автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Повышение эффективности электроприводов газоперекачивающих агрегатов на базе высоковольтных преобразователей частоты

На правах рукописи

КУДРЯВЦЕВ Александр Витальевич

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ ГАЗОПЕРЕКАЧИВАЮЩИХ АГРЕГАТОВ НА БАЗЕ ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ЧАСТОТЫ

Специальность 05.09.03 - Электротехнические

комплексы и системы

■и

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

О 4 ОКТ 2012

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ 2012

005052810

005052810

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования Национальном минерально-сырьевом университете «Горный».

Научный руководитель -

доктор технических наук, старший научный сотрудник

доктор технических наук, ОАО «Силовые машины», начальник бюро электроприводов переменного тока

кандидат технических наук, Центральный научно-исследовательский институт судовой электротехники и технологии, ведущий научный сотрудник

Ведущая организация - Санкт-Петербургский государственный университет авиационного приборостроения.

Защита состоится 23 октября 2012 г. в 16 ч 30 мин на заседании диссертационного совета Д 212.224.07 при Национальном минерально-сырьевом университете «Горный» по адресу: 199106 Санкт-Петербург, 21-я линия, д.2, ауд.7212.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Национального минерально-сырьевого университета «Горный».

Автореферат разослан 21 сентября 2012 г.

Официальные оппоненты:

Шонин Олег Борисович

Пронин Михаил Васильевич

Скворцов Борис Алексеевич

УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ диссертационного совета д-р техн. наук, профессор

ГАБОВВ.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность: Электротехнический комплекс систем транспортировки газа мощностью от нескольких мегаватт до десятков мегаватт включает высокоскоростной газоперекачивающий агрегат (ГПА), привод, систему электроснабжения, систему управления. В связи с необходимостью снижения потерь энергии, повышения точности управления агрегатами, снижения выбросов вредных веществ актуальным является переход от газотурбинных приводов ГПА к частотно-регулируемому высоковольтному (ВВ) электроприводу. Реализация преимуществ частотно-регулируемых приводов (ЧРП) зависит от структуры и характеристик преобразователей частоты (ПЧ), которые предопределяют гармонический состав напряжения и тока в обмотках приводного двигателя, потери в меди и стали, пульсации электромагнитного момента, а также влияние привода на сеть. В связи с ограниченными значениями рабочих напряжений быстродействующих элементов силовой электроники ВВ преобразователи должны выполняться по многоуровневым схемам. Наиболее перспективной является структура на ЮВТ/ЮСТ модулях и переключаемых (плавающих) конденсаторах. Эту структуру отличает отсутствие фиксирующих диодов, равномерное распределение потерь в элементах, возможность непосредственного подключения к сети без согласующего трансформатора через обратный инвертор и др. Несмотря на значительный объем исследований в этом направлении, остается нерешенным ряд задач, препятствующих широкому использованию подобных преобразователей в ВВ электроприводах. К таким задачам относится вопрос обеспечения эффективного режима функционирования преобразователя в условиях разброса его параметров и возмущений со стороны электропривода и сети. Поэтому тема исследований, направленных на повышение эффективности ВВ электропривода газоперекачивающих агрегатов на базе многоуровневого ПЧ является актуальной.

Цель работы: Обеспечение эффективности асинхронного 6 кВ электропривода ГПА путем использования многотактного 4-х уровневого инвертора на переключаемых конденсаторах.

Идея работы: Качество преобразования энергии и стабильность функциональных характеристик ПЧ достигается выбором способа широтно-импульсной модуляции (ШИМ) из условия минимальных гармонических искажений выходного напряжения, а также применением систем автоматического регулирования режимов преобразователя, обеспечивающих принудительную балансировку напряжений на конденсаторах в случае возмущений в системе и рекуперацию кинетической энергии ГПА для поддержания напряжения звена постоянного тока ПЧ в случае провала напряжения сети.

Основные задачи работы:

1. Анализ разработок в области приводов ГПА, многоуровневых ПЧ и их использования в частотно-регулируемых ВВ приводах.

2. Построение модели 4-х уровневого преобразователя на переключаемых конденсаторах.

3. Исследование показателей качества напряжения ЧП в зависимости от параметров нагрузки и параметров ШИМ. Обоснование метода ШИМ из условия минимальных потерь в преобразователе и двигателе.

4. Исследование динамики преобразователя и разработка системы стабилизации напряжений на конденсаторах.

5. Разработка алгоритма работы наблюдателя напряжений на переключаемых конденсаторах и оценка его работоспособности в системе автоматического поддержания режима преобразователя в условиях возмущений со стороны двигателя и сети.

6. Построение ВВ электропривода на базе 4-х уровневых инверторов для ГПА большой единичной мощности. Обоснование схемы поддержания напряжения в звене постоянного тока на основе рекуперации кинетической энергии ротора в случае провала напряжения сети.

Методы исследований: Анализ структур многоуровневых преобразователей и систем ВВ электроприводов. Математическое моделирование ПЧ и приводного двигателя. Построение компьютерных моделей 4-х уровневого преобразователя и систем управления в среде ЗшшНпк 81шРошег8у51ет5 В1оскзе1 Ма11аЬ. Компьютерное моделирование динамических и стационарных режимов работы

ПЧ и электропривода. Синтез систем управления ПЧ. Экспериментальные исследования.

Научная новизна:

Выявлены закономерности изменения коэффициентов гармонических искажений напряжения 4-х уровневого ПЧ в зависимости от параметров ШИМ и нагрузки, позволившие обосновать способ модуляции, обеспечивающий минимальные искажения выходного

напряжения ПЧ и тока двигателя.

Установлены закономерности динамических процессов в 4-х уровневом ПЧ на переключаемых конденсаторах и их связь с параметрами установившегося режима, позволившие разработать систему стабилизации функциональных характеристик ПЧ на основе автоматической коррекции длительности избыточных состояний ключей, определяющих условие баланса напряжений на конденсаторах.

Основные защищаемые положения:

1. В частотной области регулирования газоперекачивающего агрегата, соответствующей изменению глубины модуляции преобразователя частоты в пределах значений от 0,4 до 1, наименьшие искажения выходного напряжения достигаются при использовании схемы широтно-импульсной модуляции с пилообразным профилем сигналов несущей частоты и фазовым сдвигом между этими сигналами 120 градусов.

2. Стабилизация сбалансированного режима преобразователя частоты в условиях возмущений со стороны двигателя и сети обеспечивается путем автоматической коррекции длительности избыточных состояний ключей, влияющей на баланс напряжений. Оценка текущих значений контролируемых величин осуществляется с помощью наблюдателя напряжений, алгоритм работы которого основан на уравнениях равновесия напряжений и токов преобразователя частоты, таблице возможных состояний ключей и динамических уравнениях асинхронного двигателя.

3. Для реализации энергосберегающего высоковольтного электропривода газоперекачивающих агрегатов мощностью несколько мегаватт преобразователь частоты должен строиться на базе многотактной и многоуровневой структуры. Непрерывность техно-

логического процесса в случае провала напряжения сети достигается стабилизацией напряжения звена постоянного тока преобразователя частоты за счет кинетической энергии, запасенной в роторе газоперекачивающего агрегата.

Достоверность и обоснованность научных положений подтверждается сходимостью результатов моделирования и аналитических расчетов, а также результатов экспериментальных и аналитических исследований.

Практическая значимость работы:

1. Разработана система стабилизации режима преобразователя на основе бездатчикового наблюдателя контролируемых напряжений. Отсутствие резонансного фильтра гармоник небаланса и высоковольтных датчиков напряжения позволяет повысить надежность и снизить стоимость преобразователя.

2. Разработана схема использования кинетической энергии ротора ГПА для стабилизации напряжения звена постоянного тока в случае провала питающего напряжения, позволяющая в течение нескольких секунд отсутствия напряжения сети сохранять синхронизацию ПЧ и двигателя и обеспечить работу привода при восстановлении питания.

Апробация работы: Основные положения диссертационной работы докладывались на межвузовских научно-технических конференциях «Неделя науки СПбГПУ», на конференциях молодых ученых СПбГГИ(ТУ), на семинарах сектора преобразовательной техники отдела мехатроники ЗАО «Институт Энергетического Машиностроения и Электротехники» (ЗАО «ИЭМЭТ»).

Результаты реализации работы: Результаты исследований используются в учебных дисциплинах магистерского цикла "Моделирование и методология экспериментальных исследований автоматизированных электромеханических комплексов и систем". Результаты планируется использовать при модернизации ПЧ 6 кВ, 2,6 МВА разработки ЗАО «ИЭМЭТ».

