. При этом частота выходного напряжения может обеспечиваться как ниже, так и выше частоты источника электроэнергии.
Формирование выходного напряжения (см. рис. 3, в) обеспечивается в диапазоне значений входного напряжения 0,11-^ист < ивых < иист. Зависимости ивых(изад) и ивых(иист) в этом же диапазоне напряжений имеют практически линейный характер. При 0 < изад < 0,11 иист формируется напряжение ивых = 0,11 иист. Максимальное значение ивых не может быть выше напряжения источника электроэнергии иист, что характерно для непосредственных преобразователей частоты.
Определение влияния изменения частоты и амплитуды напряжения источника электроэнергии /ист и иист) на значение амплитуды первой гармоники выходного напряжения ит1вых и коэффициента гармонических искажений Ки (рис. 4-6) проводилось с использованием быстрого преобразования Фурье, реализованного в блоке Powergui.
и В
т1вых' В
600 500 400 300 200 100 0
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60
1
=565 7 В
м ^тзад итзад= 424,26 В
Ж^тзш =327 В
* итзад =212,1 В
1 м итзад= 122,6 В 3
,Гц
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60
б
Рис. 4. Выходные параметры БТНПЧ при изменении частоты источника электроэнергии: а - амплитуда первой гармоники, б - коэффициент нелинейных искажений
а
Ки, %
В первом случае (см. рис. 4) проводились измерения выходных параметров при изменении частоты источника электроэнергии /ист при различных заданных параметрах выходного напряжения БТНПЧ: итзад = 122,6 В, итзад = 212,1 В, итзад = 327 В, итзад = 424,26 В и итзад = 565,7 В и /зад = 20 Гц, /зад = 30 Гц, /зад = 40 Гц, /зад = 50 Гц и /зад = 60 Гц.
Изменение амплитуды выходного напряжения БТНПЧ ит1вых практически не зависит не только от значения /ист (см. рис. 4), но и заданной частоты /зад (влияние параметра /зад наиболее подробно рассмотрено в работе [24]). При этом разброс величины коэффициента Ku при изменении /ист происходит в области значений от 1 до 30 Гц на исследуемых частотах и при значении итзад = 122,6 В. В других случаях разброс величины KU практически незначителен.
В точках 1 и 2 (см. рис. 6, а, б) наблюдается резкое отклонение величин ит1вых и Ku, что связано с моментами начала формирования выходного напряжения и соотношением /ист и /зад [25]. Минимальные значения Ku наблюдается при формировании выходного напряжения синфазно с одними из фазных или линейных синусоид напряжений сети (точка 2, см. рис. 6, б). Так, чем больше эталонная синусоида совпадает с одной из синусоид входного напряжения, тем меньше амплитуда высших гармоник и, соответственно, ниже значение Ku. При этом в диапазоне 0,58 иист < ивых < иист значение коэффициента Ku не превышает 20 %.
Во втором случае, проводились измерения выходных параметров при изменении амплитуды источника напряжения итист (см. рис. 5). Измерения проводились при параметрах итзад аналогичных первому случаю.
При изменении заданной частоты /зад (см. рис. 5, а, б) соответствующим значениям 20, 30, 40, 50 и 60 Гц и при постоянной частоте напряжения источника /ист = 50 Гц влияние изменения частот /зад и /ист на амплитуду ит1вых незначительно. При этом вид характеристик, изображенных на рис. 5, в, г (/.ад = 50 Гц,/ист = 20.. .60 Гц), практически не отличаются от характеристик при /ист = const. Однако при /ист= const разброс величин ит1вых и Ku выше, чем при/зад = const.
Точки 1 (/зад = 30 Гц, /ист = 10 Гц, итзад = 122,6 В, иист=400 В, см. рис. 6, а), 2 (/зад = 60 Гц, /ист = 20 Гц, итзад = 122,6 В, иист = 400 В, см. рис. 6, б), 3 /зад= 60 Гц, /ист= 50 Гц, итзад = 565,7 В, иист= 350 В, см. рис. 6, в), 4 (/зад= 50 Гц, /ист= 50 Гц, итзад = 122,6 В, иист = 350 В, см. рис. 6, г), 5 (/зад= 50 Гц, /ист= 50 Гц, итзад = 565,7 В, иист=350 В,
см. рис. 6, д) и 6 (/зад = 50 Гц, /ист = 60 Гц, итзад = 122,6 В, иист = 350 В, см. рис. 6, е) иллюстрируют форму выходного напряжения в отдельных случаях, изображенных на рис. 3-5.
