Дослідження нормальних та аварійних режимів роботи суднових високовольтних перетворювачів частоти

Abstract

Використання високовольтних перетворювачів частоти є одними з найперспективніших напрямків в розробці сучасних систем суднового електропостачання завдяки їх підвищеної надійності, економічної доцільності, підвищеної якості вихідної електроенергії, що дозволяє збільшити термін служби і якість регулювання потужних суднових електроприводів. В роботі виконано аналіз багаторівневих каскадних АІН на основі моделі в середовищі Matlab/SimPowerSystem. Дослідження електромагнітних процесів та спектрального складу вихідної напруги та струму показало, що THD як за струмом, так і за напругою стають кращими при використанні 5-рівневої системи порівняно з 3-рівневою, що свідчить про доцільність з цього критерію збільшення кількості рівнів. Частота модуляції має великий вплив на THD за струмом і пульсації електромагнітного моменту, в зв’язку з чим її правильний вибір з урахуванням припустимого перегріву транзисторів має важливу роль при проектуванні АІН. Також для підвищення перевантажувальної спроможності за моментом та коефіцієнту використання перетворювача за потужністю доцільно до синусоїдальної складової додавати третю гармоніку з амплітудою 1/6 від основної. Незважаючи на незначне погіршення THD діюче значення вихідної фазної напруги зростає майже на 16 % за рахунок чого електродвигун може розганятися швидше, що важливо для суднових агрегатів, насамперед підрулюючих пристроїв. В роботі показано доцільність використання методу балансування лінійних напруг, що при пошкодженні однієї або кількох секції забезпечує продовження функціонування АІН з максимальним використанням потужності і є найважливішою рисою каскадних АІН, особливо для живучості суден.

The use of high-voltage frequency converters is one of the most promising areas in the development of modern marine power supply systems, due to their increased reliability, economic feasibility, improved quality of output electricity, which allows to increase the service life and quality of regulation of powerful marine electric drives. In this paper, an analysis of multilevel cascade FC based on a Matlab/SimPowerSystem model is performed. A study of electromagnetic processes and the spectrum of the output voltage and current showed that THD both in current and in voltage becomes better when using a 5-level system compared to a 3-level system, which indicates the expediency of increasing the number of levels according to this criterion. The modulation frequency has a great influence on THD in current and pulsation of the electromagnetic torque, and therefore its correct choice, taking into account the permissible overheating of transistors, has an important role in the design of FC. It is also advisable to add a third har-monic with an amplitude of 1/6 of the main to the sinusoidal component of the voltage to increase the overload capacity. Despite a slight deterioration in THD, the RMS of the output phase voltage rises by almost 16%, due to which the electric motor can accelerate faster, which is important for marine units, especially for thrusters. The paper also shows the feasibility of using the method of balancing linear stresses in case when one or several cells are damaged, ensures the continued operation of the FC with the maximum use of power and is an important feature of cascading FC, especially significant for the survivability of ships.