Управляемое смещение нейтральной точки каскадного высоковольтного преобразователя частоты: алгоритм, моделирование и экспериментальная верификация; Известия Томского политехнического университета [Известия ТПУ]. Инжиниринг георесурсов; Т. 337, № 6
| Parent link: | Известия Томского политехнического университета [Известия ТПУ]. Инжиниринг георесурсов=Bulletin of the Tomsk Polytechnic University. Geo Assets Engineering/ Национальный исследовательский Томский политехнический университет.— .— Томск: Изд-во ТПУ, 2015-.— 2413-1830 Т. 337, № 6.— 2026.— С. 188-202 |
|---|---|
| Main Author: | |
| Other Authors: | |
| Summary: | Актуальность. Отказ силовой ячейки в каскадном H-мостовом высоковольтном преобразователе частоты вызывает асимметрию фазных напряжений и срабатывание мгновенных защит, что на удалённых объектах нефтегазового комплекса влечёт за собой многодневные простои технологического оборудования. При этом традиционный подход к восстановлению работоспособности, базирующийся на аппаратном резервировании, увеличивает стоимость оборудования на 15–25 %. Цель. Разработка и экспериментальная верификация программного алгоритма управляемого смещения нейтральной точки каскадного многоуровневого инвертора, обеспечивающего симметрию линейных напряжений на нагрузке в аварийном режиме работы при шунтировании неисправных силовых ячеек без применения аппаратного резервирования. Методы. Алгоритм симметрирования интегрирован в традиционную систему векторного управления трехфазным двигателем переменного тока через модификацию матрицы обратного преобразования Э. Кларк. Применительно к 13-уровневому инвертору на базе Н-мостов произведена автоматизация вычислительного процесса отыскания желаемого смещения нейтральной точки при помощи решения системы нелинейных уравнений высокого порядка. Разработана имитационная модель в «MATLAB/Simulink» с адаптивным пересчётом фазовых сдвигов генераторов опорных сигналов скалярной ШИМ треугольной мгновенной формы, реализованных в соответствии с горизонтальным принципом. Экспериментальная верификация разработанных алгоритмических принципов симметрирования линейных напряжений выполнялась на промышленном стенде ЗАО «ЭРАСИБ», г. Новосибирск, реализованном на базе серийного образца преобразователя «ЭРАТОН-В» с 6-тью ячейками на одну фазу 1140 В и асинхронным двигателем 30 кВт. Результаты и выводы. Цифровым моделированием подтверждено, что предложенный адаптивный пересчёт фазовых сдвигов обеспечивает сохранение гармонической мгновенной формы фазных токов при шунтировании ячеек. Для конфигураций 5-6-6, 5-5-6 и 5-5-5 снижение линейного напряжения составляет 5,8–16,6 %, что приемлемо для насосных и вентиляторных нагрузок. Экспериментально подтверждена работоспособность алгоритма при отказе одной, двух и трёх ячеек, так как система управления автоматически обеспечивает симметрию линейных напряжений и синусоидальную форму токов статора электрической машины без аппаратной избыточности. Расхождение экспериментальных данных с результатами моделирования не превышает инженерного уровня точности в 5 %, что позволяет использовать данное техническое решение в серийных образцах «ЭРАТОН-В» Relevance. The failure of a power cell in a cascaded H-bridge high-voltage variable frequency drive causes phase voltage asymmetry and triggers instantaneous protection systems, which at remote oil and gas facilities leads to multi-day shutdowns of process equipment. The traditional approach to restoring operability based on hardware redundancy increases equipment costs by 15–25%. Aim. Development and experimental verification of a software algorithm for controlled neutral point shifting in a cascaded multilevel inverter, ensuring symmetry of line-to-line voltages at the load under emergency operation when faulty power cells are bypassed without the use of hardware redundancy. Methods. The balancing algorithm is integrated into a conventional field-oriented control system for a three-phase AC motor by modifying the inverse Clarke transformation matrix. For a 13-level cascaded H-bridge inverter, the computational process for finding the desired neutral point shift is automated by solving a system of high-order nonlinear equations. A simulation model is developed in MATLAB/Simulink with adaptive recalculation of the phase shifts of the carrier signal generators for scalar pulse width modulation with a triangular instantaneous waveform, implemented according to the phase-shifted pulse width modulation principle. Experimental verification of the developed algorithmic principles for line voltage balancing was performed on an industrial test bench at ZAO «ERASIB», Novosibirsk, based on a production model of the «ERATON-V» drive (6 cells per phase, 1140 V) and a 30 kW induction motor. Results and conclusions. Digital simulation confirms that the proposed adaptive recalculation of phase shifts preserves the instantaneous harmonic shape of the phase currents when cells are bypassed. For configurations 5-6-6, 5-5-6, and 5-5-5, the reduction in line voltage ranges from 5.8 to 16.6%, which is acceptable for pump and fan loads. The algorithm operability is experimentally confirmed for the failure of one, two, and three cells, as the control system automatically ensures symmetry of line voltages and sinusoidal stator currents of the electrical machine without hardware redundancy. The discrepancy between experimental data and simulation results does not exceed the engineering accuracy level of 5%, allowing this technical solution to be used in production models of the «ERATON-V» drive Текстовый файл |