500 400 300 200 100 0
иш
500 400 300 200 100 0
0 100 200 300 400 500 а
, В
70' 60 50 40 30 20 10 0
0 100 200 300 400 500 б
Ки, %
70 60 50 40 30 20 10 0
327...565,7 В
Ч"
-С
Ч"
-с
I и в
0 100 200 300 400 500
0 100 200 300 400 500
Рис. 5. Выходные параметры БТНПЧ при изменении амплитуды напряжения источника электроэнергии: а, в - амплитуда первой гармоники при изменении заданной
частоты и частоты источника электроэнергии; б, г - коэффициент нелинейных искажений при изменении заданной частоты и частоты источника электроэнергии
600 400 200 0 -200 -400
-600 0,042
г, с
0,052
0,062
0,072
а б
Рис. 6. Форма выходного напряжения в точках 1 (а), 2 (б), 3 (в), 4 (г), 5 (д) и 6 (е)
ит1вых, В
В
в
г
ит, В
600 400 200 0 -200 -400 -600
0,042
0,047 0,052
0,057
600 400 200
I, с 0 -200 -400 -600
и„, В
0,042
0,047
0,052
0,057
г, с
0,062
600 400 200 0 -200 -400 -600
0,042 0,047 0,052 0,057 0,062
д
Рис. 6. Окончание
На рис. 7 изображены зависимости ит1вых(итист) и Ки(итист) относительно амплитуды заданного напряжения итзад. В диапазоне значений итист/ит3ад от 0 до 1 наблюдается линейная зависимость
ит1вых(Цтист) на исследуемых значениях /зад и /ист.
ит1вых /итзад' °-е-
1,4 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0
итист /Umзад,
80 60 40 20 0
Ки, %
1
1
.........1.......... ......... .........1......
1 1 2 3 4 и /и о е
тист тзад'
б
Рис. 7. Выходные параметры БТНПЧ относительно амплитуды заданного напряжения: а - амплитуда первой гармоники выходного напряжения; б - коэффициент нелинейных искажений выходного напряжения
ит, В
в
г
е
0
1
2
3
4
а
Формирование выходного напряжения БТНПЧ в диапазоне 0,5<итист/итзад<2,2 является наиболее эффективным с точки зрения уменьшения генерации гармонических искажений, так, значение коэффициента Ku, не превышает 25 %. При этом значительное увеличение Ku и уменьшение ит1вых происходят при итист/итзад > 3,5.
Необходимо отметить, что амплитуда выходного напряжения БТНПЧ не может быть больше амплитуды напряжения источника электроэнергии (см. рис. 3), несмотря на то, что в некоторых случаях значение амплитуды первой гармоники ит1вых выше амплитуды напряжения итист (см. рис. 6 и 7).
4. Обобщение результатов. Анализ полученных результатов (см. рис. 3-7) и результатов работ [24, 25] позволяет сделать следующие выводы:
- частота /вых определяется только значением /зад и не зависит от частоты источника электроэнергии /ист. Относительное отклонение частоты 5/вых не превышает 0,25 %. Изменение амплитуды ит1вых также практически не зависит от значений /ист и /.ад;
- формирование заданного выходного напряжения обеспечивается в диапазоне значений входного напряжения 0,11 иист < ивых < иист. При 0 < изад < 0,11 иист формируется напряжение ивых = 0,1 Шш, а при
изад > иист — ивых ~ иист;
- в диапазоне значений 0,5 < итист/итзад < 2,2 значение Ku не превышает 25 %. Вид характеристик ит1вых(итист) при /ист = const практически не отличается от характеристик при /зад = const;
- качество выходного напряжения во многом определяется отношением итист/итзад и моментами начала формирования выходного напряжения ?нач относительно одной из синусоид источника электроэнергии. Минимальные значения Ku наблюдается при формировании выходного напряжения с одной из наиболее подходящей синусоид входного напряжения.
Заключение
Результаты исследований имитационной модели БТНПЧ показали, что предложенное устройство в любой момент времени обеспечивает подключение выходных зажимов к наиболее подходящему эталонному сигналу входного напряжения U1-U12 вне зависимости от параметров напряжения источника электроэнергии.
