Исследование работы каскадного высоковольтного преобразователя частоты в различных режимах работы
Журнал: Агротехника и энергообеспечение @agrotech-orel
Рубрика: Электротехнологии, электрооборудование и энергоснабжение агропромышленного комплекса
Статья в выпуске: 3 (52), 2026 года.
Бесплатный доступ
Рассмотрена методика проведения экспериментальных исследований с целью проверки соответствия технических характеристик для высоковольтных каскадных преобразователей частоты на примере ПЧ 10 кВ, 8 МВт, предназначенных для частотного пуска и регулирования скорости вращения высоковольтного синхронного электродвигателя. Представлено описание функциональной схемы трёхфазного многоуровневнего преобразователя, состоящего из 8 силовых ячеек на фазу, соединённых последовательно. Получены результаты нагрузочных испытаний для активного выпрямителя напряжения, которые позволили оценить различные алгоритмы управления высоковольтным преобразователем частоты и электропривода. При работе трёх активных выпрямителей напряжения одновременно на один многообмоточный трансформатор без нагрузки в режиме холостого хода наблюдались пульсации тока. При пуске одного активного выпрямителя напряжения и подключенных к многообмоточному трансформатору двух других силовых модулей, находящихся в пассивном режиме, наблюдались колебания в переходном процессе тока. Эти и другие результаты исследований получили научное обоснование и подтвердили работоспособность каскадного преобразователя в различных режимах работы с применением разработанных алгоритмов управления.
Короткий адрес: https://sciup.org/147255289
IDS: 147255289 | УДК: 621.314
Study of the operation of a cascade high‑voltage frequency converter in various operating modes
The methodology for conducting experimental studies to verify the compliance of technical characteristics for high-voltage cascade frequency converters is considered, using a 10 kV, 8 MW frequency converter as an example; it is designed for frequencybased starting and speed control of a high-voltage synchronous electric motor. A description is provided of the functional diagram of a three-phase multilevel converter consisting of 8 power cells per phase, connected in series. The results of load tests for an active voltage rectifier have been obtained; they made it possible to evaluate various control algorithms for a high-voltage frequency converter and electric drive. When three active voltage rectifiers were operating simultaneously on a single multi-winding transformer without a load in the open-circuit mode, current ripples were observed. When one active voltage rectifier was started and two other power modules connected to the multi-winding transformer, which were in a passive mode, were observed.
Текст научной статьи Исследование работы каскадного высоковольтного преобразователя частоты в различных режимах работы
Как известно, высоковольтные преобразователи частоты (ВПЧ) сегодня имеют широкое применение в различных областях промышленности, где требуется высокая мощность электропривода [1-4]. Кроме того, решения, применяемые в ВПЧ, находят применение в электроэнергетике в части вставок постоянного тока и распределительных устройств высокого напряжения (РУВН) и отдельных ячеек цифровых подстанций (рис. 1) [5-8].
Рисунок 1 – Общий вид РУВН на этапе строительно-монтажных работ
Описание экспериментальной установки
Целью проведения экспериментальных исследований является проверка соответствия технических характеристик ВПЧ на примере ПЧ 10 кВ/8 МВт. Функциональная схема изделия приведена на рисунок 2.
Рисунок 2 – Функциональная схема ВПЧ в процессе испытаний
Преобразователь предназначен для частотного пуска и регулирования скорости вращения высоковольтного синхронного электродвигателя (СД), обеспечивающий работу технологических устройств различного назначения [9-12]. Трёхфазный многоуровневый ВПЧ состоит из 8 силовых ячеек на фазу, соединённых последовательно (рис. 2).
Система управления ВПЧ организована следующим образом: главный контроллер (ГК) рассчитывает алгоритм векторного управления и выполняет алгоритм ШИМ для многоуровневого инвертора, формируя требуемые задания: уставки сравнения (скважности) для каждого силового модуля. Через интерфейс связи эти задания доставляются на каждый силовой модуль с частотой, равной частоте ШИМ. В обратной связи от контроллеров ячеек главный контроллер должен получает текущее напряжение на звене постоянного тока, так как это значение пульсирует в процессе работы, а учет напряжения нужен для расчета уравнений модуля ШИМ в ГК. Также ячейки отправляют на главный контроллер свой статус (работа, авария, отключен и т.п.) [13-16].
