Аннотация
Постановка задачи (актуальность работы): современные мощные электроприводы прокатных станов выполняются на базе синхронных и асинхронных двигателей и преобразователей частоты (ПЧ), построенных по симметричной схеме с активными выпрямителями (АВ) и инверторами напряжения. Характерной особенностью АВ является генерирование высокочастотных гармоник напряжения и тока с номерами выше 40-й, что обусловлено применением широтно-импульсной модуляции (ШИМ) для управления силовыми ключами. В системах внутризаводского электроснабжения металлургических заводов со средним объемом производства (1–2 млн тонн стали в год) используется протяженные распределительные сети среднего напряжения 6–35 кВ. При большой длине кабельных линий суммарное значение распределенной емкости кабелей может достигать нескольких микрофарад. В результате взаимодействия индуктивности сетевого трансформатора и емкостей кабелей в частотной характеристике сети возникает резонанс токов, амплитуда которого при большой величине емкости кабелей может располагаться в области частот высших гармоник, генерируемых АВ. В этом случае возникают сильные высокочастотные искажения напряжения на общих секциях распределительных устройств, что может приводить к выходам из строя преобразователей частоты из-за появления ошибок в работе блоков формирования управляющих импульсов силовых ключей АВ. По этой причине актуальной задачей является исследование различных способов обеспечения электромагнитной совместимости (ЭМС) мощных ПЧ с АВ в условиях наличия резонансов токов в частотной характеристике питающей сети. Цель работы: в работе исследуются причины возникновения сильных искажений напряжения в сети 10 кВ внутризаводского электроснабжения металлургического предприятия, где установлены мощные электроприводы клетей прокатного стана, построенные на базе многоуровневых преобразователей частоты с активными выпрямителями. На основании экспериментальных исследований и результатов математического моделирования предложены способы обеспечения электромагнитной совместимости ПЧ с питающей сетью. Используемые методы: обработка экспериментальных данных осуществлялась в математическом пакете Matlab с приложением Simulink, где с помощью методов спектрального анализа и разработанных алгоритмов обработки сигналов осуществлялся расчет основных коэффициентов гармонических составляющих напряжения сети 10 кВ. Для исследования способов коррекции частотной характеристики сети 10 кВ использовалось математическое моделирование системы внутризаводского электроснабжения. Новизна. В настоящее время проблема обеспечения ЭМС мощных ПЧ с АВ является малоизученной и слабо освещена в отечественной и зарубежной литературе. В связи с этим результаты исследования, представленные в работе, обладают новизной, теоретической и практической значимостью. Результат: основным результатом исследований является рекомендация по использованию специализированного корректирующего фильтра для обеспечения сдвига резонанса токов в безопасную область частотной характеристики 10 кВ, где отсутствуют значимые гармоники силовых преобразователей. Практическая значимость: результаты исследований могут быть использованы при проектировании систем электроснабжения промышленных предприятий для осуществления правильного выбора конфигурации электрических сетей среднего напряжения, а также при решении проблем качества электроэнергии на действующих предприятиях, где при работе мощных ПЧ с АВ возникают сильные высокочастотные искажения напряжения.
Ключевые слова
Преобразователь частоты, активный выпрямитель, высшие гармоники, качество электроэнергии, электромагнитная совместимость, резонанс токов, фильтр высших гармоник.
1. Исследование воздействия активных выпрямителей большой мощности на питающую сеть / Т.Р. Храмшин, Г.П. Корнилов, А.А. Николаев и др. // Вестник Ивановского государственного энергетического университета. 2013. №1. С. 80–83.
2. F. Endrejat and P. Pillay, "Resonance Overvoltages in Medium Voltage Multilevel Drive System," 2007 IEEE International Electric Machines & Drives Conference, Antalya, 2007, pp. 736–741.
3. K. M. Alawasa, Y. A. R. I. Mohamed and W. Xu, "Active Mitigation of Subsynchronous Interactions Between PWM Voltage-Source Converters and Power Networks," in IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 29, no. 1, pp. 121–134, Jan. 2014.
4. Храмшин Т.Р., Крубцов Д.С., Корнилов Г.П. Оценка методов широтно-импульсной модуляции напряжения активных выпрямителей прокатных станов // Машиностроение: сетевой электронный научный журнал. 2013. №2. С. 48–52.
5. Храмшин Т.Р., Абдулвелеев И.Р., Корнилов Г.П. Обеспечение электромагнитной совместимости мощных электротехнических комплексов // Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия «Энергетика». 2015. Т. 15, № 1. C. 82–93.
6. J. Dong, L. Rixin,W. Fei, L. Fang,W. Shuo, and D. Boroyevich, “Study of conducted EMI reduction for three-phase active front-end rectifier,” IEEE Trans. Power Electron., vol. 26, no. 12, pp. 3823–3831, Dec. 2011.
7. B. Piepenbreier and L. Sack, "Regenerative drive converter with line-frequency switched rectifier and without DC link components," Power Electronics Specialists Conference, 2004. PESC 04. 2004 IEEE 35th Annual, 2004, pp. 3917–3923, vol. 5.
8. Крюков О.В. Сравнение характеристик высоковольтных преобразователей частоты электроприводов // Электротехника: сетевой электронный научный журнал. 2016. Т. 3, № 2. С. 50–56.
9. V. Miskovic, V. Blasko, T. Jahns, A. Smith and C. Romenesko, «Observer based active damping of LCL resonance in grid connected voltage source converters», 2013 IEEE Energy Conversion Congress and Exposition, Denver, CO, 2013, pp. 4850–4856.
10. G. Shen, D. Xu, L. Cao, and X. Zhu, “An improved control strategy for grid-connected voltage source inverters with an LCL-filter,” IEEE Trans. Power Electron., vol. 23, no. 4, pp. 1899–1906, Jul. 2008.
11. J. R. Rodriguez, J. Pontt, R. Huerta, G. Alzamora, N. Becker, S. Kouro, P. Cortes, and P. Lezana, “Resonances in a high-power active-front-end rectifier system,” IEEE Trans. Ind. Electron., vol. 52, no. 2, pp. 482–488, Apr. 2005.
12. K. O'Brien, R. Teichmann and S. Bernet, "Active rectifier for medium voltage drive systems," Applied Power Electronics Conference and Exposition, 2001. APEC 2001. Sixteenth Annual IEEE, Anaheim, CA, 2001, pp. 557–562, vol. 1.
13. M. Yuquan, Z. Lihong and H. Shufen, "Calculation of the Filter Parameters for the Aluminum Electrolyzation Rectifier," Intelligent Computation Technology and Automation (ICICTA), 2010 International Conference on, Changsha, China, 2010, pp. 906–910.
14. S. Chaladying, A. Charlangsut and N. Rugthaichareoncheep, "Parallel resonance impact on power factor improvement in power system with harmonic distortion," TENCON 2015 – 2015 IEEE Region 10 Conference, Macao, 2015, pp. 1–5.
15. T.M. Blooming and D.J. Carnovale, "Application of IEEE STD 519-1992 Harmonic Limits," Conference Record of 2006 Annual Pulp and Paper Industry Technical Conference, Appleton, WI, 2006, pp. 1–9.
16. J. Pontt, J. Rodriguez, J. S. Martin, R. Aguilera, R. Bernal and P. Newman, "Resonance mitigation and dynamical behavior of systems with harmonic filters for improving reliability in mining plants," Conference Record of the 2006 IEEE Industry Applications Conference Forty-First IAS Annual Meeting, Tampa, FL, 2006, pp. 1298–1302