Установлено, что формирование заданного выходного напряжения обеспечивается в диапазоне от 11 до 100 % амплитуды линейного напряжения источника, при этом коэффициент нелинейных искажений не превышает 25 %. Частота выходного напряжения может обеспечиваться как ниже, так и выше частоты напряжения источника. В случае, когда заданные выходные параметры напряжения и параметры напряжения сети синусоидальной формы совпадают и при синфазном формировании выходного напряжения с одной из синусоид входного напряжения, преобразователь позволяет сформировать практически синусоидальную форму выходного напряжения.
Бестрансформаторный непосредственный преобразователь частоты может быть использован для питания частотно-управляемых электроприводов переменного тока в автономных энергоустановках с переменной частотой вращения привода генератора для получения выходного напряжения стабильной частоты.
Библиографический список
1. Mukund R. Patel Shipboard Propulsion, Power Electronics and Ocean Energy. - CRC Press, 2012. - 379 p.
2. Судовые полупроводниковые преобразователи: учебник по курсу «Полупроводниковые преобразователи» / Б.Ф. Дмитриев, В.М. Рябенький, А.И. Черевко, М.М. Музыка; Сев. федер. ун-т. -2-е изд., перераб. и доп. - Архангельск: Изд-во САФУ, 2015. - 555 с.
3. Лемин Л. А, Пруссаков А.В., Григорьев А.В. Эксплуатация судовых систем электроснабжения: учеб. пособие. - СПб.: Изд-во ГМА им. адм. С.О. Макарова, 2006. - 184 с.
4. Comparative Case Study on Oscillatory Behavior in Power Systems of Marine Vessels With High Power Converters / T. Tarasiuk, P. Jankowski, V. Shagar, A. Pilat, M. Gorniak, J. Nowak // Frontiers in Energy Research. - 2021. - Vol. 8 (529756). - P. 1-14. DOI: 10.3389/fenrg.2020.529756
5. Power Quality and Energy-Efficient Operation of Marine Induction Motors / P. Gnacinski [et al.] // IEEE Access. - 2020. - Vol. 8. -P. 152193-152203. DOI: 10.1109/ACCESS.2020.3017133
6. Анисимов Я.Ф., Васильев Е.П. Электромагнитная совместимость полупроводниковых преобразователей и судовых электроустановок. - Л.: Судостроение, 1990. - 264 с.
7. Technical cross-fertilization between terrestrial microgrids and ship power systems / R.E. Hebner [et al.] // J. Mod. Power Syst. Clean Energy. -2020. - Vol. 4, № 2. - P. 161-179.
8. Mindykowski J., Szweda M., Tarasiuk T. Voltage and frequency deviations in exemplary ship's network - research for ship owner // EPQU Magazine. - 2008. - Vol. 1(2). - P. 61-67.
9. Barros J., Diego R.I. A review of measurement and analysis of electric power quality on shipboard power system networks // Renewable and Sustainable Energy Reviews. - Elsevier, 2016. - Vol. 62(C). - P. 665-672. DOI: 10.1016/j.rser.2016.05.043
10. Frequency fluctuations in marine microgrids: origins and identification tools / T. Tarasiuk, Y. Zunino, M. Bueno-Lopez, F. Silvestro, A. Pilat, M. Molinas // IEEE Electrification Magazine. - 2020. - Vol. 8(3). - P. 40-46. DOI: 10.1109/MELE.2020.3005698
11. Анисимов Я.Ф. Особенности применения полупроводниковых преобразователей в судовых электроустановка. - Ленинград: Судостроение, 1973. - 227 с.
12. Штрумпф Э.П. Судовая электроника и силовая преобразовательная техника: учебник. - СПб: Судостроение, 1993. - С. 319-335.
13. Сугаков В.Г., Варламов Н.С., Малышев Ю.С. Обоснование реализации фазосмещающего устройства с коррекцией кода в зависимости от частоты напряжения // Вестник Гос. ун-та мор. и реч. флота им. адмирала С.О. Макарова. - 2017. - № 4(44). - C. 829-837. D0I:10.21821/2309-5180-2017-9-4-829-837
14. Григорьев А.В., Колесниченко В.Ю. Повышение эффективности эксплуатации судовых дизельных электростанций // Вестник Гос. ун-та мор. и реч. флота им. адм. С.О. Макарова. - 2014. - № 6(28). -C. 39-43. DOI: 10.21821/2309-5180-2014-6-6-39-43
15. Хватов О.С., Дарьенков А.Б., Тарасов И.М. Дизель-генераторная электростанция с переменной частотой вращения вала // Вестник ИГЭУ. - 2010. - № 2. - С. 53-57.
