Разработка и научное обоснование новых методов моделирования, моделей в ComSim и решений в электромеханотронике тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, доктор наук Воронцов Алексей Геннадьевич

• Воронцов Алексей Геннадьевич
• доктор наук
• 2024

Оглавление диссертации доктор наук Воронцов Алексей Геннадьевич

Введение

Глава 1. Известные и новые технические решения по ЭМТС

§ 1.1. Понятия механотроника и электромеханотроника

§ 1.2. Технические решения по структурам ЭМТС

§ 1.3. Оценки сложности задач моделирования, расчета и исследования ЭМТС

§ 1.4. Выводы по главе

Глава 2. Методы и комплексы моделирования ЭМТС

§ 2.1. Направления моделирования ЭМТС

§ 2.1.1. Физическое моделирование ЭМТС

§ 2.1.2. Известные комплексы моделирования ЭМТС на ЭВМ

§ 2.1.3. Аппаратно-компьютерное моделирование ЭМТС

§ 2.1.4. Новый комплекс ComSim1_5 для моделирования ЭМТС на ЭВМ.. 38 § 2.1.5. Методы и способы моделирования и исследования ЭМТС в комплексе

ComSim1_5

§ 2.2. Используемые в ComSim известные положения и методы моделирования и

анализа ЭМТС

§ 2.2.1. Общие сведения

§ 2.2.2. Учет в моделях машин насыщения стали

§ 2.2.3. Учет в моделях машин вытеснения токов в роторе

§ 2.2.4. Учет в моделях машин вытеснения токов в статоре и роторе

§ 2.2.5. Учет потерь энергии в стали машин

§ 2.2.6. Учет механических потерь энергии в машинах

§ 2.2.7. Идеализация полупроводников в упрощенных моделях и метод

расчета ЭМТС при переменной структуре схем

§ 2.2.8. Учет потерь энергии в полупроводниках в моделях с переменной

структурой схем

§ 2.2.9. Метод и итерационный алгоритм расчета ЭМТС по взаимосвязанным

подсистемам

§ 2.2.10. Метод и повышения устойчивости вычислительных процессов

§ 2.2.11. Учет нелинейностей ЭМТС, сплайн-аппроксимация кривых

§ 2.2.12. Методы решения систем дифференциальных уравнений

§ 2.2.13. Методы гармонического и частотного анализа процессов

§ 2.2.14. Метод симметричных составляющих

§ 2.2.15. Методы баланса мощностей и энергий

§ 2.3. Используемые в Соитии новые положения и методы моделирования и анализа

ЭМТС

§ 2.3.1. Учет "мертвого времени" при переключении модулей ЮВТ

§ 2.3.2. Учет в моделях ПП снабберных цепей

§ 2.3.3. Метод моделирования ЭМТС с использованием виртуальных

источников напряжения

§ 2.3.4. Метод моделирования ЭМТС по "гладким" составляющим токов и напряжений

§ 2.3.5. Метод построения сдвоенных моделей ЭМТС

§ 2.3.6. Высокочастотные параметры электрических машин и метод оценки

потерь энергии в машинах от высших гармоник ШИМ

§ 2.3.7. Метод учета пространственных гармоник поля в моделях машин с

постоянными магнитами

§ 2.3.8. Моделирование тепловых процессов в электрических машинах

§ 2.3.9. Сочетание методов конечных элементов и цепных методов при

расчетах в ComSim

§ 2.3.10. Оценка циклоустойчивости ЮВТ-модулей на моделях

§ 2.3.11. Регулирование частоты ШИМ для ограничения гармоник токов ПП

§ 2.3.12. Моделирование ЭМТС с многофазно-трехфазными

трансформаторами

§ 2.4. Быстродействие компьютерных моделей ЭМТС, построенных по методологии

расчета систем по взаимосвязанным подсистемам

§ 2.5. Выводы по главе

Глава 3. Разработка асинхронизированной электромеханической вставки

в систему электроснабжения мегаполиса

§ 3.1. Задачи и структура асинхронизированной электромеханической вставки в

систему электроснабжения мегаполиса Саларьево

§ 3.2. Математические модели асинхронизированной электромеханической вставки

§ 3.2.1. Моделирование силовой части АСЭМПЧ

§ 3.2.2. Моделирование АСЭМПЧ для расчета нормальных режимов с учетом

структур системы управления

§ 3.2.3. Моделирование АСЭМПЧ для расчета аварийных режимов с учетом

структур системы управления

§ 3.3. Расчеты электромеханических процессов в ЭЭС с асинхронизированной электромеханической вставкой

