Full Text

Введение. Турбокомпрессорные установки сегодня является основой всех газоперекачивающих агрегатов магистральных газопроводов [1-5]. От энергетических характеристик центробежных нагнетателей и их приводов во многом зависят энергоэффективность, надежность и экологичность в целом газотранспортных систем РФ [6-10]. С этих системных позиций наиболее перспективными в новых экономических условиях являются электроприводные газоперекачивающие агрегаты (ЭГПА), потенциал энергосбережения и функциональные возможности которых далеко не исчерпаны [11-15]. В соответствии с руководящими документами ПАО «Газпром» концепцией развития ЭГПА наметилась устойчивая тенденция перехода на использование частотно-регулируемых электроприводов ЭГПА на базе высоковольтных преобразователей частоты, выпускаемых, в частности, по импортозамещению и рядом отечественных предприятий [16-19]. Основные характеристики высоковольтных преобразователей частоты. Одним из основных энергетических показателей, характеризующих технический уровень высоковольтных преобразователей частоты (ВВ ПЧ), является степень искажения формы выходного напряжения и тока ПЧ в ЭГПА [20-23]. Являясь нелинейной нагрузкой для питающей сети, ПЧ искажают форму тока в линиях питания и в результате вызывают искажение напряжения в питающей сети, что неблагоприятно отражается на работе другого электрооборудования, питающегося от данной сети [24-27]. Проблема электромагнитной совместимости (ЭМС) мощных полупроводниковых ПЧ с примыкающими сетями электроснабжения связана с двумя факторами: потреблением реактивной мощности на основной частоте и искажениями формы тока в питающей сети. Ограничение потребления реактивной мощности до нормативных значений cosφ обычно обеспечивается в ПЧ с автономным инвертором напряжения (АИН) использованием неуправляемого выпрямителя (НВ). Реактивная мощность по первой гармонике при этом невелика. При использовании активных (управляемых) выпрямителей (АВ), что характерно для ПЧ с автономным инвертором тока (АИТ), применяют АВ или дополнительные фильтрокомпенсирующие устройства (ФКУ). При выпрямлении тока трехфазным мостовым полупроводниковым преобразователем, нагруженным на емкостную нагрузку фильтра, возникает искажение (несинусоидальность) формы тока в сети, питающей выпрямитель. Высшие гармоники тока вызывают падение напряжения в элементах питающей сети, что ведет к искажению напряжения в сети с ПЧ. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения установлены ГОСТ 13109-97, который определяет коэффициент искажения синусоидальности кривой напряжения как полный коэффициент гармоник (THD). Нормально допустимое и предельно допустимое значения коэффициента искажения синусоидальности кривой напряжения в точках общего присоединения к электрическим сетям с номинальным напряжением 6-20 кВ не должно превышать 5 и 8 % соответственно. Обычно при измерении и разложении в ряд периодической кривой напряжения ограничиваются учетом гармоник, включая 40-ю, n ≤ 40. Это связано с возможностями измерительных приборов. Нормально допустимые значения коэффициента n-й гармонической составляющей напряжения в точках общего присоединения к электрическим сетям с номинальным напряжением Uном 6-20 кВ приведены в табл. 1. При этом предельно допустимые значения гармоник принимают в 1,5 раза большими. Для оценки влияния ПЧ на сеть недостаточно знать коэффициенты искажения (kи). Большое значение здесь имеет величина мощности короткого замыкания, приведенная к напряжению шин в точке подключении ПЧ. Для мощных сетей с большими токами короткого замыкания искажение формы тока может отражаться незначительно. Таблица 1 Допустимые значения коэффициента гармонической составляющей напряжения, % Нечетные гармоники, не кратные 3 Нечетные гармоники, кратные 