16. Григорьев А.В., Зайнуллин Р.Р., Малышев С.М. Перспективы применения статических источников электроэнергии с системами электродвижения // Вестник Гос. ун-та мор. и реч. флота
им. адм. С.О. Макарова. - 2020. - Т. 12, № 1. - C. 829-837. DOI: 10.21821/2309-5180-2017-9-4-829-837
17. Герасимов А., Толмачев К., Уткин К. Дизель-генераторные электростанции. Работа при переменной частоте вращения дизеля // Новости электротехники: Интернет-журнал. - 2005. - № 4(34). - URL: http://www.news.elteh.ru/arh/2005/34/
18. Обухов С.Г., Плотников И. А. Экспериментальные исследования дизель-генераторной установки на переменной частоте вращения // Известия Томск. политехн. ун-та. - 2015. - Т. 326, № 6. - C. 95-102.
19. ГОСТ 32144-2013. Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения. - М.: Стандартинформ, 2014. - 6 с.
20. Правила Российского речного регистра: в 5 т. - М.: Рос. речной регистр, 2017. - Т. 2: Правила классификации и постройки судов (ПКПС). - 1885 с.
21. Правила классификации и постройки морских судов Российского морского регистра судоходства. Ч. XI: Электрическое оборудование. - СПб.: Рос. морской регистр судоходства, 2018. - 131 с.
22. Power electronics handbook: devices, circuits and applications handbook / ed. by Muhammad H. Rashid. - 3rd ed. - Elsevier Inc., 2011. -1390 p. DOI: 10.1016/B978-0-12-382036-5.00051-3
23. Бестрансформаторный непосредственный преобразователь частоты: пат. 2691968 Рос. Федерация, МПК H02M 5/27 / В.Г. Сугаков, О.С. Хватов, Н.С. Варламов; - № 2018123270; заявл. 26.06.2018; опубл. 19.06.2019. Бюл. № 17.
24. Сугаков В.Г., Варламов Н.С. Анализ выходного напряжения бестрансформаторного непосредственного преобразователя частоты при изменении частоты эталонного сигнала // Великие реки - 2020: тр. 22-го Междунар. науч.-пром. форума. - Н. Новгород: Изд-во ВГАВТ, 2020. - С. 1-4.
25. Сугаков В.Г., Варламов Н.С., Малышев Ю.С. Особенности формирования выходного напряжения бестрансформаторного непосредственного преобразователя частоты // Актуальные проблемы электроэнергетики: сб. науч.-техн. статей. - Н. Новгород: Изд-во Нижего-род. гос. техн. ун-та им. Р.Е. Алексеева, 2020. - С. 36-40. DOI: 10.46960/39255930_2020_36
References
1. Mukund R. Patel Shipboard Propulsion, Power Electronics and Ocean Energy. CRC Press, 2012, 379 p.
2. Dmitriev B.F., Riaben'kii V.M., Cherevko A.I., Muzyka M.M. Sudovye poluprovodnikovye preobrazovateli [Ship Semiconductor converters]. 2nd ed. Arkhangel'sk: Severnyi (Arkticheskii) federal'nyi universitet imeni M.V. Lomonosova, 2015, 555 p.
3. Lemin L.A, Prussakov A.V., Grigor'ev A.V. Ekspluatatsiia sudovykh sistem elektrosnabzheniia [Operation of ship power supply systems]. Saint Petersburg: Gosudarstvennaia morskaia akademiia imeni admirala S.O. Makarova, 2006, 184 p.
4. Tarasiuk T., Jankowski P., Shagar V., Pilat A., Gorniak M., Nowak J. Comparative Case Study on Oscillatory Behavior in Power Systems of Marine Vessels With High Power Converters. Frontiers in Energy Research, 2021, vol. 8 (529756), pp. 1-14. DOI: 10.3389/fenrg.2020.529756
5. Gnacinski P. et al. Power Quality and Energy-Efficient Operation of Marine Induction Motors. IEEE Access, 2020, vol. 8, pp. 152193-152203. DOI: 10.1109/ACCESS.2020.3017133
6. Anisimov Ia.F., Vasil'ev E.P. Elektromagnitnaia sovmestimost' poluprovodnikovykh preobrazovatelei i sudovykh elektroustanovok [Electromagnetic compatibility of semiconductor converters and ship electrical installations]. Leningrad: Sudostroenie, 1990, 264 p.