§ 3.3.1. Варианты пуска и торможения асинхронизированного

электромашинного агрегата

§ 3.3.2. Стабилизация напряжений ЭЭС с помощью АСЭМПЧ

§ 3.3.3. Работа асинхронизированной вставки при потере возбуждения одной

машины

§ 3.3.4. Работа АСЭМПЧ при коротком замыкании обмотки статора АГД132

§ 3.4. Расширенные модели ЭЭС с АСЭМПЧ и модели реального времени

§ 3.4.1. Разработка расширенных моделей комплекса ЭЭС-АСЭМПС

§ 3.4.2. Расчеты режимов работы комплекса ЭЭС-АСЭМПЧ на расширенной

модели

§ 3.4.3. Расчеты вариантов пуска АСЭМПЧ на расширенной модели

§ 3.4.4. Моделирование и расчет АСЭМПЧ по "гладким" составляющим

кривых

§ 3.5. Использование АСЭМПЧ для бесперебойного электроснабжения потребителей

§ 3.6. Выводы по главе

Глава 4. Разработка систем электродвижения с многофазными

двигателями на постоянных магнитах и ПП

§ 4.1. Общие сведения

§ 4.2. Модели различных устройств СЭД

§ 4.2.1. Модели ДПМ

§ 4.2.2. Модели АИН, АВ и ШИП

§ 4.2.3. Векторное управление АВ

§ 4.2.4. Варианты векторного управления ДПМ при искаженных ЭДС фаз154

§ 4.3. Моделирование СЭД переменного напряжения

§ 4.4. Моделирование СЭД постоянного напряжения

§ 4.5. Компьютерные модели СЭД

§ 4.6. Выводы по главе

Глава 5. Системы с многоуровневыми преобразователями

§ 5.1. Системы с каскадными преобразователями частоты

§ 5.1.1. Особенности алгоритмов управления КПЧ в нормальных режимах171

§ 5.1.2. Каскадный ПЧ с шестью БПЧ в макете ГАЭС

§ 5.1.3. Моделирование каскадного ПЧ с девятью БПЧ

§ 5.1.4. Каскадный ПЧ на 15 низковольтных блоках

§ 5.1.5. Особенности управления систем с КПЧ в несимметричных режимах

работы

§ 5.1.6. Каскадные комбинированные ПЧ с трансформаторами на полную

мощность

§ 5.1.7. Гибридный каскадный ПЧ с трансформатором на частичную

мощность

§ 5.2. Модульные многоуровневые преобразователи

§ 5.2.1. Модульные многоуровневые преобразователи и их применения

§ 5.2.2. Моделирование модульных многоуровневых инверторов

§ 5.2.3. Ветроэлектрическая установка с асинхронным генератором и ММПЧ

§ 5.2.4. Пульсации напряжений конденсаторов ММПЧ при снижении частоты

токов

§ 5.2.5. Расчет пуска АД от ММПЧ

§ 5.2.6. Модульные многоуровневые статические компенсаторы

§ 5.3. Выводы по главе

Глава 6. Системы различного назначения с электрическими машинами и

полупроводниковыми преобразователями

§ 6.1. Общие сведения

§ 6.2. Накопители кинетической энергии

§ 6.3. Гидроаккумулирующие электростанции

§ 6.3.1. Общие сведения о ГАЭС

§ 6.3.2. Моделирование ГАЭС (ГЭС) с СМ и АГД при работе в составе ЭЭС254

§ 6.4. Синхронные генераторы с транзисторными возбудителями

§ 6.4.1. СГ с системой самовозбуждения с двухполярным ШИП

§ 6.4.2. Внешние и витковые замыкания СГ с транзисторным возбудителем с двухполярным ШИП

