Филиал Национального исследовательского университета «Московский энергетический институт», Смоленск, Россия:

В. В. Рожков, заведующий кафедрой «Электромеханические системы», канд. техн. наук, доцент, эл. почта: umo@sbmpei.ru
К. К. Крутиков, доцент кафедры «Теоретические основы электротехники», канд. техн. наук, доцент, эл. почта: krutikov-kk@yandex.ru
В. В. Федотов, студент кафедры «Электромеханические системы», эл. почта: fedotov.smol67@gmail.com
Я. А. Федулов, доцент кафедры «Вычислительная техника», канд. техн. наук, эл. почта: fedulov_yar@mail.ru

На основе силовых схем многоуровневых преобразователей в статье предложены варианты их применения для улучшения энергоэффективности, электромагнитной совместимости и повышения ресурса работы электродвигателей электротехнических установок предприятий цветной металлургии. Рассмотрены варианты пятиуровневой структуры активного выпрямителя, выполняющего роль устройства регулируемой реактивности и компенсатора реактивной мощности, а также пятиуровневого автономного инвертора напряжения в составе системы частотно-регулируемого электропривода. Продемонстрирован вариант, совершенствующий алгоритм управления и уменьшающий погрешность в выравнивании напряжений на конденсаторном делителе звена постоянного тока в схеме пятиуровневого активного выпрямителя. Для схемы частотно-регулируемого электропривода с пятиуровневым автономным инвертором напряжения предложено изменение топологии схемы для создания бестрансформаторной силовой части. В пакете структурного имитационного моделирования MatLab осуществлен анализ эффективности предлагаемых решений. Рассмотрены вопросы точности поддержания напряжений на каждом конденсаторе в звене постоянного тока, имеющие свои особенности в двух исследуемых схемах как в динамических, так и в установившихся режимах работы. В схеме с многоуровневым активным выпрямителем осуществлено моделирование режима быстрого изменения характера регулируемой реактивности от исходного установившегося режима эквивалентной емкости к эквивалентной индуктивности. В схеме с многоуровневым автономным инвертором напряжения показано моделирование плавного частотного пуска электропривода. Проведен анализ экономического эффекта, показавший целесообразность и перспективность внедрения предлагаемых решений в технологический процесс горно-обогатительных фабрик и цехов металлургической отрасли.

Работа выполнена в рамках государственного задания, проект № FSWF-2020-0019.
Работа выполнена с использованием оборудования Центра коллективного пользования «Высоковольтный научно-исследовательский комплекс» ФГБОУ ВО «НИУ «МЭИ».