3 Четные гармоники n % n % n % 5 4 3 1,5 2 1,5 7 3 9 0,5 4 0,7 11 2 15 0,3 6 0,3 13 2 21 0,2 8 0,3 17 1,5 >21 0,2 10 0,3 19 1 12 0,2 23 1 >12 0,2 25 1 >25 0,2+0,8·25/n Для слабых сетей электроснабжения с токами короткого замыкания Iкз < 12 кА выполнение условия допустимого значения kи является проблематичным. В этих случаях неизбежна установка индивидуальных ФКУ, что приводит к существенным дополнительным затратам. Положительный результат может быть также получен увеличением пульсности входного НВ с применением многообмоточного входного трансформатора. Радикальное решение этой проблемы достигается использованием АВ на полностью управляемых полупроводниковых ключах. Решение вопросов ЭМС ВВ ПЧ с питающей сетью во многом зависит от общей системы электроснабжения и ее параметров и выходит за рамки данной статьи. Значительные трудности возникают при обеспечении ЭМС ПЧ с приводным электродвигателем переменного тока. Поскольку выходное напряжение ПЧ с АИН состоит из отдельных отрезков прямоугольной формы, то искажение формы выходного напряжения (а, следовательно, и выходного тока) будет весьма велико. Аналогичная картина будет и в АИТ. Это обстоятельство радикальным образом отражается на топологии и составе оборудования ВВ ПЧ. Для решения проблемы используются два основных технических решения: применение многоуровневых инверторов и установка выходных синусных фильтров. Искажение синусоидальной формы выходных напряжения и тока самым неблагоприятным образом влияют на работу ВВ асинхронных (АД) и синхронных двигателей (СД), вызывая дополнительно нагрев и вибрации двигателя, сокращая срок службы его изоляции и создавая так называемую проблему длинного кабеля. Форма напряжения АИН с ШИМ представляет собой последовательность ВВ прямоугольных импульсов различной полярности и длительности (в многоуровневых АИН разной амплитуды), характеризующихся высокой крутизной фронта импульсов dU/dt. Последняя определяется также скоростью (временем) переключения силовых ключей АИН. Это время для IGBT и IGCT составляет порядка 0,05-2,0 мкс. Волна импульсного напряжения воздействует на изоляцию обмоток статора, вызывает ее старение, что приводит к постепенному уменьшению электрической прочности межвитковой изоляции. Другой не менее серьезной проблемой является перенапряжение на обмотках статора двигателя, которое зависит от длины кабеля между ПЧ и двигателем. В кабеле возникают при приложении импульсов напряжения волновые процессы, в результате которых амплитуда напряжения на конце кабеля может достигать двухкратного значения. Компенсация этих отрицательных явлений может быть достигнута установкой на выходе ПЧ синусных фильтров или уменьшением амплитуды импульсов напряжения в случае использования многоуровневых АИН. Наличие высокочастотных (ВЧ) составляющих в выходном токе ПЧ приводит к дополнительному нагреву магнитопровода двигателя переменного тока, появлению высших гармоник в магнитодвижущей силе (МДС) статора, увеличивающих шум и вибрации двигателя. Совершенно недопустима работа АД и СД с массивным ротором (так называемых турбодвигателей) от ПЧ с высоким коэффициентом несинусоидальности выходного тока. Дополнительный нагрев бочки ротора от (МДС) высших гармоник приводит к выходу двигателя из строя или к необходимости существенного (на 30-40 %) снижения нагрузки двигателя. Эксплуатирующиеся в настоящее время ВВ АД и СД не были предназначены для работы от ПЧ, выходные ток и напряжение которых содержат высшие гармоники, приводящие к дополнительному нагреву АД, ухудшению изоляции и другим неблагоприятным факторам. Исходя из изложенного, непременным требованием к ВВ ПЧ различных видов топологий является обеспечение качества выходной электроэнергии по величине несинусоидальности требованиям стандарта, т.