Аннотация
Рекуперативные электроприводы переменного тока широко используются в металлургическом прокатном производстве благодаря их надёжности, экономичности и достаточной мощности для поддержания технологического процесса. В этой статье представлен обзор последних достижений в области построения силовых схем подключения к питающей сети данных электроприводов. В статье рассматриваются многопульсные схемы подключения, образованные различными типами трансформаторов, алгоритмы предварительно запрограммированной широтно-импульсной модуляции с удалением выделенных гармонических составляющих трёхуровневых активных выпрямителей напряжения, приводятся результаты практических измерений. Результаты экспериментальных исследований получены в распределительной сети металлургического комбината ЧерМК «Северсталь», имеющей в своём составе мощные электроприводы клетей стана холодной прокатки на базе преобразователей частоты с активными выпрямителями. Оба преобразователя частоты электроприводов клетей имеют одинаковую мощность – 14 МВт. Один преобразователь частоты электропривода реализован по 6-пульсной схеме, а другой по 12-пульсной. Запись мгновенных значений фазного тока трансформаторов, питающих электроприводы стана, осуществлялась с помощью портативного регистратора Flash Recorder и токовых клещей Fluke 43B. Частота дискретизации записываемых сигналов при этом составила 30 кГц. Показаны формы и спектры фазных токов сети в 6- и 12-пульсных схемах на действующем оборудовании, рассчитаны коэффициенты гармонических искажений до 60-й и 150-й гармоники при различных шаблонах предварительно запрограммированной широтно-импульсной модуляции с удалением выделенных гармонических составляющих. Ожидается, что эта статья может дать широкий обзор многопульсных схем подключения главных рекуперативных электроприводов переменного тока клетей прокатных станов, в частности, определить современные решения, которые могут значительно улучшить электромагнитную совместимость с питающей энергосистемой. Представленные результаты могут быть использованы исследователями и инженерами для обеспечения электромагнитной совместимости нелинейных потребителей в аналогичных схемах, а также для их проектирования.
Ключевые слова
Силовая преобразовательная техника, электропривод, широтно-импульсная модуляция, качество напряжения, многопульсные схемы подключения.
1. Recent advances and industrial applications of multilevel converters / S. Kouro, M. Malinowski, K. Gopakumar, J. Pou, L.G. Franquelo, B. Wu, J. Rodriguez, M.A. Pérez, J.I. Leon // Ind. Electron. IEEE Trans. 2010. Vol. 57. Pp. 2553-2580. doi: 10.1109/TIE.2010.2049719
2. Medium-voltage drives: challenges and existing technology / H. Abu-Rub, S. Bayhan, S. Moinoddin, M. Malinowski, J. Guzinski // IEEE Power Electron. Mag. 2016. Vol. 3. Pp. 29-41. doi: 10.1109/MPEL.2016.2551802
3. Design and control of digital DC drives in steel rolling mills / D. Rajesh, D. Ravikumar, S.K. Bharadwaj, B.K.S. Vastav // 2016 International Conference on Inventive Computation Technologies (ICICT), 2016. Pp. 1-5. doi: 10.1109/INVENTIVE.2016.7830095
4. Medium voltage drives-challenges and requirements / H. Abu-Rub, A. Lewicki, A. Iqbal, J. Guzinski // 2010 IEEE International Symposium on Industrial Electronics, 2010. Pp. 1372-1377. doi: 10.1109/ISIE.2010.5637205
5. IEEE Recommended Practices and Requirements for Harmonic Control in Electrical Power Systems. IEEE Std. 519-1992, 1993. Pp. 1-112. doi: 10.1109/IEEESTD.1993.114370.