§ 6.5. Системы электродвижения ледоколов

§ 6.5.1. Варианты систем электродвижения ледоколов

мощностью 60 и 120 МВТ

§ 6.5.2. Исследование режимов работы СЭД ледоколов

§ 6.6. Выводы по главе

Глава 7. Повышение адекватности моделей ЭМТС

Выводы по главе

Заключение

Литература

Приложение 1 Акт внедрения в АО НПЦ СЭС

Приложение 2 Справка о внедрении результатов - ЛЭТИ

Приложение 3 Техническое задание на ГУ - Силовые машины

Приложение 4 Свидетельство о регистрации программ для ЭВМ

№2022662041

Приложение 5 Свидетельство о регистрации программ для ЭВМ

№2019661058

Список сокращений

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка и научное обоснование новых методов моделирования, моделей в ComSim и решений в электромеханотронике»

Введение

Актуальность работы. Развитие стран в значительной мере определяется энергоэффективностью производства (ЭЭП) валового внутреннего продукта (ВВП). По данным Американского совета по энергоэффективности экономики [248] в 2022 году первое место в мире в рейтинге ЭЭП занимала Франция (74,5 балла из 100), на втором Великобритания (72,5 балла), третьем месте Нидерланды (71,5 балла), Китай на 9 месте (57,5 балла), США на 10 месте (54, балла), Россия на 22 месте (28 балла). Сравнительно низкая ЭЭП в России обусловлена более жесткими природными условиями, повышенными транспортными расходами (при большой территории), а также структурой промышленности, в которой преобладают энергоемкие производства (горнодобывающие и горноперерабатывающие предприятия, сталелитейные производства и др.). В концепции энергетической стратегии России на период до 2030 года [77, 167], в принятом в 2009 году федеральном законе об «Энергосбережении и повышении энергоэффективности» [150] и в других документах поставлены задачи повышения эффективности производства и снижения энергоемкости российского ВВП.

Одной из основных составляющих повышения ЭЭП является оптимизация электроэнергетических систем (ЭЭС), устройств генерации электроэнергии, линий электропередач (ЛЭП), потребителей электроэнергии. Для повышения ЭЭП в России, как и в других странах, решаются задачи по созданию умных объектов [67] - "умных" электростанций, электросетей (smart grid), рудников, городов (smart city), регионов и др. Внедрение умных систем основано на использовании полностью управляемого силового оборудования, на развитии систем управления. Умные системы позволяют повысить надежность выполнения заданных функций, экономно использовать энергоресурсы, эффективно использовать оборудование, получить другие преимущества. Решение указанных задач базируется на внедрении цифровых технологий [81], на использовании новых технических решений по силовому оборудованию, алгоритмам управления, коммуникациям.

Указанное направление автоматизации систем обусловлено развитием элементной базы силовых полупроводниковых преобразователей (ПП), появлением новых структур ПП, развитием алгоритмов управления. В России значительный вклад в теорию ПП, в частности активных выпрямителей (АВ) и ПП, внесли Р.Т. Шрейнер, А.А. Ефимов [59, 61, 165, 166], Г.С. Зиновьев [62, 66]. В дальнейшем это направление исследований было развито другими специалистами [20, 32, 58, 66, 113, 118, 121, 127, 133, 134, 140, 186, 212, 213, 226, 233]. В промышленности России выпуск активных ПП (АПП) освоен многими предприятиями - ЧЕАЗ (активные фильтры, статические компенсаторы и др.) [175], ЭКРА (активные фильтры, статические компенсаторы,

преобразователи частоты на среднее напряжение и др.) [209], АО "Силовые машины" (активные выпрямители экскаваторов, системы электродвижения с АВ и ПП [109]), ВНИИР-АБС Электро (преобразователи частоты среднего напряжения), НПК Морсвязьавтоматика (оборудование для электрических судов, пропульсивные системы), НПЦ СЭС (валогенератор с активным преобразователем гребной установки портового ледокола) [110], ЦНИИ СЭТ и др. Это направление работ продолжает развиваться - совершенствуется элементная база ПП, появляются новые технические решения по структурам ПП и алгоритмам управления. В том числе можно указать на публикации по гибридным, каскадным, многоуровневым, многотактным, матричным ПП и др. [20, 32, 58, 66, 108, 109, 113, 118, 121, 127, 133, 134, 140, 186, 213, 226, 231, 233].