е. величина THD по току и напряжению не должна превышать 5-8 % во всех режимах работы ПЧ. Это достигается установкой в необходимых случаях фильтров с соответствующими параметрами. Для этого необходимо проведение сравнительного анализа гармонического состава выходных напряжений и токов ВВ ПЧ при различной топологии их построения [28-31], включая определение гармонического состава выходных токов и напряжений и определение THD напряжения и тока и нахождение параметров синусных фильтров, которые позволяют снизить THD до допустимых значений. Описание имитационных моделей высоковольтных преобразователей частоты: 1. Имитационная модель двухуровневого АИН на IGBT в среде MatLab-Simulink представлена на рис. 1. Модель является базовой и состоит из источника постоянного напряжения, который моделируется идеальным, не имеющим внутреннего сопротивления. Рис. 1. Имитационная модель двухуровневого АИН с ШИМ Двухуровневый ПЧ представляет собой АИН, собранный по трехфазной мостовой схеме с ключами IGBT, встречно-параллельно транзисторам включены диоды, предназначенные для пропускания индуктивных токов при активно-индуктивной нагрузке в момент коммутации. При скалярном принципе регулирования выходных параметров ПЧ [32-35], что характерно для рассматриваемых электроприводов большой мощности, работающих в продолжительном режиме, используется традиционный закон управления: U/f = const. Это соотношение (формула М.П. Костенко) применяется для механизмов с вентиляторным характером нагрузки, включая все компрессоры, когда нет необходимости при снижения скорости стабилизировать момент. Исходя из схемы замещения ВВ машины [36-39], можно положить r1 = 0. Тогда при изменении напряжения по принятому закону управления ток намагничивания Iμ и, следовательно, поток статора Ф1 остаются постоянными при регулировании скорости двигателя. При таком способе скалярного регулирования ВВ двигателей их максимальный момент в диапазоне скоростей 10:1 остается практически неизменным. При моделировании используются следующие значения индексов ШИМ: при частоте инвертора 50 Гц индекс модуляции равен 1; при частоте инвертора 30 Гц равен 0,6; при частоте 15 Гц индекс модуляции равен 0,3. Напряжение инвертора при этом меняется в соответствии с известным выражением: , а напряжение источника постоянного напряжения принимается при питании от сети 6 кВ Ud = 9798 В. Трехфазные измерители напряжения и тока предназначены для представления результатов моделирования в виде, удобном для отображения их на осциллографах. Нагрузкой инвертора является высоковольтный асинхронный двигатель, в модели он представляется своей Г-образной схемой замещения. Между инвертором напряжения и нагрузкой установлен Г-образный электрический фильтр, предназначенный для сглаживания выходного напряжения инвертора до заданного уровня коэффициента гармоник. 2. Имитационная модель ПЧ по двухтрансфторматорной схеме с низковольтным АИН в среде MatLab-Simulink отличается от представленной на рис. 1 тем, что в нее добавлен блок трансформатора, а напряжение источника постоянного напряжения принимается равным Ud = 1126 В. В этой связи между АИН и АД устанавливается повышающий трансформатор для согласования инвертируемого напряжения с номинальным напряжением ВВ машины. 