| Language: | Russian |
| Published: |
2026
|
| Subjects: | |
| Online Access: | bulletin_tpu-2026-v337-i6-16.pdf https://doi.org/10.18799/24131830/2026/6/5707 |
| Format: | Electronic Book Chapter |
| KOHA link: | https://koha.lib.tpu.ru/cgi-bin/koha/opac-detail.pl?biblionumber=688069 |
| Summary: | Актуальность. Отказ силовой ячейки в каскадном H-мостовом высоковольтном преобразователе частоты вызывает асимметрию фазных напряжений и срабатывание мгновенных защит, что на удалённых объектах нефтегазового комплекса влечёт за собой многодневные простои технологического оборудования. При этом традиционный подход к восстановлению работоспособности, базирующийся на аппаратном резервировании, увеличивает стоимость оборудования на 15–25 %. Цель. Разработка и экспериментальная верификация программного алгоритма управляемого смещения нейтральной точки каскадного многоуровневого инвертора, обеспечивающего симметрию линейных напряжений на нагрузке в аварийном режиме работы при шунтировании неисправных силовых ячеек без применения аппаратного резервирования. Методы. Алгоритм симметрирования интегрирован в традиционную систему векторного управления трехфазным двигателем переменного тока через модификацию матрицы обратного преобразования Э. Кларк. Применительно к 13-уровневому инвертору на базе Н-мостов произведена автоматизация вычислительного процесса отыскания желаемого смещения нейтральной точки при помощи решения системы нелинейных уравнений высокого порядка. Разработана имитационная модель в «MATLAB/Simulink» с адаптивным пересчётом фазовых сдвигов генераторов опорных сигналов скалярной ШИМ треугольной мгновенной формы, реализованных в соответствии с горизонтальным принципом. Экспериментальная верификация разработанных алгоритмических принципов симметрирования линейных напряжений выполнялась на промышленном стенде ЗАО «ЭРАСИБ», г. Новосибирск, реализованном на базе серийного образца преобразователя «ЭРАТОН-В» с 6-тью ячейками на одну фазу 1140 В и асинхронным двигателем 30 кВт. Результаты и выводы. Цифровым моделированием подтверждено, что предложенный адаптивный пересчёт фазовых сдвигов обеспечивает сохранение гармонической мгновенной формы фазных токов при шунтировании ячеек. Для конфигураций 5-6-6, 5-5-6 и 5-5-5 снижение линейного напряжения составляет 5,8–16,6 %, что приемлемо для насосных и вентиляторных нагрузок. Экспериментально подтверждена работоспособность алгоритма при отказе одной, двух и трёх ячеек, так как система управления автоматически обеспечивает симметрию линейных напряжений и синусоидальную форму токов статора электрической машины без аппаратной избыточности. Расхождение экспериментальных данных с результатами моделирования не превышает инженерного уровня точности в 5 %, что позволяет использовать данное техническое решение в серийных образцах «ЭРАТОН-В» Relevance. The failure of a power cell in a cascaded H-bridge high-voltage variable frequency drive causes phase voltage asymmetry and triggers instantaneous protection systems, which at remote oil and gas facilities leads to multi-day shutdowns of process equipment. The traditional approach to restoring operability based on hardware redundancy increases equipment costs by 15–25%. Aim. Development and experimental verification of a software algorithm for controlled neutral point shifting in a cascaded multilevel inverter, ensuring symmetry of line-to-line voltages at the load under emergency operation when faulty power cells are bypassed without the use of hardware redundancy. Methods. The balancing algorithm is integrated into a conventional field-oriented control system for a three-phase AC motor by modifying the inverse Clarke transformation matrix. For a 13-level cascaded H-bridge inverter, the computational process for finding the desired neutral point shift is automated by solving a system of high-order nonlinear equations. A simulation model is developed in MATLAB/Simulink with adaptive recalculation of the phase shifts of the carrier signal generators for scalar pulse width modulation with a triangular instantaneous waveform, implemented according to the phase-shifted pulse width modulation principle. Experimental verification of the developed algorithmic principles for line voltage balancing was performed on an industrial test bench at ZAO «ERASIB», Novosibirsk, based on a production model of the «ERATON-V» drive (6 cells per phase, 1140 V) and a 30 kW induction motor. Results and conclusions. Digital simulation confirms that the proposed adaptive recalculation of phase shifts preserves the instantaneous harmonic shape of the phase currents when cells are bypassed. For configurations 5-6-6, 5-5-6, and 5-5-5, the reduction in line voltage ranges from 5.8 to 16.6%, which is acceptable for pump and fan loads. The algorithm operability is experimentally confirmed for the failure of one, two, and three cells, as the control system automatically ensures symmetry of line voltages and sinusoidal stator currents of the electrical machine without hardware redundancy. The discrepancy between experimental data and simulation results does not exceed the engineering accuracy level of 5%, allowing this technical solution to be used in production models of the «ERATON-V» drive Текстовый файл |
|---|---|
| DOI: | 10.18799/24131830/2026/6/5707 |