Личный вклад автора: Разработка компьютерной модели и выполнение исследований по влиянию параметров ШИМ и приводного двигателя на режим работы преобразователя. Обоснование

схемы стабилизации режима преобразователя с использованием без-датчикового наблюдателя контролируемых величин. Разработка схемы стабилизации напряжения звена постоянного тока привода ГПА при провалах напряжения сети. Проведение экспериментальных исследований.

Публикации: Основные результаты диссертации опубликованы в 5 печатных работах, из них 3 в журналах, рекомендованных ВАК Минобрнауки России.

Структура и объем работы: Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, изложенных на 151 страницах. Содержит 93 рисунка, 6 таблиц, список литературы из 92 наименований и 1 приложение.

Первая глава посвящена анализу схем приводов ГПА, сравнительному анализу многоуровневых преобразователей и их применению в различных схемах ВВ электроприводов.

Во второй главе рассматривается модель 4-х уровневого преобразователя частоты на переключаемых конденсаторах. Приводится сравнение результатов моделирования и результатов экспериментальных исследований прототипа ПЧ. Дается обоснование схемы ШИМ, обеспечивающей минимальные искажения выходного напряжения ПЧ.

В третьей главе исследуется влияние параметров нагрузки и параметров ШИМ на распределение напряжений на конденсаторах и динамику их изменения под действием возмущающих факторов. Дается обоснование системы автоматического регулирования напряжений на конденсаторах.

В четвертой главе рассматривается построение наблюдателя напряжений для системы автоматического поддержания сбалансированного состояния преобразователя.

Пятап глава посвящена построению схемы частотно-регулируемого привода ГПА на базе 4-х уровневого ПЧ на переключаемых конденсаторах. Дается обоснование схемы поддержания напряжения в звене постоянного тока в случае провала напряжения сети.

В заключении приводятся обобщающие выводы и рекомендации по использованию результатов исследований.

ЗАЩИЩАЕМЫЕ НАУЧНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

1. В частотной области регулирования газоперекачивающего агрегата, соответствующей изменению глубины модуляции преобразователя частоты в пределах значений от 0,4 до 1, наименьшие искажения выходного напряжения достигаются при использовании схемы широтно-импульсной модуляции с пилообразным профилем сигналов несущей частоты и фазовым сдвигом между этими сигналами 120 градусов.

Для обоснования эффективного способа ШИМ и исследования процессов балансировки напряжений на переключаемых конденсаторах разработана модель четырехуровневого ПЧ в среде Simulink Matlab, которая отсутствует в стандартной библиотеке SimPowerSys-tems Blockset. Адекватность модели проверялась сопоставлением результатов моделирования с экспериментальными данными, полученными при исследовании прототипа преобразователя 6 кВ мощностью 2,6 МВА. Схема одной фазы 4-х уровневого инвертора показана на рис.1.

В установившемся режиме, характеризующемся балансом напряжений на переключаемых конденсаторах и^-и^/3 и

1]Сг = 2иЦс / 3, выходное напряжение ЧП определяется формулой

И(0 = (25з('И-ЫО-^ОК- (!)

Функция переключений &-ой пары комплементарных ключей ^.(/)е1,0 (7с=1, 2, 3) формируется в результате сравнения модулирующего сигнала частотой / и трех сигналов несущей частоты треугольной (ШИМ-1) и пилообразной формы (ШИМ-2). Эти сигналы сдвинуты во времени на треть периода 773 как показано на рис.2 для случая /=0. Символы «+» и «-» означают заряд и разряд конденсаторов, а символ «О» означает неизменность напряжений , иСг

Существует восемь возможных комбинаций состояния ключей (5,, 52, 53). Конденсатор С, участвует в формировании выходного напряжения при комбинациях ключей 2-(100) и 7-(011), конденсатор С2 - при комбинациях 4-(110) и 5-(001), оба конденсатора - при комбинациях З-(ОЮ) и 6-(101); при комбинациях 1-(000) и 8-(111) напряжения на конденсаторах не влияют на выходное напряжение. Если в пределах рабочего цикла длительности зарядно-разрядных комбинаций (2 и 7), (4 и 5), (3 и 6) одинаковы, то имеет место естественный баланс напряжений на конденсаторах, достигаемый за счет избыточности состояний ключей для обоих способов модуляции.

Отличие переключающих функций 5*(0 и их разностей для ШИМ-1 и ШИМ-2 приводит в соответствии с (1) к разным показателям качества выходного напряжения и(г). Сравнение методов ШИМ целесообразно производить по фактору гармонических искажений НОР, зависящему только от глубины модуляции т. Поскольку квадрат действующего значения тока высших гармоник пропорционален этому параметру, то можно утверждать, что с уменьшением НОЕ снижаются потери энергии в стали и меди, а также уменьшаются колебания электромагнитного момента. В работе рассматриваются зависимости Я№#0 для скалярного закона частотного управления приводом.

Для получения этих зависимостей выполнены измерения взвешенного коэффициента искажений ШНИ:

1УТНО= (и„/п)2 1и1

(2)

Этот коэффициент характеризует искажения синусоидальности идеально интегрированного ШИМ напряжения, что соответствует искажениям тока чисто индуктивной нагрузки инвертора. Связь величин ЯДР и \VTHD выражается формулой

Вычисление \VTHD по формуле (2) является трудоемкой операцией, требующей учета множества гармоник. Для упрощения расчетов эта формула приведена к виду

где и(0) - выходное напряжение, 0=со/, ГУ, - действующее значение первой гармоники напряжения.

Значения ИТНИ определялись автоматически с помощью расчетных блоков БтиНпк МаЙаЬ. Коэффициенты искажений синусоидальности кривой тока 777Д и кривой напряжения ТНЭ„ находились с помощью анализатора спектра. Исследования производились для законов управления асинхронным приводом и//2=сопЫ и \Jlf~сог^ при и=6 кВ,/=10-50 Гц,/=600 Гц,/=1200 Гц и Р=\,5 МВт.

Результаты исследований показали, что независимо от закона управления и частоты ШИМ экспериментальные точки [тк, ЯДР*] группируются в пределах двух кривых НОР\(т) и НОГ2(т), соответствующих сравниваемым методам ШИМ-1 и ШИМ-2 (рис.За). Это свидетельствует о том, что используемый для сравнения методов ШИМ параметр ЯПР зависит только от глубины модуляции т. Из графиков ЯО^т) и ТНВи(т) следует, что в практически важной области частотного регулирования приводом ГПА 0,4<ш<1 метод ШИМ-2 с пилообразной формой развертывающего сигнала обеспечивает наилучшее качество напряжения по сравнению с методом ШИМ-1. В связи с относительно высоким значением эквивалентной частоты переключений /е=3/=1,8 кГц уровень искажений формы

ЯZ>F = ЩШНП^т/п/)2

(3)

тока ТНО,-2-3% в этой области регулирования удовлетворяет требованиям электромагнитной совместимости ГТЧ и двигателя.

й)1'6' ^ б) '

ШИМ-2

ШИМ-2

а,б ш, о.е.

Рис.3 Зависимости фактора гармонических искажений НОР (а) и коэффициента искажений синусоидальности напряжения 7Ж>„ (б) от г лубины модуляции т.

2. Стабилизация сбалансированного режима преобразователя частоты в условиях возмущений со стороны двигателя и сети обеспечивается путем автоматической коррекции длительности избыточных состояний ключей, влияющей на баланс напряжений. Оценка текущих значений контролируемых величин осуществляется с помощью наблюдателя напряжений, алгоритм работы которого основан на уравнениях равновесия напряжений и токов преобразователя частоты, таблице возможных состояний ключей и динамических уравнениях асинхронного двигателя.

В реальных условиях работы преобразователя балансировка напряжений на конденсаторах может нарушаться вследствие разброса параметров элементов, асимметрии процессов заряда/разряда конденсаторов, возмущений со стороны нагрузки и звена постоянного тока, которые вызывают переходные процессы в ПЧ. При наличии избыточных состояний ключей процесс балансировки считается устойчивым.