В России ведутся также работы по созданию заводов по сжижению газа анонсировано строительство более 10 заводов (потребуется создание преобразователей частоты и электрических машин большой мощности), создание высокоскоростных дорог со скоростью поездов до 400 км/ч - новые тяговые электроприводы.

Значительное влияние на характеристики ЭЭС оказало появление модульных многоуровневых преобразователей (ММП) [179, 183, 197, 203, 212, 244, 258]. ММП позволяют построить высоковольтные ЛЭП, обеспечить передачу электроэнергии на постоянном токе, в том числе по морям, проливам и озерам. В том числе, по технологии ММП строятся СТАТКОМы (поперечные, продольные, продольно-поперечные).

Возможности автоматизации систем определяются также соответствующим исполнением других силовых элементов - электрических машин, трансформаторов, силовых фильтров, устройств аккумулирования энергии, устройств защиты.

По электрическим машинам (ЭМ) можно отметить значительное расширение области применений асинхронизированных машин, что обусловлено в основном развитием силовых ПП. Асинхронизированные генераторы-двигатели (АГД) применяются в гидроаккумулирующих электростанциях (ГАЭС), в ветроэлектрических установках (ВЭУ), в накопителях кинетической энергии (НКЭ) и в других объектах. Из новых технических решений можно выделить применение АГД в системах электроснабжения потребителей 1 категории надежности [110, 256, 257]. В этих системах электромашинные преобразователи с АГД обеспечивают не только передачу электроэнергии потребителям, но и стабилизируют напряжения участков электроэнергетических систем (ЭЭС), выполняют функции НКЭ, ограничивают токи короткого замыкания в ЭЭС, обеспечивают бесперебойность электроснабжения нагрузок. При этом в установках с АГД быстродействующее регулирование параметров осуществляется сравнительно маломощными активными ПП при изменении частот вращения электрических машин в небольшом диапазоне. Идея АГД предложена А.А. Горевым. Глубокий анализ АГД представлен в трудах М.М.Ботвинника и Ю.Г.Шакаряна [2, 153-164, 243].

Большой вклад в это направление работ внесли также И.А.Лабунец, П.В.Сокур и другие специалисты [11, 49-54, 56, 83, 86, 177, 178].

К сравнительно новым техническим решениям можно также отнести системы с электрическими машинами на постоянных магнитах (МПМ). Если МПМ мощная и низковольтная, то статор выполняется со многими трехфазными обмотками, которые могут иметь или не иметь взаимный сдвиг по фазе. Эти обмотки могут питаться от индивидуальных ПП, что вносит известные особенности в построение систем управления и защиты, в расчет и анализ электромеханических процессов [108-110, 188, 213]. Рассматриваются возможности применения МПМ совместно с АВ в качестве генераторов при использовании специальных алгоритмов управления, например в ВЭУ.

К новым техническим решениям можно отнести также установки с синхронными генераторами (СГ) и транзисторными возбудителями. По сравнению с установками с тиристорными возбудителями эти системы обладают более высоким быстродействием и позволяют существенно улучшить массогабаритные характеристики согласующих трансформаторов систем возбуждения и самовозбуждения. В России исследования в этом направлении выполнены И.А.Дикун (И.А.Пименова) с соавторами [113, 118, 127, 135, 141, 233, 243]. Разработками систем с транзисторными возбудителями СМ занимается АО "Силовые машины" [110].