7. Hebner R.E. et al. Technical cross-fertilization between terrestrial microgrids and ship power systems. J. Mod. Power Syst. Clean Energy, 2020, vol. 4, no. 2, pp. 161-179.
8. Mindykowski J., Szweda M., Tarasiuk T. Voltage and frequency deviations in exemplary ship's network - research for ship owner. EPQU Magazine, 2008, vol. 1(2), pp. 61-67.
9. Barros J., Diego R.I. A review of measurement and analysis of electric power quality on shipboard power system networks. Renewable and Sustainable Energy Reviews. Elsevier, 2016, vol. 62(C), pp. 665-672. DOI: 10.1016/j.rser.2016.05.043
10. Tarasiuk T., Zunino Y., Bueno-Lopez M., Silvestro F., Pilat A., Molinas M. Frequency fluctuations in marine microgrids: origins and identification tools. IEEE Electrification Magazine, 2020, vol. 8(3), pp. 40-46. DOI: 10.1109/MELE.2020.3005698
11. Anisimov Ia.F. Osobennosti primeneniia poluprovodnikovykh preobrazovatelei v sudovykh elektroustanovkakh [Features of the use of semiconductor converters in ship electrical installations]. Leningrad: Sudostroenie, 1973, 227 p.
12. Shtrumpf E.P. Sudovaia elektronika i silovaia preobrazovatel'naia tekhnika [Ship electronics and power converter equipment]. Saint Petersburg: Sudostroenie, 1993, pp. 319-335.
13. Sugakov V.G., Varlamov N.S., Malyshev Iu.S. Obosnovanie realizatsii fazosmeshchaiushchego ustroistva s korrektsiei koda v zavisimosti ot chastoty napriazheniia [Rationale for realization of phaseshifting device with code adjustment depending on frequency of voltage]. Vestnik Gosudarstvennogo universiteta morskogo i rechnogo flota imeni admirala S.O. Makarova, 2017, no. 4(44), pp. 829-837. DOI:10.21821/2309-5180-2017-9-4-829-837
14. Grigor'ev A.V., Kolesnichenko V.Iu. Povyshenie effektivnosti ekspluatatsii sudovykh dizel'nykh elektrostantsii [Improving the efficency of marine disel power plants]. Vestnik Gosudarstvennogo universiteta morskogo i rechnogo flota imeni admirala S.O. Makarova, 2014, no. 6(28), pp. 39-43. DOI: 10.21821/2309-5180-2014-6-6-39-43
15. Khvatov O.S., Dar'enkov A.B., Tarasov I.M. Dizel'-generatornaia elektrostantsiia s peremennoi chastotoi vrashcheniia vala [Diesel-generator Power Plant with Shaft Frequency Rotation]. Vestnik Ivanovskogo gosudarstvennogo energeticheskogo universiteta, 2010, no. 2, pp. 53-57.
16. Grigor'ev A.V., Zainullin R.R., Malyshev S.M. Perspektivy primeneniia staticheskikh istochnikov elektroenergii s sistemami elektrodvizheniia [Perspectives of using the static electric power sources on ships with electric propulsion plants]. Vestnik Gosudarstvennogo universiteta morskogo i rechnogo flota imeni admirala S.O. Makarova, 2020, vol. 12, no. 1, pp. 829-837. DOI: 10.21821/2309-5180-2017-9-4-829-837
17. Gerasimov A., Tolmachev K., Utkin K. Dizel'-generatornye elektrostantsii. Rabota pri peremennoi chastote vrashcheniia dizelia [Dieselgenerator power plants. Work at variable speed of diesel engine rotation]. Novosti elektrotekhniki: Internet-zhurnal, 2005, no. 4(34), available at: http://www.news.elteh.ru/arh/2005/34/
18. Obukhov S.G., Plotnikov I.A. Eksperimental'nye issledovaniia dizel'-generatornoi ustanovki na peremennoi chastote vrashcheniia [Experi-
mental studiesof variable speed diesel generator units]. Izvestiia Tomskogo politekhnicheskogo universiteta, 2015, vol. 326, no. 6, pp. 95-102.
19. GOST 32144-2013. Elektricheskaia energiia. Sovmestimost' tekhnicheskikh sredstv elektromagnitnaia. Normy kachestva elektricheskoi energii v sistemakh elektrosnabzheniia obshchego naznacheniia [GOST 32144-2013. Electric Energy. Electromagnetic compatibility of technical means. Standards for the quality of electrical energy in general-purpose power supply systems]. Moscow: Standartinform, 2014, 6 p.