Динамические свойства ПЧ определялись по осциллограммам

реакций ис (О и иЛ0 на ступенчатое изменение напряжения VЛс

для случаев ОС-модуляции однофазного инвертора и АС-модуляции 3-х фазного инвертора. В режиме АС-модуляции дополнительно

определялся спектр тока нагрузки на конечном интервале наблюдения процесса. О динамике процессов можно судить по осциллограммам заряда конденсаторов С/ и С2 до номинальных значений 1/С1 =2880 В, иСг=5160 В при иа=8640 В, /,=600 Гц, т=0,2,

Я=4,2 Ом, ¿=6,4 мГн (рис.4). Оценки коэффициента затухания а=8,13 1/с и собственной частоты «,/=34,7 рад/с по измеренному периоду колебаний и декременту затухания практически совпали с корнями характеристического полинома системы дифференциальных уравнений цепи переменной структуры, состояние которой в зависимости от комбинаций ключей определяет число конденсаторов, подключенных к нагрузке.

В случае АС-модуляции установлено, что переходной процесс может иметь как осциллирующий (рис.9а), так и апериодический характер в зависимости от значения коэффициента модуляции т. Анализ спектрограмм оконного преобразования Фурье при 12 (рис.5) показывает, что, если в сбалансированном режиме первая группа высших гармоник выходного напряжения и тока образуется вокруг частот Зш/, 6т/, ..., то при появлении небаланса возникают группы гармоник вокруг частот ту и 2т/. Для перехода в сбалансированное состояние эти гармоники должны быть поглощены нагрузкой. Поэтому свойства процесса балансировки зависят как от параметров ШИМ, так и от параметров нагрузки.

Обработка осциллограмм для коэффициентов модуляции от=0,3, 0,4, ..., 1 показала, что с ростом коэффициента т время переходного процесса снижается. Увеличение постоянной времени нагрузки и рост частоты ШИМ с одной стороны приводит к улучшению параметров электромагнитной совместимости инвертора и двигателя, а с другой — к увеличению длительности переходного процесса балансировки.

В работе показано, что включение последовательного ШС-фильтра (,Я=60 Ом, 1=30 мГн, С=2,35 мкФ,/о=/5=600 Гц) параллельно нагрузке позволяет снизить инерционность процесса за счет быстрого выделения энергии небаланса в ^-элементе фильтра. Однако фильтрация высших гармоник увеличивает токовую нагрузку на ключи, вызывает дополнительные потери, снижает надежность и

увеличивает общую стоимость устройства. Эти недостатки устраняются с помощью предложенной схемы стабилизации напряжений, работа которой основана на коррекции длительности зарядно-разрядных процессов в конденсаторах Сг и С2, ответственных за баланс напряжений иСл (0 и иСг (?). Для реализации этой схемы, вместо одного модулирующего сигнала каждой фазы используются три индивидуальных модулирующих сигнала для каждой из трех ячеек фазы (рис.1) с возможностью изменения в незначительных пределах их амплитуд. На основе анализа чувствительности небаланса напряжений к приращениям амплитуд индивидуальных модулирующих сигналов и рассмотрения процессов формирования импульсов управления ключами предложена схема поддержания требуемого распределения напряжений, которая включает два контура регулирования с пропорциональными регуляторами, учитывающими знаки воздействий. При отклонении напряжений иСл и иСг от номинальных значений ГУЛ/3 и 21]^3 сигналы рассогласования изменяют амплитуды модулирующих сигналов ячеек 1 и 3, соответственно. Коэффициент модуляции ячейки 2 при этом остается неизменным. Работоспособность алгоритма стабилизации баланса напряжений иллюстрируется осциллограммами, показанными на рис 9.

С целью снижения затрат и повышения надежности работы преобразователя путем исключения датчиков напряжения на конденсаторах разработан алгоритм наблюдателя контролируемых величин и,, и 11г • Входными данными наблюдателя служат показа-

Ч 12

ния высокочастотных датчиков тока статора, датчика напряжения звена постоянного тока и датчика положения ротора. Структурная схема наблюдателя (рис.6) включает блок косвенного измерения напряжений конденсаторов по выходному напряжению ПЧ, блок оценки напряжения ПЧ по фазному напряжению двигателя и напряжению нулевой последовательности и блок наблюдателя напряжений двигателя по измеренным токам статора и скорости вращения ротора.

Определение напряжения ысД0 по выходному напряжению м(0 требует выделения из сигнала и(г) составляющих, которым соот-

13

ветствуют комбинации ключей 2-(100) и 7-(011), при которых конденсатор С1 подключен к нагрузке. Введем в рассмотрение переменную Д,(0. 2, ..., 8, отражающую состояние дешифратора указанных комбинаций. Если входные переменные дешифратора .у,(/),(/) и 53(/) образуют нужную комбинацию п, то Я„=1, в

противном случае Н„=0. Напряжения м2(0 и м7(г), соответствующие комбинациям 2 и 7, определяются по формуле (1):

щ (г) = и(()н2 (г) = + (о)я2 (0; (5)

\ ^ /

"7 (0 = (0 = ^ - "С! ('))Я7 (0 • (6)

Амплитуды импульсных последовательностей и2(0 и м7(/) при отсутствии возмущений принимают значения 6 и £/,с/6. В случае небаланса имеет место амплитудная модуляция этих последовательностей изменяющимся напряжением ис ((). Напряжения

и2(0 и и7(/) представляют собой чередование пакетов импульсов и пауз при длительности пакета, равной полупериоду модулирующего сигнала (рис.7). Для увеличения числа выборок объединим несовпадающие во времени последовательности и2(0 и и7(/)

«72 (0 = "7 (0 - «2 (0 = И(0"Т2 (') 1*72 (0 > (7)

где Я72(/) = Я7(/)-Я2(0

Напряжение и72(0 рассматривается как амплитудно-модулированный импульсный сигнал переменной длительности. Напряжение огибающей и^ (/) импульсной последовательности м72 (г) находится с помощью ступенчатого интерполятора с элементом памяти, на вход которого поступает цифровой сигнал импульсной последовательности и72(пТ<1), где Тс1 - период тактовых сигналов микропроцессора. Сглаживание ступенчатого сигнала осуществляется блоком измерения среднеквадратичного значения с интервалом усреднения, равным периоду Тх несущего сигнала ШИМ.

По огибающей импульсной последовательности и12 (/) оценка напряжения на конденсаторе (/) производится по формуле

мс, (0 = ^ас /2 + М72 (0 (8>

Для определения напряжения на конденсаторе С2 используют комбинации 4-( 110) и 5-(001). Повторяя процедуры выделения соответствующих импульсных последовательностей и4(0, "5(0 и их последующего объединения мД0> получим

(0=^/2+«¡до, (9)

где и\ъ (г) - выходной сигнал интерполятора.

В сигналах, соответствующих комбинациям 6-(101) и 3-(010), содержится информация о разности напряжений на конденсаторах

Дис21(0 = ^/2 + «6*З(0 (Ю)

Уточнение напряжений на конденсаторах производится по формулам

иСл =1/2(«с, +1<с2 - А«ся); мг= = 1/2 К- + Л»*2]) (И) Выходное напряжение инвертора определяется по фазному напряжению двигателя иф{/) и напряжению нулевой последовательности м0(0: и(0=«ф(0+"о(0- Величина м0(О находится по измеренным токам статора и скорости вращения ротора с помощью модели двигателя. Структурная схема определения искомых напряжений дана на рис.8. Компоненты потокосцепления ротора У|/га и определяются из системы дифференциальных уравнений, входными величинами которых являются компоненты тока статора /га и ¡ф. Далее определяются компоненты потокосцепления статора \|/5а и \\1ф. Компоненты фазного напряжения и1а и м1р находятся по закону Кирхгофа.

Сигнал напряжения нулевой последовательности щ вычисляется согласно формуле и0=УЪ(иа+иь+ис), в которой фазные напряжения инвертора иа, иь, ис находятся по формуле (1).

Проверка работоспособности схемы наблюдателя напряжений на конденсаторах и системы стабилизации режима инвертора выполнена на компьютерной модели, блоки которой показаны на рис.6.

Рассматривалась динамика напряжений на переключаемых конденсаторах, вызванная ступенчатым приращением напряжения в звене постоянного тока. На рис.9а показано изменение напряжений ис (*)

и мСг (г) при отключенной системе стабилизации. Влияние контура

обратной связи на переходной процесс в измененном масштабе времени показано на рис.9б. Сравнение полученных оценок с результатами прямых измерений показало, что их отличие не превышает 0,5%. Это подтверждает работоспособность предложенной схемы наблюдателя и возможность ее использования в системе стабилизации напряжений на переключаемых конденсаторах.

Из сравнения графиков, представленных на рис.9а и рис.96, также следует, что включение схемы стабилизации в структуру блока управления работой преобразователя позволяет более чем на два порядка уменьшить время реакции на внешнее возмущение. Это свидетельствует об эффективности предложенного способа стабилизации.