Инвертор имеет 8 силовых ячеек в фазе, каждая из которых может коммутироваться с частотой 500-2000Гц. Таким образом, минимальная эквивалентная частота ШИМ составляет 8‧500 = 4кГц. На данной частоте ГК должен доставить каждой силовой ячейке новую уставку. За время периода ШИМ реализовано два цикла отправки и приёма данных от ГК к силовым низковольтным ячейкам (СЯ) и обратно, чтобы повысить устойчивость к сбоям [17-20]. Таким образом, при эквивалентной частоте ШИМ инвертора равной 4 кГц частота полного цикла передачи пакетов от ГК к СЯ составляет 8 кГц. Таймеры ШИМ активного выпрямителя напряжения (АВН) и инвертора каждой СЯ должны быть синхронизированы между собой, коррекция таймера ШИМ ячейки производиться через посылку от ГК. Подстройка частоты ШИМ АВН может производиться на частоте 8 кГц. Для управления АВН была выбрана частота ШИМ 8 кГц, при которой в модели были настроены регуляторы АВН и получены результаты, удовлетворяющие требования к ВПЧ.
Нагрузочные испытания АВН
Первым этапом испытаний ВПЧ была функциональная проверка работоспособности силовых ячеек при одновременной работе АВН на многообмоточный трансформатор. Для проведения испытаний одновременной работы трёх СЯ с включенным АВН требуется настроить регуляторы токов АВН каждой СЯ. Настройка регуляторов в бездатчиковой векторной системе управления АВН осуществлялась с помощью средства отладки RTCON путем оценки переходных процессов на скачок задания тока. Результат настройки регулятора тока по оси d показан на рисунок 3. Переходной процесс является удовлетворительным и не приводит к автоколебаниям при одновременной работе трёх силовых модулей.
|
1 Задание |5103 01] |
2. Обратная связь 15103.02 |
|
■ Масш. |200 |A |
■ Масш.|200 |а |
|
□ Смещ 0 |A |
□ Смещ.|0 |А |
|
3.Выход регулятора (5103
|
4 Напряжение ЗПТ [5115 ( Г Масш.|500 |в □ Смещ.|0 |В |
Рисунок 3 – Реакция на скачок задания регулятора тока по оси d при работе одной силовой ячейки с настроенным регулятором тока. Время переходного процесса (между курсорами) 2,2 мс. В клетке по оси времени 4,2 мс
При работе трёх АВН одновременно на один многообмоточный трансформатор без нагрузки, т.е. в режиме холостого хода наблюдаются пульсации тока, показанные на рисунок 4. Это связано с тем, что в используемом типе 12-секторной ШИМ нет синхронизации смены привязок к шине между силовыми транзисторными стойками, несмотря на синхронизацию базовых таймеров ШИМ.
Рисунок 4 – Импульсы тока при работе трёх АВН на один трансформатор без нагрузки
Рассинхронизация смены привязок связана с расхождением в работе регулятора тока ячеек, выдающие задание напряжения на ШИМ, из-за возмущающих воздействий в системе, неравномерного распределения мощности по стойкам.
Таким образом, задание вектора напряжения между силовыми модулями получается разным, из-за чего смена секторов в 12-секторной ШИМ происходит в разные моменты времени. Кратковременная работа АВН разных силовых модулей в различных секторах 12- секторной ШИМ приводит к повышенным пульсациям тока в силу различных скважностей, приложенных к трем фазам инвертора (несинхронная работа ШИМ трёх АВН).
Поэтому при одновременной работе СЯ под нагрузкой за счет немного различной и пульсирующей потребляемой мощности на периоде первой гармоники каждой СЯ эффект пульсаций тока от рассинхронизации привязок 12-и секторной ШИМ будет выражен ещё сильнее.
При пуске одного АВН и подключенных к многообмоточному трансформатору двух других силовых модулей, находящихся в пассивном режиме (без включенного АВН), наблюдаются колебания в переходном процессе тока, график которого изображён на рисунок 5. Эти колебания не наблюдались при запуске одного АВН силового модуля без двух других СЯ.
Рисунок 5 – Эффект пассивных выпрямителей – реакция на скачок задания регулятора тока по оси d при работе одного силового модуля и подключенных пассивных двух других
На рисунке 6 приведена осциллограмма напряжения на следующей (по порядку от крайнего подключенного АВН) вторичной обмотки трансформатора при работе трёх АВН одновременно.
Рисунок 6 – Напряжение на следующей неподключенной обмотке трансформатора при трёх АВН
Как видно из осциллограммы, напряжение имеет синусоидальную форму с пульсациями от работы ШИМ на трёх АВН. Пульсации напряжения достигают 125-130 В, в результате чего у не работающих подключенных ячеек возможна накачка ЗПТ до уровня возникающих пульсаций напряжения.
Выводы
Проведенные экспериментальные исследования работы высоковольтного преобразователя частоты подтвердили работоспособность каскадного ВПЧ в различных режимах работы с применением разработанных алгоритмов управления. Показаны результаты испытаний разработанного ВПЧ.