6. IEEE Guide for Application and Specification of Harmonic Filters. IEEE Std. 1531-2003, 2003. Pp. 1-66. doi: 10.1109/IEEESTD.2003.94407
7. Voltage characteristics of electricity supplied by public distribution systems. Std. EN 50160, 2001.
8. Power Quality Measurement Methods. IEC 61000-3-2, 2000.
9. Powering the future of industry: high-power adjustable speed drive topologies / S. Kouro, J. Rodriguez, B. Wu, S. Bernet, M. Perez // IEEE Ind. Appl. Mag., 2012. № 18. Pp. 26-39. doi: 10.1109/MIAS.2012.2192231
10. Jing T., Maklakov A.S. A review of voltage source converters for energy applications // 2018 International Ural Conference on Green Energy (UralCon). Chelyabinsk, Russia, 2018. Pp. 275-281. doi: 10.1109/URALCON.2018.8544364.
11. Bose B.K. Modern Power Electronics and AC Drives. Prentice Hall PTR: Hoboken, NJ, USA, 2002. 736 p.
12. Multilevel converters: An enabling technology for high-power applications / J. Rodriguez, L.G. Franquelo, S. Kouro, J.I. Leon, R.C. Portillo, M.A.M. Prats, M.A. Perez // Proc. IEEE. 2009. № 97. Pp. 1786-1817. doi: 10.1109/JPROC.2009.2030235
13. Wang L. Modeling and Control of Sustainable Power Systems: Towards Smarter and Greener Electric Grids. Springer: Hoboken, NJ, USA, 2012. 367 p. doi: 10.1007/978-3-642-22904-6
14. Моделирование электротехнических комплексов металлургических предприятий: учебное пособие / Корнилов Г.П., Николаев А.А., Храмшин Т.Р., Мурзиков А.А. Магнитогорск: Изд-во Магнитогорск. гос. техн. ун-та им. Г.И. Носова, 2012. 237 с.
15. Multilevel inverters: a literature survey on topologies and control strategies / N. Mittal, B. Singh, S.P. Singh, R. Dixit, D. Kumar // 2012 2nd International Conference on Power, Control and Embedded Systems. Allahabad, India, 2012. Pp. 1-11. doi: 10.1109/ICPCES.2012.6508041
16. Multilevel voltage-source-converter for industrial medium-voltage drives / J. Rodriguez, S. Bernet, B. Wu, J.O. Pontt, S. Kouro // IEEE Trans. Ind. Electron. 2007. Vol. 54. Pp. 2930-2945. doi: 10.1109/TIE.2007.907044.
17. The age of multilevel converters arrives / L.G. Franquelo, J. Rodriguez, J.I. Leon, S. Kouro, R. Portillo, M.A.M. Prats // IEEE Ind. Electron. Mag. 2008. № 2. Pp. 28-39. doi: 10.1109/MIE.2008.923519
18. An effective control technique for medium-voltage high-power induction motor fed by cascaded neutral-point-clamped inverter / B. Ge, F.Z. Peng, B. Wu, A.T. de Almeida, H. Abu-Rub // IEEE Trans. Ind. Electron. 2010. № 57. Pp. 2659-2668. doi: 10.1109/TIE.2009.2026761
19. Ewanchuk J., Salmon J., Vafakhah, B. A five-/nine-level twelve-switch neutral-point-clamped inverter for high-speed electric drives // IEEE Transactions on Industry Applications. 2011. Vol. 47(5). Pp. 2145-2153. doi: 10.1109/TIA.2011.2161857
20. Bernet S. State of the art and developments of medium voltage converters – An overview // Prz. Elektrotechniczny. 2006. Vol. 82. Pp. 1-10.
21. Mohammed S.A., Abdel-Moamen M.A., Hasanin B. A review of the state-of-the-art of power electronics for power system applications // Int. J. Electron. Commun. Eng. Res. 2013. Vol. 1. Pp. 43-52.
22. Fazel S.S. Investigation and comparison of multi-level converters for medium voltage applications: doctoral thesis / Fazel Seyed Saeed. Berlin, 2007. doi: 10.14279/depositonce-1678
23. Nabae A., Takahashi I., Akagi H. New neutral-point-clamped PWM inverter // IEEE Trans. Ind. Appl. 1981. Vol. IA-17. Pp. 518-523.