Совершенствуются также конструкции электрических машин других типов. Например, в реактивных синхронных машинах выделилось новое направление - реактивные машины с анизотропной магнитной проводимостью ротора [143, 146]. В этих машинах соотношение индуктивностей по продольной и поперечной осям ротора увеличено до 20 и более. Управление осуществляется с помощью ПП. При отсутствии в роторе электрических обмоток машина имеет повышенную надежность [110, 140].

Из новых структур электроприводов можно выделить также установки с гибридными каскадными преобразователями частоты (ГКПЧ) [20]. В указанных установках при пониженной мощности и стоимости трансформаторов обеспечивается работа с коэффициентом мощности электроэнергии сети, близкой к 1, при минимальных искажениях токов и напряжений [110, 253].

Известные и распространенные технические решения также могут рассматриваться как новые системы, если в них используются новые более совершенные алгоритмы управления. Например, в электроприводах с каскадными преобразователями частоты (КПЧ) при работе в частичных режимах определенные алгоритмы управления позволяют создать в нагрузке симметричных систем напряжений и токов [21, 110] с помощью корректора токов в сети и нагрузке.

Новые и модифицированные технические решения реализуются в физических объектах в результате проектирования на основе исследований и расчетов. В связи с возрастающей конкуренцией предприятий и стран сроки разработки систем сокраща-

ются. Поэтому исследования и расчеты необходимо выполнять в короткие сроки. В настоящее время исследования рассматриваемых систем выполняются преимущественно на основе моделирования установок на ЭВМ.

Для расчетов и анализа ЭМТС на моделях, построенных по теории цепей, используются различные среды моделирования систем на ЭВМ - MicroCap [2], ORCAD [8], DESIGN [49, 143, 144], SimlnTech [69] и др. Наиболее широко используется среда MatLab-Simulink [36, 37, 59, 156]. В указанных работах участвуют известные специалисты - Герман-Галкин С. Г. Добрусин Л.А., Дьяконов В.П., Плахтына Е.Г. Козярук А.Е., Черных И. В., Разевиг В.Д. и др. Основное преимущество современных программных пакетов - они существенно облегчают процесс моделирования и расчета систем, но основной недостаток указанных пакетов программ - большие затраты машинного времени на выполнение расчетов. Затраты возрастают по степенной зависимости при увеличении количества переключаемых элементов (транзисторов, диодов и др.). При этом расчеты сложных систем в длительных режимах (регулирование механических процессов, нагрев машин и др.) не всегда оказывается возможны.

В 2006 г. Пронин М.В. предложил методологию моделирования ЭМТС по взаимосвязанным подсистемам. Основная идея заключается в разделении сложной ЭМТС на подсистемы, связанные минимальным количеством зависимых переменных. ПЭ идеальны, схемы имеют переменную структуру. Подсистемы рассматриваются предварительно и неизвестные в них определяются явно. Используются итерационные алгоритмы расчета, в каждой итерации решается система уравнений минимального порядка. При расчетах с малыми шагами интегрирования (при большом числе ПЭ) требуется малое количество итераций. Сокращение числа искомых переменных, уменьшение числа итераций и предварительная оптимизация описаний подсистем позволяют сократить затраты машинного времени в десятки, сотни раз и более (по сравнению с MatLab). Это особенно эффективно при анализе сложных электромеханотронных систем (ЭМТС).

Особенности задач создания систем с электрическими машинами и полупроводниковыми преобразователями позволяют сформулировать проблему.

Решаемая проблема обусловлена следующими особенностями ЭМТС.

В ЭМТС применяются ПЭ, работающие на повышенных частотах переключения (Press-Pack - до сотен Гц. IGBT - до тысяч Гц). В многотактных ПП эквивалентные частоты многократно увеличиваются. Переключения ПЭ оказывает влияние на размах пульсаций напряжений и токов, на энергетические процессы, выбор элементной базы, надежность систем. Пульсации токов повышенной частоты вызывают резонансы, вибрации, шумы, помехи, дополнительные потери энергии, сокращают срок службы оборудования.