3. Для реализации энергосберегающего высоковольтного электропривода газоперекачивающих агрегатов мощностью несколько мегаватт преобразователь частоты должен строиться на базе многотактной и многоуровневой структуры. Непрерывность технологического процесса в случае провала напряжения сети достигается стабилизацией напряжения звена постоянного тока преобразователя частоты за счет кинетической энергии, запасенной в роторе газоперекачивающего агрегата.

Энергосберегающий эффект частотно-регулируемого привода ГПА обусловлен возможностью работы агрегата с максимальным КПД во всем диапазоне регулирования подачи газа. Дополнительный эффект получается от использования энергосберегающих алгоритмов управления, минимизирующих потери энергии в меди и стали двигателя. Структура электроприводного ГПА, предназначенного для транспортирования природного газа по магистральным газопроводам, представлена на рис.10. В состав рассматриваемого агрегата входит нагнетатель центробежного типа, асинхронный электродвигатель, мультипликатор, ПЧ с воздушным охлаждением, силовой согласующий трансформатор и система автоматического управления

агрегатом. На основании теплового расчета IGBT модулей FZ750R65KE3 по программе Iposim фирмы Infineon установлено, что допустимый ток модуля 310 А меньше требуемого тока привода Р=А МВт, U= 6 кВ в 1,65 раза. Поэтому инвертор напряжения выполнен в виде параллельного соединения двух четырехуровневых блоков. Для улучшения показателей качества энергии используется двухтактный режим работы ПЧ, который обеспечивается за счет фазового сдвига на 180 градусов между системами развертывающих напряжений смежных инверторов. Это позволило снизить коэффициент ШД, выходного напряжения при/=600 Гц и т=1,0 с 19 % до 13%.

Важной задачей повышения надежности ЭГПА и сохранения непрерывности технологического процесса является обеспечение работоспособности агрегата на магистраль при кратковременных провалах напряжения сети. Для решения этой задачи разработана схема поддержания напряжения звена постоянного тока за счет рекуперации кинетической энергии, запасенной во вращающемся роторе. Эта схема включена в алгоритм частотного управления приводом агрегата.

При реализации режима рекуперации кинетической энергии максимальное время работы без внешнего питания Aimax может быть определено из уравнения

-UtJ+^Ml, = J (Р„т +<»THav)dt, (12)

где о)^ - задание по скорости вращения двигателя, J - сумма момента инерции двигателя и приведенного момента инерции нагрузКИ; р . потери в двигателе и инверторе, о - скорость вращения

двигателя, Т1Ш_,р - момент нагрузки.

Активация схемы рекуперации происходит в момент tx по сигналу датчиков провала напряжения, установленных во вводной ячейке. Задание по напряжению для замкнутого контура регулирования ик„ должно быть больше уставки срабатывания реле минимального напряжения (/„¡„=0,75 UJc. В результате сравнения уставки

ит с текущим значением напряжения мл(/) формируется сигнал ошибки, который посредством регулятора уменьшает частоту модулирующего сигнала так, что скорость вращения ротора становится больше скорости вращения поля, электромагнитный момент меняет знак, и двигатель переходит в генераторный режим. Из-за влияния выпрямителя имеет место чередование генераторного и двигательного режимов, которое приводит к постепенно затухающим колебаниям напряжения звена постоянного тока как показано на рис.11. Время отсутствия напряжения сети (см. рис.11) составляет

/„/>=4-1,2=2,8 с. На этом интервале скорость вращения ротора и нагрузочный момент монотонно убывают, изменение электромагнитного момента носит колебательный характер. В момент восстановления напряжения Ь скорость и электромагнитный момент начинают расти до номинальных значений. Из осциллограмм ис (/) и

ис2 (0 следует, что напряжения на конденсаторах во время провала

напряжения примерно сохраняют свои номинальные значения. При восстановлении напряжения питания их изменения соответствуют изменению напряжения звена постоянного тока.

Отметим, что в обычной схеме привода отключение питания вызывало разряд конденсатора за время 1р=0,3с. Использование предложенного алгоритма позволяет сохранить непрерывность технологического процесса на время, измеряемое единицами секунд.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертация представляет собой законченную научно-квалификационную работу, в которой решена актуальная задача повышения эффективности электроприводов газоперекачивающих агрегатов на основе использования 4-х уровневых инверторов напряжения с переключаемыми конденсаторами, работающими в двухтактном режиме.

Основные научные и практические результаты заключаются в следующем:

1. На базе программного пакета МаЙаЬ БтиНпк разработана модель четырехуровневого инвертора напряжения с переключаемы-

а)

51

52

53 Ucl Uc2

/Ч несущая 1 .^Ч / \ —\ / \

/ / / / \ \ \ \ / \ / \ / ч/ /ч / ч / ч \ \ / \ / V /\ / \ ✓ \ ч ч ч > / /

N \ / \/ /\ / \ у ч / ч несущая 2 ^ \ / ч. / V Ts/2 ч / V' / ч / ч ' ч несущая 3 . Ч--- ч / Ч / Ч ' V \ / \/ / \ ' Ts

: : : : i 1

1 1

0 - 0 + 0 0 0

0 + 0 0 0 0

несущая 2 несущая 3 si несущая ] -:—_____ _> ^ 1

Рис.2 Временные диаграммы формирования состояния ключей и динамика изменения напряжений на переключаемых

конденсаторах для ШИМ-1 (а) и ШИМ-2 (б)

Ршс1«топ!а1 (50Нг) - 403.9 , ТН[>- 2.16%

1.5

JS 1

с 01 £

2 0.5

0.1 0,2 0,3 0.4 0.5 0,6

Рис.4 Заряд конденсаторов С| и С2 однофазного инвертора

группа гармоник, возникающих при небалансе

" .' I

! I . . I III

0 20 40 60 80 100 120

Harmonic order

Рис.5 Спектр оконного преобразования Фурье переходного тока при АС-модуляции 3-х фазного инвертора (от=0,5, /¡=600 Гц,/=50 Гц, т/= 12, R=3,7 Ом, 1=8,8 мГн)

140

I

I J

Рис.6 Структура наблюдателя напряжений на переключаемых конденсаторах мои. и иСи,

где* В А, В, С

И

К, О 5000

0

-5000

и7, В 0

-400

-800

-1200

-1600

и7, В 1500

1000

500

0

лип

С2 к

и12, В1500 1000

500

О

1.12

1.125

Ж

1.13

1.135

1.14

1.145

/, С

Рис.7 Фазное напряжение ПЧ и(1) и напряжения импульсных последовательностей и2(0> "7(0 и и12{()

Рис.8 Структурная схема вычисления фазных напряжений двигателя по измеренным токам статора

4000 г

11 с\> В ~

9 10

Л с

Рис.9 Динамика напряжения звена постоянного тока и напряжений на конденсаторах с отключенной (а) и включенной (б) системой стабилизации двигателя по измеренным

токам статора

питающая сеть

6/10 кВ вводная ячейка

преобразователь частоты

двигатель мультипликатор

САУ АРМ

ЭГПА ЭГПА

сигналы с датчиков двигателя, мультипликатора, нагнетателя

п0=3000 об/мин 8200 об/мин

нагнетатель

а)

б)

ш, В

6000 о

¡з, А

2000 1000 0

-1000

сор. рад/с

Т. Н-М 8000

4000

о

-4000

связь с САУ верхнего уровня

Рис.10 Структурная схема ЭГПА

. 1 1 I 1 1 -

1 и -

I, и 1 1 1 -

2 3 4 5 6 7 1 С

||>|1

1111!

-

1 1 | 1 1

| т I 1 ____ „ , -

- - -1 т„ 1 1 1 -

Мл. в

6000 о

1

10000

«Л

,. В

8000

6000

»С.'. В

иск В

7

I С

2000

7 С

7

/, с

Рис.11 Динамика электропривода при провале напряжения и активации схемы рекуперации кинетической энергии: действующее значение напряжение питания (а); ток статора /,(/), скорость вращения ротора а>Д0> электромагнитный Тзм{() и нагрузочный Г„(0 моменты (б); напряжение звена постоянного тока и&Ц) и напряжения иС1{/), ис2(/) на переключаемых конденсаторах (в)

с

ми конденсаторами. С помощью модели установлены закономерности изменения коэффициентов гармоник напряжения и тока преобразователя в зависимости от параметров двигателя, параметров ши-ротно-импульсной модуляции различного вида, позволившие обосновать способ модуляции, обеспечивающий минимальные искажения выходного напряжения в наиболее характерной области регулирования приводом ГПА, соответствующей изменению глубины модуляции в пределах т-0,4-1.