3. Имитационная модель ПЧ с трехуровневым АИН на IGBT или IGCT в среде MatLab-Simulink состоит из двух источников постоянного напряжения с общей точкой, которые моделируются как идеальные источники напряжения без внутреннего сопротивления. Поэтому она отличается от модели на рис. 1 наличием блока трехуровнего моста. Амплитуда напряжения АИН формируется двумя последовательно включенными инверторами напряжения при напряжении каждого Ud = 4899 В. 4. Имитационная модель ПЧ с многообмоточным трансформатором и каскадным соединением инверторных модулей (для одиннацатиуровневого инвертора напряжения) в среде MatLab-Simulink представлена на рис. 2. Инвертор состоит из пятнадцати ячеек однофазных двухуровневых инверторов, соединенных в звезду по пять ячеек последовательно в луче. Одиннадцать уровней линейного напряжения достигаются последовательным соединением пяти источников напряжения в каждой фазе плюс нулевое значение. Напряжение каждого из источников принимается Ud = 979,8 В. Остальные элементы модели, фильтр, нагрузка, измерительные элементы аналогичны предыдущим моделям. Рис. 2. Имитационная модель одиннадцатиуровневого инвертора 5. Имитационная модель с ШИМ-выпрямителем и ШИМ АИТ на SGCT в среде MatLab-Simulink представлена на рис. 3. Модель состоит из идеального источника тока, инвертора тока и нагрузки, состоящей из активного и индуктивных сопротивлений Г-образной схемы замещения двигателя. Ключи инвертора тока моделируются идеальными, без временной задержкой при отключении. Система управления АИТ предусматривает управление ключами таким образом, чтобы не допустить разрыва цепи постоянного тока в момент коммутации ключей. Поскольку бросок напряжения многократно превышает рабочее напряжение двигателя, необходима установка специальных буферных конденсаторов для совместимости АИТ с индуктивной нагрузкой. Кроме того, параллельно нагрузке включался С-фильтр. Рис. 3. Модель ПЧ с ШИМ-выпрямителем и ШИМ-инвертором тока на SGCT Результаты исследования гармонического состава выходного напряжения и тока высоковольтных преобразователей частоты. Варьируя значения частоты ШИМ и частоты инвертора, проведены измерения линейного напряжения между фазами А и В и тока фазы А, а также спектрального анализа напряжения и тока на выходе инвертора вплоть до гармоник, соответствующих частоте ШИМ. Всего было снято более 600 осциллограмм. Приведем наиболее характерные: 1. Результаты моделирования ПЧ с двухуровневым инвертором напряжения на IGBT. Таблица 2 Значения THD двухуровневого инвертора напряжения при полном учете гармоник Частота ШИМ: 1000 Гц P ад, кВт 800 1250 3150 f инв, Гц 50 30 15 50 30 15 50 30 15 THD U, % 68,58 120,5 197,5 68,58 119,7 197,3 68,58 120,3 197,8 THD I, % 9,7 15,23 9,7 8,6 13,74 9,06 9,74 15,3 9,656 Частота ШИМ: 1500 Гц P ад, кВт 800 1250 3150 f инв, Гц 50 30 15 50 30 15 50 30 15 THD U, % 68,58 120,4 197,4 68,61 120,5 197,4 68,62 120,5 197,4 THD I, % 6,5 10,47 7,15 5,75 9,385 6,573 6,55 10,5 7,143 Окончание табл. 2 Частота ШИМ: 2500 Гц P ад, кВт 800 1250 3150 f инв, Гц 50 30 15 50 30 15 50 30 15 THD U, % 68,67 120,5 197,8 68,67 120,5 197,8 68,68 120,5 197,8 THD I, % 3,92 6,39 4,59 3,46 5,712 4,16 3,948 6,418 4,592 Зависимости THDU и THDI двухуровневого инвертора напряжения для различных значений частот инвертора и частот ШИМ для двигателей различной мощности (полный спектр гармоник) даны на рис. 4, а характерные осциллограммы - на рис. 5. Рис. 4. Зависимости коэффициента гармоник напряжения и тока от частоты инвертора при разных частотах ШИМ (PАД = 800, 1250, 3150 кВт) а Рис. 5. Двухуровневый инвертор напряжения без фильтра (характерные осциллограммы при частоте ШИМ 1000 Гц и частоте инвертора 50 Гц): а - напряжение и ток нагрузки; б - напряжение нагрузки и спектр гармоник напряжения б Рис. 5. Окончание Исследование гармонического состава выходного напряжения двухуровневого инвертора проведено также на частоте модуляции 2500 Гц. Если сравнить полученные результаты с данными табл. 2, то можно констатировать, что при пропорциональном регулировании частоты и напряжения по мере снижения выходной частоты гармонический состав напряжения существенно ухудшается. Зависимость THDU напряжения (учитываемые гармоники n ≤ 40) двухуровневого АИН для различных значений частот инвертора и частот