1. Машиностроение. Энциклопедия / ред. К. В. Фролов и др. Т. IV-5. Машины и агрегаты металлургического производства. Пасечник Н. В., Синицкий В. М., Дрозд В. Г. и др.; под общ. ред. В. М. Синицкого, Н. В. Пасечника. — М. : Машиностроение, 2000. — 912 с.
2. Константинова С. В. Электропривод горных машин : учебно-методическое пособие для студентов дневного и заочного отделений. В 4 ч. — Минск : БНТУ, 2013. — Ч. 1. 2013. — 66 с.
3. Ильинский Н. Ф., Москаленко В. В. Электропривод: энерго- и ресурсосбережение : учеб. пособие для студентов вузов. — М. : Академия, 2008. — 201 с.
4. Об утверждении стратегии развития черной металлургии России на 2014–2020 годы и на перспективу до 2030 года и стратегии развития цветной металлургии России на 2014–2020 годы и на перспективу до 2030 года. Приказ Министерства промышленности и торговли Российской Федерации от 5 мая 2014 г. № 839.
5. Pharne I., Bhosale Y. A review on multilevel inverter topology // Proceedings of 2013 International Conference on Power, Energy and Control. 2013. P. 700–703. DOI: 10.1109/ICPEC.2013.6527746.
6. Shanono I., Abdullah Nor Rul Hasma, Muhammad A. A Survey of multilevel voltage source inverter topologies, controls, and applications // International Journal of Power Electronics and Drive Systems. 2018. Vol. 9, Iss. 3. P. 1186. DOI: 10.11591/ijpeds.v9.i3.pp1186-1201.
7. Santhakumar C., Shivakumar R., Bharatiraja C., Sanjeevikumar P. Carrier shifting algorithms for the mitigation of circu lating current in diode clamped MLI fed induction motor drive // International Journal of Power Electronics and Drive Systems. 2017. Vol. 8, Iss. 2. P. 844–852. DOI: 10.11591/ijpeds.v8.i2.pp844-852.
8. Chen Hao, Han Yang, Yang Ping, Wang Congling et al. Design and implementation of single-phase asymmetric multilevel STATCOM // International Power Electronics Conference. 2018. P. 3112–3116. DOI: 10.23919/IPEC.2018.8507803.
9. Zhang Yonglei, Wu Xiaojie, Yuan Xibo et al. A Simplified branch and bound approach for model predictive control of multilevel cascaded H-Bridge STATCOM // IEEE Transactions on Industrial Electronics. 2017. Vol. 64, Iss. 10. DOI: 10.1109/TIE.2017.2698360.
10. Zhang Yonglei, Wu Xiaojie, Yuan Xibo, Wang Yingjie. Fast model predictive control for multilevel cascaded H-Bridge STATCOM with polynomial computation time // IEEE Transactions on Industrial Electronics. 2016. Vol. 63, Iss. 8. DOI: 10.1109/TIE.2016.2572662.
11. Hao Liang, Hanliang Song, Xiu Liancheng, Anling Liu et al. Coordination control of positive and negative sequence voltages of cascaded H-bridge STATCOM operating under imbalanced grid voltage // Journal of Engineering. 2018. Iss. 16. P. 2743–2747. DOI: 10.1049/joe.2018.8692.
12. Garry J.-P., Necmi A., El Shafei A., Nasiri A. A control scheme based on lyapunov function for cascaded H-Bridge multilevel active rectifiers // IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition. 2020. P. 2021–2026. DOI: 10.1109/APEC39645.2020.9124234.
13. Karamanakos P., Pavlou K., Manias S. An enumeration-based model predictive control strategy for the cascaded H-Bridge multilevel rectifier // IEEE Transactions on Industrial Electronics. 2013. Vol. 61. P. 3480–3489. DOI: 10.1109/TIE.2013.2278965.
14. Hirofumi Akagi, Hideaki Fujita, Shinsuke Yonetani, Yosuke Kondo. 6.6-kV Transformerless STATCOM based on a five-level diode-сlamped PWM Converter: system design and experimentation of a 200-v 10-kva laboratory model // IEEE Transac tions on Industry Аpplications. March/April 2008. Vol. 44, No. 2.
15. Rozhkov V. V., Krutikov K. K., Fedulov A. S., Fedotov V. V. Simulation of induction motors with energy recuperation for lifting mechanisms of non-ferrous metallurgy enterprises // Non-ferrous Metals. 2121. No. 1. P. 74–81. DOI: 10.17580/nfm.2021.01.10.
16. Крутиков К. К., Рожков В. В. Применение многофункциональных силовых активных фильтров в составе мощного частотно-регулируемого электропривода // Электричество. 2011. № 2. С. 32–38.
17. Rozhkov V. V., Fedotov V. V. Improving the properties and characteristics of avariable-frequency drive with an active rectifier // 2020 International Russian Automation Conference (RusAutoCon), Sochi, Russia, 2020. P. 903–907. DOI: 10.1109/RusAutoCon49822.2020.9208030.
18. Крутиков К. К., Рожков В. В., Петрухин Ю. В. Симплексные алгоритмы управления трехфазными многоуровневыми автономными инверторами напряжения // Электричество. 2008. № 3. С. 33–40.
19. Крутиков К. К., Рожков В. В. Схемные решения использования возможностей многоуровневого автономного инвертора напряжения в переменных режимах частотного электропривода // Вестник Московского энергетического института. 2017. № 2. С. 62–70.
20. Peng F. Z., McKeever J. W., Adams D. J. A power line conditioner using cascade multilevel inverters for distribution systems // IAS ‘97. Conference Record of the 1997 IEEE Industry Applications Conference Thirty-Second IAS Annual Meeting. 1997. Vol. 2. P. 1316–1321. DOI: 10.1109/IAS.1997.629028.
21. Rajasekhar G. G., Sambasiva Rao N., Vijay Muni T. Implementation of cascade multilevel inverter in distribution systems as power line conditioner // International Journal of Scientific & Engineering Research. 2011. Vol. 2, Iss. 10. October-2011.
22. Borisov V., Kurilin S., Prokimnov N., Chernovalova M. Fuzzy cognitive modeling of heterogeneous electromechanical systems // Journal of Applied Informatics. 2021. Vol. 16, No. 1. P. 32–39. DOI: 10.37791/2687-0649-2021-16-1-32-39.
23. ГОСТ Р 55136–2012/IEC/VS 60034-25:2007. Машины электрические вращающиеся. Руководство по конструкции и харак теристикам машин переменного тока, специально пред наз наченных для питания от преобразователей. — Введ. 23.11.2012. — М. : Стандартинформ, 2014.
24. Методические рекомендации по оценке эффективности и разработке инвестиционных проектов и бизнес-планов в электроэнергетике (утв. приказом ОАО РАО «ЕЭС России» от 31.03.2008 № 155).
25. Кабышев А. В. Компенсация реактивной мощности в электроустановках промышленных предприятий: учеб. пособие / Томский политехнический университет. — Томск : Изд-во Томского политехнического университета, 2012. — 234 с.