2. Установлены закономерности динамических процессов в переключаемых конденсаторах и их связь с параметрами установившегося режима. Разработана система стабилизации функциональных характеристик преобразователя на основе автоматической коррекции длительности избыточных состояний ключей, влияющих на баланс напряжений, что позволяет обеспечить эффективное управление приводом ГПА.

3. Разработана система стабилизации напряжения в звене постоянного за счет рекуперации кинетической энергии ГПА, позволяющая обеспечить непрерывность технологического процесса при провалах напряжения сети. Работа системы основана на автоматическом изменении частоты модулирующего сигнала преобразователя в соответствии с сигналом рассогласования фактического и требуемого значений напряжения звена постоянного тока.

4. Предложен алгоритм работы наблюдателя напряжений на переключаемых конденсаторах, основанный на измеренных токах статора приводной машины, динамической модели асинхронного двигателя, таблице состояния ключей и уравнениях равновесия токов и напряжений преобразователя.

5. Предложена структура электропривода на базе многотакт-ного четырехуровневого инвертора с переключаемыми конденсаторами для газоперекачивающего агрегата мощностью 4 МВт. Дано обоснование режимных параметров инвертора на основе тепловой

модели ЮВТ/ЮСТ модулей.

6. Полученные результаты могут быть использованы при создании эффективных электроприводов других объектов значительной единичной мощности, например, вентиляторов главного про-

<19 2 —

ветривания шахт, насосов нефтеперекачивающих станций и др., а также при разработке статических компенсаторов и других полупроводниковых устройств, предназначенных для решения задач эффективной передачи и распределения электрической энергии.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Кудрявцев A.B. Компьютерное моделирование четырехуровневого инвертора напряжения с «плавающими» конденсаторами / A.B. Кудрявцев, Н.В. Лысов // Известия Петербургского университета путей сообщения; Вып.2(11) - СПб.: Петербургский гос. ун-т путей сообщения, 2007. - С. 183-193;

2. Кудрявцев A.B. Исследование преобразователя частоты регулируемого электропривода на базе четырехуровневого инвертора напряжения // Записки Горного института; Т. 173 - СПб.: СПГГИ (ТУ), 2007 г. - С. 86-90;

3. Кудрявцев A.B. Оценка потерь в ключах четырехуровневого инвертора напряжения / A.B. Кудрявцев, О.Б. Шонин // Мат. межвуз. науч-практич. конф. студентов и аспирантов XXXVIII Неделя науки СПбГПУ, Ч. VIII - СПб.: Изд-во Политехнического ун-та, 2009 г. - С. 76-77;

4. Кудрявцев A.B. Оптимизация широтно-импульсной модуляции многоуровневых преобразователей частотно-регулируемого электропривода/ A.B. Кудрявцев, О.Б. Шонин // Записки Горного института; Т. 195 - СПб.: СПГГИ (ТУ), 2011 г. - С. 263-267;

5. Кудрявцев A.B. Построение наблюдателя напряжений на переключаемых конденсаторах четырехуровневого инвертора напряжения / A.B. Кудрявцев, О.Б. Шонин // Мат. межвуз. науч-практич. конф. студентов и аспирантов XL Неделя науки СПбГПУ, СПб.: Изд-во Политехнического ун-та, 2011 г. - С. 44-46.

и

!

РИЦ Горного университета. 17.09.2012. 3.662 Т.100 экз. 199106 Санкт-Петербург, 21-я линия, д.2

ВВЕДЕНИЕ.

1. ТИПЫ ПРИВОДОВ ГПА. СТРУКТУРА ВВ ЭЛЕКТРОПРИВОДА И ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ЧАСТОТЫ.

1.1. Общая характеристика системы транспорта газа.

1.2. Преимущества частотно-регулируемого электропривода.

1.3. Структура и элементная база ВВ преобразователей.

1.4. Топология многоуровневых преобразователей.

1.4.1. Двухуровневый инвертор напряжения.

1.4.2. Схема с фиксирующими диодами.

1.4.3. Каскадные Н-мостовые преобразователи.

1.4.4. Схема с переключаемыми конденсаторами.

1.5. Выводы по главе.

2. МОДЕЛЬ ЧЕТЫРЕХУРОВНЕВОГО ИНВЕРТОРА. ОБОСНОВАНИЕ МЕТОДА ШИМ.

2.1. Структура четырехуровневого инвертора напряжения с переключаемыми конденсаторами.

2.2. Процесс формирования четырехуровневого напряжения.

2.3. Компьютерное моделирование четырехуровневого инвертора напряжения с переключаемыми конденсаторами.

2.4. Сравнение результатов моделирования с результатами экспериментального исследования опытного образца.

2.5. Исследование баланса напряжений на переключаемых конденсаторах в статическом режиме работы. Обоснование метода ШИМ.

2.6. Выводы по главе.

3. ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИКИ ПРОЦЕССА БАЛАНСИРОВКИ НАПРЯЖЕНИЙ НА КОНДЕНСАТОРАХ.

3.1. Методы описания динамических процессов.

3.1.1. Анализ в частотной области.

3.1.2. Анализ во временной области.

3.2. Динамика напряжений на переключаемых конденсаторах.

3.3. Устранение небаланса напряжений с помощью балансового фильтра

3.4. Стабилизация сбалансированного режима ПЧ на основе коррекции зарядных и разрядных процессов в конденсаторах.

3.5. Выводы по главе.

4. ПОСТРОЕНИЕ НАБЛЮДАТЕЛЯ НАПРЯЖЕНИЙ НА ПЕРЕКЛЮЧАЕМЫХ КОНДЕНСАТОРАХ.

4.1. Общая структура наблюдателя.

4.2. Определение напряжений на конденсаторах по измеренному напряжению инвертора.

4.3. Определение фазных напряжений асинхронного двигателя по значениям статорных токов.

4.4. Результаты моделирования.

4.5. Выводы по главе.

5. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЧАСТОТЫ НА ПЕРЕКЛЮЧАЕМЫХ КОНДЕНСАТОРАХ В СОСТАВЕ ЭЛЕКТРОПРИВОДНОГО ГАЗОПЕРЕКАЧИВАЮЩЕГО АГРЕГАТА.

5.1 Состав газоперекачивающего агрегата с частотно-регулируемым электроприводом.

5.2 Сохранение работоспособности привода при провалах напряжения сети.

5.3. Выводы по главе.

Актуальность: Электротехнический комплекс систем транспортировки газа мощностью от нескольких мегаватт до десятков мегаватт включает высокоскоростной газоперекачивающий агрегат (ГПА), привод, систему электроснабжения, систему управления. В связи с необходимостью снижения потерь энергии, повышения точности управления агрегатами, снижения выбросов вредных веществ актуальным является переход от газотурбинных приводов ГПА к частотно-регулируемому высоковольтному (ВВ) электроприводу. Реализация преимуществ частотно-регулируемых приводов (ЧРП) зависит от структуры и характеристик преобразователей частоты (ПЧ), которые предопределяют гармонический состав напряжения и тока в обмотках приводного двигателя, потери в меди и стали, пульсации электромагнитного момента, а также влияние привода на сеть. В связи с ограниченными значениями рабочих напряжений быстродействующих элементов силовой электроники ВВ преобразователи должны выполняться по многоуровневым схемам. Наиболее перспективной является структура на ЮВТ/ЮСТ модулях и переключаемых (плавающих) конденсаторах. Эту структуру отличает отсутствие фиксирующих диодов, равномерное распределение потерь в элементах, возможность непосредственного подключения к сети без согласующего трансформатора через обратный инвертор и др. Несмотря на значительный объем исследований в этом направлении, остается нерешенным ряд задач, препятствующих широкому использованию подобных преобразователей в ВВ электроприводах. К таким задачам относится вопрос обеспечения эффективного режима функционирования преобразователя в условиях разброса его параметров и возмущений со стороны электропривода и сети. Поэтому тема исследований, направленных на повышение эффективности ВВ электропривода газоперекачивающих агрегатов на базе многоуровневого ПЧ является актуальной.

Цель работы: Обеспечение эффективности асинхронного 6 кВ электропривода ГПА путем использования многотактного 4-х уровневого инвертора на переключаемых конденсаторах.

Идея работы: Качество преобразования энергии и стабильность функциональных характеристик ПЧ достигается выбором способа широтно-импульсной модуляции (ШИМ) из условия минимальных гармонических искажений выходного напряжения, а также применением систем автоматического регулирования режимов преобразователя, обеспечивающих принудительную балансировку напряжений на конденсаторах в случае возмущений в системе и рекуперацию кинетической энергии ГПА для поддержания напряжения звена постоянного тока ПЧ в случае провала напряжения сети.