ШИМ приведена в табл. 3. Таблица 3 Значения THD (учитываемые гармоники n ≤ 40), полученные в результате моделирования двухуровневого инвертора напряжения F ШИМ, Гц 1000 1500 2500 f инв, Гц 50 30 15 50 30 15 50 30 15 TDH U, % 48,57 31 3,2 45,03 0,6 0,8 0,72 1,23 1,5 Результаты анализа моделирования гармонического состава ПЧ с двухуровневым АИН: · Гармонический состав двухуровневого инвертора напряжения без выходного фильтра крайне неблагоприятен. THDU достигает 200 % при учете полного состава гармоник. Использование данных ПЧ без мощного выходного фильтра невозможно. Коэффициент гармоник тока также велик и достигает 15 % при частоте ШИМ 1000 Гц, снижаясь до величины 6,4 % при частоте ШИМ 2500 Гц. · При уменьшении выходной частоты с одновременным пропорциональным снижении напряжения изменяется индекс модуляции, при этом ухудшается гармонический состав. Если используется более глубокое снижение частоты (например, по формуле М.П. Костенко), то THDU увеличивается по мере снижения частоты еще более значительно, примерно в 1,5 раза. · Увеличение частоты ШИМ не отражается на величине THDU, которая остается чрезмерно высокой даже при частоте ШИМ 2500 Гц при учете полного состава гармоник. Увеличение частоты ШИМ до 2500 Гц уменьшает коэффициент THDU почти в 100 раз, поскольку гармоники, вызванные ШИМ модуляцией, имеют порядок n = 50, т.е. не измеряются прибором и не учитываются при оценке. Однако эти гармоники существуют, и желательна их фильтрация. Коэффициент несинусоидальности тока THDI по мере увеличения частоты ШИМ уменьшается и мало зависит от выходной частоты инвертора. · Гармонический состав напряжения на выходе ПЧ практически не зависит от мощности двигателя 6,0 кВ в рассмотренном диапазоне мощностей (от 800 до 3200 кВт). Гармонический состав тока THDI мало зависит от мощности двигателя. Этот вывод относится ко всем вариантам преобразователей частоты и в дальнейшем изложении не повторяется. · Применение синусного фильтра на выходе преобразователя при достаточной его мощности позволяет снизить состав гармоник напряжения и тока: THDU - до 4 %, тока - до 0,5 %, т.е. до допустимых значений. Величина необходимой емкости фильтра существенно уменьшается при увеличении частоты ШИМ, однако при увеличении частоты ШИМ существенно увеличиваются потери на коммутацию ключей. 2. Результаты моделирования ПЧ с трехуровневым АИН на IGBT или IGCT: · Искажение кривой выходного напряжения для трехуровневого инвертора без выходных фильтров характеризуется существенно меньшими значениями THD при всех изменениях выходной частоты и частоты ШИМ по сравнению с двухуровневым инвертором. · Характер зависимости THD от выходной частоты ШИМ, по существу, аналогичен таким же зависимостям, как для двухуровневых инверторов. · Величина THD напряжения и тока мало зависит от мощности двигателя. · Применение Г-образного синусного фильтра при частоте ШИМ 1000 Гц позволяет получить допустимые значения THD напряжения и тока при изменении выходной частоты во всем диапазоне. · При частоте ШИМ 1500 Гц и выше требуемая величина ёмкости фильтра существенно уменьшается по сравнению с двухуровневым инвертором. 3. Результаты моделирования ПЧ с многообмоточным трансформатором и каскадным соединением пяти инверторных модулей (одиннадцатиуровневый инвертор напряжения): · Для ПЧ с многоуровневым каскадным АИН первые всплески гармоник появляются, начиная с частот, лежащих много выше частот ШИМ-модуляции, поэтому если принимать во внимание гармоники до 40, то применения выходных фильтров не требуется, если нет специальных требований к ограничению высокочастотных составляющих спектра гармоник. · В одиннадцатиуровневом инверторе за счет сдвига по фазе напряжений отдельных модулей происходит взаимокомпенсация высших гармоник, что