24. Leon J.I., Vazquez S., Franquelo L.G. Multilevel converters: Control and modulation techniques for their operation and industrial applications // Proc. IEEE. 2017. Vol. 105. Pp. 2066-2081. doi: 10.1109/JPROC.2017.2726583
25. Medium-voltage multilevel converters – State of the art, challenges, and requirements in industrial applications / H. Abu-Rub, J. Holtz, J. Rodriguez, B. Ge // IEEE Trans. Ind. Electron. 2010. Vol. 57(8). Pp. 2581-2596. doi: 10.1109/TIE.2010.2043039
26. Wu B., Narimani M. High-power converters and AC drives. Wiley-IEEE Press: Hoboken, NJ, USA, 2017. 480 p.
27. Multipulse AC–DC converters for improving power quality: a review / B. Singh, S. Gairola, B.N. Singh, A. Chandra, K. Al-Haddad // IEEE Transactions on Power Electronics. 2008. Vol. 23(1). Pp. 260-281. doi: 10.1109/TPEL.2007.911880
28. Evaluation on the autoconfigured multipulse AC/DC rectifiers and their application in more electric aircrafts / J. Chen, Y. Shen, J. Chen, H. Bai, C. Gong and F. Wang // IEEE Transactions on Transportation Electrification. 2020. Vol. 6(4). Pp. 1721-1739. doi: 10.1109/TTE.2020.2983858
29. Nikolaev A.A., Bulanov M.V., Shakhbieva K.A. Quality improvement of electric power in the intra-factory electric networks through the use of PWM algorithm selective harmonic mitigation // 2020 Russian Workshop on Power Engineering and Automation of Metallurgy Industry: Research & Practice (PEAMI). Magnitogorsk, 2020. Pp. 26-31. doi: 10.1109/PEAMI49900.2020.9234357
30. Large capacity high performance 3-level GTO inverter system for steel main rolling mill drives / H. Okayama, R. Uchida, M. Koyama, S. Mizoguchi, S. Tamai // IAS '96. Conference Record of the 1996 IEEE Industry Applications Conference Thirty-First IAS Annual Meeting. 1996. Vol. 1. Pp. 174-179. doi: 10.1109/IAS.1996.557012
31. Design of high-reliable converters for medium-voltage rolling mills systems / V. de Nazareth Ferreira, A.F. Cupertino, H.A. Pereira, A.V. Rocha, S.I. Seleme, B. de Jesus Cardoso Filho // 2017 IEEE Industry Applications Society Annual Meeting. 2017. Pp. 1-9. doi: 10.1109/IAS.2017.8101826
32. Bocker J., Janning J., Jebenstreit H. High dynamic control of a three-level voltage-source-converter drive for a main strip mill // IEEE Transactions on Industrial Electronics. 2002. Vol. 49(5). Pp. 1081-1092. doi: 10.1109/TIE.2002.803220
33. Safaeian M., Jalilvand A., Taheri A. A MRAS based model predictive control for multi-leg based multi-drive system used in hot rolling mill applications // IEEE Access. 2020.Vol. 8. Pp. 215493-215504. doi: 10.1109/ACCESS.2020.3041310
34. Radionov A.A., Maklakov A.S., Gasiyarov V.R. Smart Grid for main electric drive of plate mill rolling stand // 2014 International Conference on Mechanical Engineering, Automation and Control Systems (MEACS). 2014. Pp. 1-4. doi: 10.1109/MEACS.2014.6986842
35. Network-friendly low-switching-frequency multipulse high-power three-level PWM rectifier / J.A. Pontt, J.R. Rodriguez, A. Liendo, P. Newman, J. Holtz, J.M. San Martin // IEEE Transactions on Industrial Electronics. 2009. Vol. 56(4). Pp. 1254-1262. doi: 10.1109/TIE.2008.2007998