Основные задачи работы:

1. Анализ разработок в области приводов ГПА, многоуровневых ПЧ и их использования в частотно-регулируемых ВВ приводах.

2. Построение модели 4-х уровневого преобразователя на переключаемых конденсаторах.

3. Исследование показателей качества напряжения ЧП в зависимости от параметров нагрузки и параметров ШИМ. Обоснование метода ШИМ из условия минимальных потерь в преобразователе и двигателе.

4. Исследование динамики преобразователя и разработка системы стабилизации напряжений на конденсаторах.

5. Разработка алгоритма работы наблюдателя напряжений на переключаемых конденсаторах и оценка его работоспособности в системе автоматического поддержания режима преобразователя в условиях возмущений со стороны двигателя и сети.

6. Построение ВВ электропривода на базе 4-х уровневых инверторов для ГПА большой единичной мощности. Обоснование схемы поддержания напряжения в звене постоянного тока на основе рекуперации кинетической энергии ротора в случае провала напряжения сети.

Методы исследований: Анализ структур многоуровневых преобразователей и систем ВВ электроприводов. Математическое моделирование ПЧ и приводного двигателя. Построение компьютерных моделей 4-х уровневого преобразователя и систем управления в среде БтиНпк 8тРошег8уз1ет8 В1оскзе1 МаНаЬ. Компьютерное моделирование динамических и стационарных режимов работы ПЧ и электропривода. Синтез систем управления ПЧ. Экспериментальные исследования.

Научная новизна:

Выявлены закономерности изменения коэффициентов гармонических искажений напряжения 4-х уровневого ПЧ в зависимости от параметров ШИМ и нагрузки, позволившие обосновать способ модуляции, обеспечивающий минимальные искажения выходного напряжения ПЧ и тока двигателя.

Установлены закономерности динамических процессов в 4-х уровневом ПЧ на переключаемых конденсаторах и их связь с параметрами установившегося режима, позволившие разработать систему стабилизации функциональных характеристик ПЧ на основе автоматической коррекции длительности избыточных состояний ключей, определяющих условие баланса напряжений на конденсаторах.

Основные защищаемые положения:

1. В частотной области регулирования газоперекачивающего агрегата, соответствующей изменению глубины модуляции преобразователя частоты в пределах значений от 0,4 до 1, наименьшие искажения выходного напряжения достигаются при использовании схемы широтно-импульсной модуляции с пилообразным профилем сигналов несущей частоты и фазовым сдвигом между этими сигналами 120 градусов.

2. Стабилизация сбалансированного режима преобразователя частоты в условиях возмущений со стороны двигателя и сети обеспечивается путем автоматической коррекции длительности избыточных состояний ключей, влияющей на баланс напряжений. Оценка текущих значений контролируемых величин осуществляется с помощью наблюдателя напряжений, алгоритм работы которого основан на уравнениях равновесия напряжений и токов преобразователя частоты, таблице возможных состояний ключей и динамических уравнениях асинхронного двигателя.

3. Для реализации энергосберегающего высоковольтного электропривода газоперекачивающих агрегатов мощностью несколько мегаватт преобразователь частоты должен строиться на базе многотактной и многоуровневой структуры. Непрерывность технологического процесса в случае провала напряжения сети достигается стабилизацией напряжения звена постоянного тока преобразователя частоты за счет кинетической энергии, запасенной в роторе газоперекачивающего агрегата.

Достоверность и обоснованность научных положений подтверждается сходимостью результатов моделирования и аналитических расчетов, а также результатов экспериментальных и аналитических исследований.

Практическая значимость работы:

1. Разработана система стабилизации режима преобразователя на основе бездатчикового наблюдателя контролируемых напряжений. Отсутствие резонансного фильтра гармоник небаланса и высоковольтных датчиков напряжения позволяет повысить надежность и снизить стоимость преобразователя.

2. Разработана схема использования кинетической энергии ротора ГПА для стабилизации напряжения звена постоянного тока в случае провала питающего напряжения, позволяющая в течение нескольких секунд отсутствия напряжения сети сохранять синхронизацию ПЧ и двигателя и обеспечить работу привода при восстановлении питания.

Апробация работы: Основные положения диссертационной работы докладывались на межвузовских научно-технических конференциях «Неделя науки СПбГПУ», на конференциях молодых ученых СПбГГИ(ТУ), на семинарах сектора преобразовательной техники отдела мехатроники

ЗАО «Институт Энергетического Машиностроения и Электротехники» (ЗАО «ИЭМЭТ»).

Результаты реализации работы: Результаты исследований используются в учебных дисциплинах магистерского цикла "Моделирование и методология экспериментальных исследований автоматизированных электромеханических комплексов и систем". Результаты планируется использовать при модернизации ПЧ 6 кВ, 2,6 МВА разработки ЗАО «ИЭМЭТ».

Личный вклад автора: Разработка компьютерной модели и выполнение исследований по влиянию параметров ШИМ и приводного двигателя на режим работы преобразователя. Обоснование схемы стабилизации режима преобразователя с использованием бездатчикового наблюдателя контролируемых величин. Разработка схемы стабилизации напряжения звена постоянного тока привода ГПА при провалах напряжения сети. Проведение экспериментальных исследований.

Публикации: Основные результаты диссертации опубликованы в 5 печатных работах, из них 3 в журналах, рекомендованных ВАК Минобрнауки России.

Структура и объем работы: Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, изложенных на 151 страницах. Содержит 93 рисунка, 6 таблиц, список литературы из 92 наименований и 1 приложение.

5.3. Выводы по главе

1. Рассмотрено применение ВВ преобразователя частоты на базе четырехуровневого инвертора напряжения с переключаемыми конденсаторами для электроприводного газоперекачивающего агрегата. Исходя из реальных характеристик существующих полупроводниковых приборов и параметров системы охлаждения, предложен вариант реализации инвертора для агрегата мощностью 4 МВт. Из-за ограниченной пропускной способности ЮВТ модулей по току инверторы включены параллельно и работают в двухтактном режиме.

2. Рассмотрен режим кинетической поддержки напряжения звена постоянного тока инвертора, который используется при пропадании напряжения силового питания. Предложена схема реализации алгоритма кинетической поддержки для системы скалярного частотного управления электродвигателем ГПА.

3. Приведены результаты компьютерного моделирования, подтверждающие работоспособность предложенного алгоритма поддержания напряжения звена постоянного тока силового питания в случае работы привода на вентиляторную нагрузку в течение трех секунд отсутствия силового питания. Показано, что на период активизации режима кинетической поддержки целесообразно отказаться от принудительного регулирования напряжений на переключаемых конденсаторах.

136

6. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертация представляет собой законченную научно-квалификационную работу, в которой решена актуальная задача повышения эффективности электроприводов газоперекачивающих агрегатов на основе использования 4-х уровневых инверторов напряжения с переключаемыми конденсаторами, работающими в двухтактном режиме.

Основные научные и практические результаты заключаются в следующем:

1. На базе программного пакета Ма11аЬ БтиНпк разработана модель четырехуровневого инвертора напряжения с переключаемыми конденсаторами. С помощью модели установлены закономерности изменения коэффициентов гармоник напряжения и тока преобразователя в зависимости от параметров двигателя, параметров широтно-импульсной модуляции различного вида, позволившие обосновать способ модуляции, обеспечивающий минимальные искажения выходного напряжения в наиболее характерной области регулирования приводом ГПА, соответствующей изменению глубины модуляции в пределах т=0,4-1.

2. Установлены закономерности динамических процессов в переключаемых конденсаторах и их связь с параметрами установившегося режима. Разработана система стабилизации функциональных характеристик преобразователя на основе автоматической коррекции длительности избыточных состояний ключей, влияющих на баланс напряжений, что позволяет обеспечить эффективное управление приводом ГПА.

3. Разработана система стабилизации напряжения в звене постоянного за счет рекуперации кинетической энергии ГПА, позволяющая обеспечить непрерывность технологического процесса при провалах напряжения сети. Работа системы основана на автоматическом изменении частоты модулирующего сигнала преобразователя в соответствии с сигналом рассогласования фактического и требуемого значений напряжения звена постоянного тока.

4. Предложен алгоритм работы наблюдателя напряжений на переключаемых конденсаторах, основанный на измеренных токах статора приводной машины, динамической модели асинхронного двигателя, таблице состояния ключей и уравнениях равновесия токов и напряжений преобразователя.