ведет к существенному улучшению формы выходного напряжения и тока. С ростом выходной частоты инвертора от 15 до 50 Гц гармонический состав улучшается - THDU уменьшается. · Если рассматривать полный набор гармоник, в том числе выше 40-й, коэффициент гармоник по напряжению THDU не зависит от частоты ШИМ - с ростом частоты ШИМ растет частота гармоник (их набор сдвигается в область ВЧ), а амплитуда сохраняется. В этом случае THDU меньше 1 % (для fШИМ = 1000 Гц) и меньше 0,4 % при более высокой частоте ШИМ. · Искажение формы тока на выходе одиннадцатиуровневого АИН незначительно. Даже при учете полного набора гармоник THDI не превышает 1 %. С увеличением частоты ШИМ наличие гармонических составляющих в выходном токе еще более уменьшается. Зависимость коэффициента гармоник тока от мощности двигателя практически не проявляется. · Если учитывать только гармоники ниже 40-й, то синусный фильтр на выходе одиннадцатиуровневого инвертора можно не устанавливать, так как THDU ниже допустимого, что подтверждается практикой ведущих фирм-производителей этого типа ПЧ. 4. Результаты моделирования ПЧ по двухтрансформаторной схеме с низковольтным инвертором напряжения: · При отсутствии выходного фильтра коэффициент искажения напряжения очень большой, почти такой же, как и у ВВ двухуровневого ПЧ. Использование данной схемы без выходного фильтра невозможно. · Ступенчатый характер формы выходного напряжения данного ПЧ связан с тем, что выходной повышающий трансформатор имеет схему соединения обмоток «треугольник-звезда». · Применение низковольтного LC-фильтра на выходе инвертора позволяет снизить коэффициент искажения напряжения и тока до допустимых значений, однако требуемая мощность фильтра весьма велика. 5. Результаты моделирования ПЧ с ШИМ-выпрямителем и ШИМ-инвертором тока на SGCT с ёмкостным фильтром: · Для инвертора тока характерно большее искажение формы выходного напряжения, чем формы выходного тока. В ПЧ этого типа необходимо использование емкостных фильтров на выходе преобразователя. · Инверторы с ШИМ тока имеют ограниченный диапазон частоты ШИМ. · Применение выходного емкостного фильтра с реактивной мощностью 125 % от реактивной мощности двигателя позволяет получить нормальные значения THD тока и напряжения даже при частоте ШИМ 500 Гц. · Увеличение степени компенсации реактивной мощности двигателя улучшает гармонический состав выходного тока и напряжения. Выводы 1. Комплексный анализ моделирования гармонического состава выходного напряжения и тока высоковольтных преобразователей частоты различной топологии как без выходного фильтра, так и с синусным выходным фильтром показал, что наихудшие значения коэффициента искажения имеют двухуровневые АИН. 2. Коэффициент искажения напряжения для трехуровневых инверторов также имеет значения THDU, превосходящие допустимые. Однако требуемая мощность выходных фильтров будет при этом примерно на 40 % меньше, чем для двухуровневых инверторов. Многоуровневые инверторы напряжения с многообмоточным трансформатором имеют формы выходного напряжения и тока, близкие к синусоидальной, но для подавления гармоник высоких порядков рекомендуется устанавливать «слабые» фильтры. 3. Для инверторов тока с ШИМ-модуляцией тока установка С-фильтров необходима, исходя из принципов работы инверторов тока. При установке выходных конденсаторных фильтров соответствующей реактивной мощности коэффициент искажения по напряжению и току не будет превышать допустимых значений. Требуемая мощность конденсаторов составляет 1,25-1,75 от номинальной величины реактивной мощности приводного двигателя.

About the authors

S. E Stepanov

JSC «Giprogazcenter»

Email: Stepanov55@yandex.ru

References

Statistics

Views

Abstract - 20

PDF (Russian) - 18

Refbacks

• There are currently no refbacks.