20. Pravila Rossiiskogo rechnogo registra [Russian River Register Rules]. Moscow: Rossiiskii rechnoi registr, 2017, vol. 2. Pravila klassifikatsii i postroiki sudov (PKPS), 1885 p.
21. Pravila klassifikatsii i postroiki morskikh sudov Rossiiskogo morskogo registra sudokhodstva. Chast' XI. Elektricheskoe oborudovanie [Rules for the classification and construction of ships of the Russian Maritime Register of Shipping. Part XI. Electrical equipment]. Saint Petersburg: Rossiiskii rechnoi registr sudokhodstva, 2018, 131 p.
22. Power electronics handbook: devices, circuits and applications handbook. Ed. by Muhammad H. Rashid. 3rd ed. Elsevier Inc., 2011, 1390 p. DOI: 10.1016/B978-0-12-382036-5.00051-3
23. Sugakov V.G., Khvatov O.S., Varlamov N.S. Bestransfor-matornyi neposredstvennyi preobrazovatel' chastoty [Transformer-free direct frequency converter]. Patent Rossiiskaia Federatsiia no. 2691968.
24. Sugakov V.G., Varlamov N.S. Analiz vykhodnogo napriazheniia bestransformatornogo neposredstvennogo preobrazovatelia chastoty pri izmenenii chastoty etalonnogo signala [Analysis of the output voltage a transformer-free direct frequency converter when the frequency of the reference signal changing]. Velikie reki - 2020. Trudy 22-go Mezhdunarodnogo nauchno-promyshlennogo foruma. N. Novgorod: Volzhskii gosudarstvennyi universitet vodnogo transporta, 2020, pp. 1-4.
25. Sugakov V.G., Varlamov N.S., Malyshev Iu.S. Osobennosti formirovaniia vykhodnogo napriazheniia bestransformatornogo neposredstvennogo preobrazovatelia chastoty [Features of the formation a output voltage of the transformer-free direct frequency converter]. Aktual'nye problemy elektroenergetiki. Sbornik nauchno-tekhnicheskikh statei. N. Novgorod: Nizhegorodskii gosudarstvennyi tekhnicheskii universitet imeni R.E. Alekseeva, 2020, pp. 36-40. DOI: 10.46960/39255930 2020 36
Сведения об авторах
Сугаков Валерий Геннадьевич (Нижний Новгород, Россия) -доктор технических наук, профессор кафедры «Электротехника и электрооборудование объектов водного транспорта» Волжского государственного университета водного транспорта (603951, Нижний Новгород, ул. Нестерова, 5, e-mail: elektrikasp@mail.ru).
Варламов Никита Сергеевич (Нижний Новгород, Россия) - аспирант кафедры «Электротехника и электрооборудование объектов водного транспорта» Волжского государственного университета водного транспорта (603951, Нижний Новгород, ул. Нестерова, 5, e-mail: varlamov_nikita@mail.ru).
Малышев Юрий Сергеевич (Нижний Новгород, Россия) - кандидат технических наук, доцент кафедры «Электротехника и электрооборудование объектов водного транспорта» Волжского государственного университета водного транспорта (603951, Нижний Новгород, ул. Нестерова, 5, e-mail: elektrikasp@mail.ru).
About the authors
Valerij G. Sugakov (Nizhnii Novgorod, Russian Federation) - Doctor of Technical Sciences, Professor, Department of Electrical engineering and electrical equipment of water transport Volga State University of Water Transport (603951, Nizhnii Novgorod, Nesterova str., 5, e-mail: elektrikasp@mail.ru).
Nikita S. Varlamov (Nizhnii Novgorod, Russian Federation) -Graduate Student Department of Electrical engineering and electrical equipment of water transport Volga State University of Water Transport (603951, Nizhnii Novgorod, Nesterova str., 5, e-mail: varlamov_nikita@mail.ru).
Yurij S. Malyshev (Nizhnii Novgorod, Russian Federation) - Ph. D. in Technical Sciences, Associate Professor Department of Electrical engineering and electrical equipment of water transport Volga State University of Water Transport (603951, Nizhnii Novgorod, Nesterova str., 5, e-mail: elektrikasp@mail.ru).
Получено 30.12.2020