5. Предложена структура электропривода на базе многотактного четырехуровневого инвертора с переключаемыми конденсаторами для газоперекачивающего агрегата мощностью 4 МВт. Дано обоснование режимных параметров инвертора на основе тепловой модели ЮВТ/ЮСТ модулей.

6. Полученные результаты могут быть использованы при создании эффективных электроприводов других объектов значительной единичной мощности, например, вентиляторов главного проветривания шахт, насосов нефтеперекачивающих станций и др., а также при разработке статических компенсаторов и других полупроводниковых устройств, предназначенных для решения задач эффективной передачи и распределения электрической энергии.

138

1. Аракелян А.К., Шепелин A.B. К динамике режимов пуска и останова электропривода турбомеханизмов // Электричество. 1998, №8, с. 35-42.

2. Браславский И. Я. Возможности энергосбережения при использовании регулируемых асинхронных электроприводов // Электроприводы переменного тока: Тр. XI-й научно-технической конф. (2426 февраля 1998 г.). Екатеринбург: УГТУ, 1998., с. 102 - 107.

3. Браславский И. Я., Ишматов 3. III., Поляков В. Н. Энергосберегающий асинхронный электропривод под ред. И. Я. Браславского. М: Академия, 2004 г., 256 е., ил.

4. Булгаков А. А. Частотное управление асинхронными двигателями. 3-е перераб. изд. М.: Энергоиздат, 1982, 216 с., ил.

5. Гейлер JI. Б. Основы электропривода. Минск: Высш. шк., 1972.

6. Дьяконов В. Matlab 6: учебный курс СПб.: Питер, 2001, 592 е.: ил.

7. Дьяконов В. Simulink 4. Специальный справочник. СПб: Питер, 2002. 528 е., ил.

8. Елисеев В. А., Шинянский А. В. Справочник по автоматизированному электроприводу//М.: Энергоатомиздат, 1983. 616 е., ил.

9. Зайцев А. И., Колесников С. М. Эффективность применения регулируемого электропривода турбомеханизмов // Электротехнические комплексы и системы управления: Сб. науч тр. Воронеж: ВГТУ, 2003, с. 7176.

10. Иванов В.В., Колпаков А. И. Применение IGBT в мощных инверторах электропривода // Первая Международная (12 Всероссийская) конференция по автоматизированному электроприводу. СПб., 1995, с. 2125.

11. Калашников Б.Е. Проблемы «длинного кабеля» в электроприводах с IGBT-инверторами // Электротехника, 2002, № 12, с. 24-26.

12. Ключев В.И. Теория электропривода. М.: Энергоатомиздат, 1985,560 с.

13. Ковчин С.А., Сабинин Ю.А. Теория электропривода. СПб.: Энергоатомиздат, 1994, 496 с.

14. Копылов И. П. Математическое моделирование электрических машин: Учеб. для вузов по спец. "Электромеханика". 2-е изд., перераб. и доп. М.: Высш. шк., 1994. 318 е.: ил.

15. Копылов И. П. Электрические машины: Учеб. для вузов, 2-е изд., перераб. М.: Высш. шк.; Логос; 2000. 607 с.

16. Кудрявцев A.B. Исследование преобразователя частоты регулируемого электропривода на базе четырехуровневого инвертора напряжения // Записки Горного Института; Т.173 СПб.: СПГГИ(ТУ), 2007 г. - С. 86-90.

17. Кудрявцев A.B. Оптимизация широтно-импульсной модуляции многоуровневых преобразователей частотно-регулируемого электропривода // Записки Горного Института; Т.195 СПб.: СПГГИ(ТУ), 2011 г. - С. 263267.

18. Кудрявцев A.B. Построение наблюдателя напряжений на переключаемых конденсаторах четырехуровневого инвертора напряжения /

19. A.B. Кудрявцев, О.Б. Шонин // Мат. межвуз. науч-практич. конф. студентов и аспирантов XL Неделя науки СПбГПУ, СПб.: Изд-во Политехи, ун-та, 2011 г. с. 44-46.

20. Кузнецов O.A. Анализ надежности электроприводных газоперекачивающих агрегатов // Автоматизация и управление в машиностроении, №7, 2011 г.

21. Научно-техническая политика ОАО «Газпром» в области газоперекачивающей техники // www.turbinist.ru.

22. Онищенко Г. Б., Юньков М. Г. Электропривод турбомеханизмов. М.: Энергия, 1972.-240 с.

23. Онищенко Г.Б., Юньков М.Г. Электропривод мощных турбомашин. М.: ЦИНТИ Приборэлетропром, 1962.

24. Розанов Ю. К. Основы силовой преобразовательной техники. М.: Энергия, 1979.

25. Сабинин А. С., Грузов В. JI. Частотно-регулируемые асинхронные электроприводы. Д.: Энергоатомиздат, 1985. -128.е., ил.

26. Сандлер А. С., Сарбатов Р. С. Частотное управление асинхронными двигателями. М.: Энергия, 1974, 328 с.

27. Соколовский Г.Г. Электроприводы переменного тока с частотным регулированием. М.: Академия, 2006, 272 с.

28. Частотно-регулируемый электропривод турбокомпрессоров // http://leg.co.ua.

29. Чиженко И. М., Руденко В. С, Сенько В. И. Основы преобразовательной техники. М.: Высшая школа, 1974.

30. Чиликин М.Г., Ключев В.И., Сандлер JI.C. Теория автоматизированного электропривода. М.: Энергия, 1979, 616 с.

31. Шрейнер Р. Т. Математическое моделирование электроприводов переменного тока с полупроводниковыми преобразователями частоты. Екатеринбург: УРО РАН, 2000 г., 654 с.

32. Янко-Триницкий А. А. Уравнения переходных электромагнитных процессов асинхронного двигателя и их решения // Электричество, 1951 г., №3, с. 18-25.

33. Adam G.P., Finney S.J., Massoud A.M., Williams B.W. Capacitor balance issues of the diode-clamped multilevel inverter operated in a quasi two-state mode // IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 55, no. 8, Aug. 2008, pp. 3088-3099.

34. Arsov G.L., Mircevski S. Quo Vadis, Thyristor? // 14th International Power Electronics and Motion Control Conference, EPE-PEMC 2010, T2, pp. 152157.

35. Bose B.K. Modern Power Electronics: Evaluation, Technology, and Applications // IEEE Press, New York, 1992.

36. Colak I., Bayindir R., Kabalci E. A Modified Harmonic Mitigation Analysis Using Third Harmonic Injection PWM in a Multilevel Inverter Control // 14th International Power Electronics and Motion Control Conference, EPE-PEMC 2010, T2, pp. 215-220.

37. Corzine K. A., Delisle D. E., Borraccini J. P., Baker J. R. Multi-level power conversion: present research and future investigations // Proc. All Electric Ship Conference, IMarE, Paris, France, 2000.

38. Defay F., Llor A.-M., Fadel M. A predictive control with flying capacitor balancing of a multicell active power filter // IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 55, no. 9, Sep. 2008, pp. 3212-3220.

39. Fazel S.S. Investigation and Comparison of Multi-Level Converters for Medium Voltage Applications. Doktoringenieurs genehmigte Dissertation, Technische Universität Berlin, 2007.

40. Gateau G., Fadel M., Maussion P., Bensaid R., Meynard T.A. Multicell converters: Active control and observation of flying-capacitor voltages // IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 49, no. 5, Oct. 2002, pp. 998-1008.

41. Gateau G., Meynard T.A., Foch H. Stacked multicell converter (SMC): Properties and design // in Proc. 32nd Annual IEEE PESC, Jun. 17-21, 2001, vol. 3, pp. 1583-1588.

42. Duijsen P., Bauer P., Leuchter J. Thermal Models for Semiconductors // 14th International Power Electronics and Motion Control Conference, EPE-PEMC 2010, T.l, pp. 23-28.

43. Hava A. M., Kerkman R. J., Lipo T. A. Simple Analytical and Graphical Tools for Carrier Based PWM Methods // IEEE Power Electronics Specialists Conference St. Louis, Missouri, June 22-27, 1997, Volume 2, pp. 1462-1471.

44. Hill W. A., Harbourt C. D. Performance of medium voltage multi-level inverters // Proc. IAS, IEEE, Phoenix, 1999, pp. 1186-1192.

45. Hiller M., Krug D., Sommer R., Rohner S. A New Highly Modular Medium Voltage Converter Topology for Industrial Drive Applications // EPE 2009-Barcelona, ISBN: 9789075815009, pp. 1-10.