36. Maklakov A.S., Radionov A.A. Integration prospects of electric drives based on back to back converters in industrial smart grid // 2014 12th International Conference on Actual Problems of Electronics Instrument Engineering (APEIE). 2014. Pp. 770-774. doi: 10.1109/APEIE.2014.7040790
37. Hardware-in-loop simulation and application for high-power AC-DC-AC rolling mill driving system / Y. Zhang, J. Tan, J. Wang, J. Li // 2015 IEEE 11th International Conference on Power Electronics and Drive Systems. 2015. Pp. 177-180. doi: 10.1109/PEDS.2015.7203385
38. A converter transformer with series-connected line-side windings for a DC link using voltage source converters / T. Nakajima, H. Suzuki, K. Izumi, S. Sugimoto, H. Yonezawa, Y. Tsubota // IEEE Power Engineering Society. 1999 Winter Meeting (Cat. No.99CH36233). 1999. Vol. 2. Pp. 1073-1078. doi: 10.1109/PESW.1999.747351
39. Kornilov G.P., Khramshin T.R., Abdulveleev I.R. Increasing stability of electric drives of rolling mills with active front ends at voltage sag // 2019 International Conference on Electrotechnical Complexes and Systems (ICOECS). 2019. Pp. 1-4. doi: 10.1109/ICOECS46375.2019.8949945
40. Design and selection of high reliability converters for mission critical industrial applications: a rolling mill case study / V. de Nazareth Ferreira, A. Fagner Cupertino, H. Augusto Pereira, A. Vagner Rocha, S. Isaac Seleme, B. de Jesus Cardoso Filho // IEEE Transactions on Industry Applications. 2018. Vol. 54(5). Pp. 4938-4947. doi: 10.1109/TIA.2018.2829104
41. Retrofit of a hot rolling mill plant with three-level active front end drives / G.A. Orcajo, J. Rodríguez D., J.M. Cano, J.G. Norniella // IEEE Transactions on Industry Applications. 2018. Vol. 54(3). Pp. 2964-2974. doi: 10.1109/TIA.2018.2808159
42. Multicell AFE rectifier managed by finite control set–model predictive control / E.E. Espinosa, P.E. Melin, H.O. Garcés, C.R. Baier, J.R. Espinoza // IEEE Access. 2021. Vol. 9. Pp. 137782-137792. doi: 10.1109/ACCESS.2021.3116938
43. Study on large power converter system for rolling mills / W. Chengsheng, L. Chongjian, Z. Chunyi, L. Zhiming, Y. Qiongtao // 2012 15th International Power Electronics and Motion Control Conference (EPE/PEMC). 2012. Pp. DS1b.20-1-DS1b.20-4. doi: 10.1109/EPEPEMC.2012.6397220
44. Finding the best programmable PWM pattern for three-level active front-ends at 18-pulse connection / A.S. Maklakov, T. Jing, A.A. Radionov, V.R. Gasiyarov, T.A. Lisovskaya // Machines. 2021. Vol. 9. 127. doi: 10.3390/machines9070127
45. Gasiyarov V.R., Maklakov A.S., Lisovski R.A. Grid power control by medium voltage AC drives based on back-to-back converters // 2018 IEEE Conference of Russian Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering (EIConRus). 2018. Pp. 629-631. doi: 10.1109/EIConRus.2018.8317175
46. A regenerative hexagonal-cascaded multilevel converter for two-motor asynchronous drive / P. Wang, F. Liu, X. Zha, J. Gong, F. Zhu, X. Xiong // IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics. 2017. Vol. 5(4). Pp. 1687-1699. doi: 10.1109/JESTPE.2017.2713043
Схемы подключения к сети мощных рекуперативных электроприводов клетей прокатных станов / А.С. Маклаков, А.А. Николаев, А.А. Радионов, В.Р. Гасияров, Гилемов И.Г. // Электротехнические системы и комплексы. 2022. № 4(57). С. 42-53. https://doi.org/10.18503/2311-8318-2022-4(57)-42-53