46. Holmes D. G. and Lipo T. A. Pulse Width Modulation for Power Converters // Piscataway, NJ: IEEE Press, 2003.

47. Hoosh B.M., Zaimeddine R., T.M. Undeland. Comparison of Harmonics and Common Mode Voltage in NPC and FLC Multilevel Converters // 14th International Power Electronics and Motion Control Conference, EPE-PEMC 2010, T2, pp. 159-161.

48. Jacobs H., Rabich S., Petzoldt J., Delfo S., Reimann T. Experimental Investigation of a Three-Phase-Four-Level Flying Capacitor PWM-VSI // EPE 2003 Toulouse ISBN : 90-75815-07-7, pp. 1-8.

49. Jouanne A., Enjeti P.N., Banerjee B. Assessment of Ride-Through Alternatives for Adjustable-Speed Drives // IEEE Transactions on Industry Applications, vol. 35, no. 4, July/August 1999, pp. 908-916.

50. Kang D.-W., Lee B.-K., Jeon J.-H., Kim T.-J., Hyun D.-S. A Symmetric Carrier Technique of CRPWM for Voltage Balance Method of Flying-Capacitor Multilevel Inverter // IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 52, no. 3, June 2005, pp. 879-888.

51. Kobrle P., Pavelka J. Analysis of Permissible State of Flying Capacitors Multilevel Inverter Switch // 14th International Power Electronics and Motion Control Conference, EPE-PEMC 2010, T3, pp. 42-45.

52. Kou X., Corzine K.A., and Familiant Y.L. A unique fault-tolerant design for flying capacitor multilevel inverter // IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 19, Jul. 2004, no. 4.

53. Krug D., Bernet S., Fazel S.S., Jalili K., Malinowski M. Comparison of 2.3-kV medium-voltage multilevel converters for industrial medium-voltage drives // IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 54, no. 6, Dec. 2007, pp. 29792992.

54. Lai J.-S. and Peng F. Z. Multilevel converters—A new breed of power converters // IEEE Transactions on Industry Applications, vol. 32, no. 3, May/Jun. 1996, pp. 509-517.

55. Lee W.-K., Kim S.-Y., Yoon J.-S., Baek D.-H. A Comparison of the Carrier-based PWM techniques for Voltage Balance of Flying Capacitor in the Flying Capacitor Multilevel Inverter // ISBN: 0-7803-9547-6, pp. 1653-1658.

56. Leonhard W. Adjustable-speed AC drives // Proc. IEEE, 76(4), April 1988, pp. 455-471.

57. Leonhard W. Control of Electrical Drives // Springer-Verlag, New York,1996.

58. Lin B.R. and Huang C.H. Implementation of a three-phase capacitor clamped active power filter under unbalanced condition // IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 53, no. 5, Oct. 2006, pp. 1621-1630.

59. Marinov A., Valchev V. Improved methodology for power loss measurements in power electronic switches using digital oscilloscope and

60. MATLAB // 14th International Power Electronics and Motion Control Conference, EPE-PEMC 2010, T7, pp. 6-9.

61. Masukawa S., Iida S. A method of reducing harmonics in output voltages of a double-connected inverter // IEEE Trans. Power Electron., 9, pp. 543549.

62. Matsui K., Asao M., Ueda F., Tsuboi, K., Iwata K. A technique of parallel-connections of pulsewidth modulated NPC inverters by using current sharing reactors // Proc. IECON, IEEE, Maui, 1993, pp. 1246-1249.

63. McGrath B.P., Holmes D.G. Analytical Determination of the Capacitor Voltage Balancing Dynamics for Three-Phase Flying Capacitor Converters // IEEE Transactions on Industry Applications, vol. 45, no. 4, July/August 2009, pp. 14251433.

64. McGrath B.P., Holmes D.G. Natural Capacitor Voltage Balancing for a Flying Capacitor Converter Induction Motor Drive // IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 24, no. 6, June 2009, pp. 1554-1561.

65. Meynard T., Foch H., Thomas P., Courault J., Jakob R., and Nahrstaedt M. Multicell converters: Basic concepts and industry applications // IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 49, no. 5, Oct. 2002, pp. 955964.

66. Meynard T., Foch H., Forest F., Turpin C., Richardeau F., Delmas L., Gateau G., Lefeuvre T.A. Multicell converters: Derived topologies // IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 49, no. 5, Oct. 2002, pp. 978-987.

67. Meynard T., Fadel M., and Aouda N. Modelling of multilevel converters // IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 44, no. 3, Jun. 1997, pp. 356364.

68. Narayanan, R.L. Behaviour of variable speed drives under the influence of voltage sags, Master of Engineering (Hons.) thesis, School of Electrical, Computer and Telecommunications Engineering, University of Wollongong, 1999.

69. Naumanen V. Multilevel converter modulation: implementation and analysis. Dissertation, Lappeenranta University of Technology, ISBN 978-952214-934-3,2010.

70. Osman R. H. A medium-voltage drive utilizing series-cell multilevel topology for outstanding power quality // Proc. IAS, IEEE, Phoenix, 1999, 26622669.

71. Rodriguez J., Bernet S., Wu B., Pontt J.O., Kouro S. Multilevel Voltage-Source-Converter Topologies for Industrial Medium-Voltage Drives // IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 54, no. 6, December 2007, pp. 29302945.

72. Rodriguez J, Lai J.-S., Peng F.Z. Multilevel inverters: a survey of topologies, controls, and applications // IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 49, no. 4, August 2002, pp. 724-738.

73. Rojas R., Ohnishi T., and Suzuki T. PWM control method for a four-level inverter// in Proc. Electric Power Applications, IEE, 1995, pp. 390-396.

74. Skvarenina T.L. Power Electronics Handbook // CRC Press LLC, ISBN: 0-8493-7336-0, 2002.

75. Stala R., Pirog S., Baszynski M., Mondzik A., Penczek A., Czekonski J., Gasiorek S. Results of Investigation of Multicell Converters With Balancing Circuit—Part I // IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 56, no. 7, July 2009, pp. 2610-2619.

76. Tenconi S. M., Carpita M., Bacigalupo C., and Cali R. Multilevel voltage source converter for medium voltage adjustable speed drives // in Proc. ISIE, IEEE, Athens, 1995, pp. 91-96.

77. Thielemans S. Balancing and Control of Power Electronic Flying Capacitor Multilevel Converters // Ph. D. Dissertation, Faculteit Ingenieurswetenschappen en Architectuur, Academiejaar, 2012.

78. Thielemans S., Vyncke T., Melkebeek J. Balancing and harmonic analysis of flying capacitor multilevel converters // 25th Convention of IEEE Electrical and Electronics Engineers in Israel (IEEEI 2008), December 2008, pp. 609-613.

79. Thielemans S., Melkebeek J. Flying capacitor multilevel converters for AC machines // Proceedings 4th IEEE Benelux Young Researchers Symposium, February 2008.

80. Thielemans S., Ruderman A., Reznikov B., Melkebeek J. Fivelevel H-bridge flying capacitor converter voltage balance dynamics analysis // IEEE International Symposium on Industrial Electronics (ISIE 2010), July 2010, pp. 826-831.

81. Thielemans S., Ruderman A., Reznikov B., Melkebeek J. Selfprecharge for single-leg odd-level multilevel converter // 5th IET International Conference on Power Electronics, Machines and Drives (PEMD 2010), April 2010, pp. 1-6.

82. Thielemans S., Ruderman A., Melkebeek J. Self-precharge in single-leg flying capacitor converters // 35th Annual Conference of IEEE Industrial Electronics (IECON 2009), November 2009, pp. 812-817.

83. Thielemans S., Ruderman A., Reznikov B., Melkebeek J. Simple time domain analysis of a 4-level H-bridge flying capacitor converter voltage balancing

84. IEEE International Conference on Industrial Technology (ICIT 2010), March 2010, pp. 818-823.

85. Tolbert L. M. and Peng F. Z. Multilevel converters for large electric drives // IEEE Transactions on Industry Applications, vol. 35, no. 1, January/February 1999, pp. 36-44.

86. Wilkinson R.H., Meynard T.A., Mouton H. du T. Natural balance of multicell converters: The two-cell case // IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 21, no. 6, Nov. 2006, pp. 1649-1657.

87. Zhang L. and Watkins S.J. Capacitor voltage balancing in multilevel flying capacitor inverters by rule-based switching pattern selection // IET Elect. Power Appl., vol. 1, no. 3, May 2007, pp. 339-347.