Существующие ПЭ имеют ограничения по допустимым напряжениям и токам. Поэтому в мощных ЭМТС (системы электроснабжения мегаполисов, СЭД ледоколов, гидроаккумулирующие электростанции - ГАЭС) используется большое количество ПЭ. В этих системах быстрые процессы переключения ПЭ сочетаются со сравнительно медленными процессами регулирования ЭМ, с процессами изменения температур элементов. Колебания температур ПЭ влияют на циклоустойчивость ЮВТ-модулей.

Для адекватной оценки режимов работы ЭМТС необходимы данные о высокочастотных параметрах устройств (ВЧП), например ЭМ. Однако определение ВЧП ЭМ является задачей весьма сложной и этих данных обычно нет.

Учет ВЧП ЭМ, "паразитных параметров" и снабберных цепей в ПП, других особенностей ЭМТС требует выполнения расчетов с шагом менее 1 мкс. Процессы регулирования и изменения режимов работы ЭМ могут длиться секунды, минуты и часы. Быстрые и медленные процессы взаимосвязаны и для повышения адекватности расчетов целесообразно учитывать эти связи.

Существующие методы моделирования не позволяют без упрощений создавать модели сложных ЭМТС, работающие с приемлемыми затратами машинного времени, при учете всех требований, всех указанных особенностей ЭМТС и взаимных связей процессов различного характера. Соответственно, нет достаточно приемлемых для практики проектирования ЭМТС комплексов моделей. Проблема усугубляется тем, что постоянно появляются новые не исследованные решения по силовым схемам ЭМТС, по алгоритмам управления, по конструкциям, а сроки разработки новых ЭМТС сокращаются.

Задачи создания ЭМТС связаны также с решением проблемы импортозамещения элементов. Решение этой задачи, кроме прочего, может повлечь корректировку силовых схем установок и алгоритмов управления ЭМТС.

На основе перечисленного определена проблема, решаемая в диссертации.

При разработке мощных ЭМТС необходим учет электрических, механических, тепловых и усталостных процессов, быстрых и медленных изменений, их взаимного влияния, необходим комплекс быстродействующих моделей, позволяющих выполнять всесторонний анализ систем в сроки, приемлемые для разработчиков, необходимы методы моделирования, позволяющие создавать указанные модели с учетом постоянного обновления задач, в том числе по импортозамещению. Существующие методы моделирования не позволяют создавать модели ЭМТС, обладающие достаточным быстродействием и в существующих комплексах моделей всесторонний учет особенностей ЭМТС затруднен. Несоответствие потребностей проектантов ЭМТС их возможностям и неустранимость этого противоречия при использовании известных методов моделирования и комплексов моделей является ПРОБЛЕМОЙ.

Для сокращения затрат машинного времени на расчеты, для создания моделей сложных систем и повышения адекватности моделей и расчетов Пронин М.В. и Воронцов А.Г разработали методологию моделирования ЭМТС, которая основана на представлении установок в виде совокупности взаимосвязанных подсистем [101, 107, 119]. Найденный подход к моделированию ЭМТС решает указанную проблему частично. Как следует из многих последующих работ, начальный вариант методологии моделирования ЭМТС по взаимосвязанным подсистемам имеет резервы по сокращению затрат машинного времени, возможности по уточнению моделей ЭМТС и их элементов и повышению адекватности моделей, по упрощению математических описаний сложных систем.

Объект исследования - электромеханотронные системы с электрическими машинами, полупроводниковыми преобразователями и системами управления.

Предмет исследования - электромагнитные, электромеханические, тепловые и информационные процессы в ЭМТС, структуры силовых схем, алгоритмы управления, методы моделирования и модели ЭМТС.

Цель исследования заключается в повышении эффективности процесса создания ЭМТС в части разработки новых технических и других решений, повышения адекватности расчетов и исследований, сокращения затрат.

Идея работы заключается в обосновании методологии и в разработке новых методов моделирования, позволяющих создать новый комплекс моделей ЭМТС повышенной адекватности, в котором за счет быстродействия более полно учитываются структуры систем и процессы различного рода, а также во внедрении нового комплекса в процессе разработки ЭМТС.

Основные задачи

1) Научное обоснование методологии моделирования сложных ЭМТС по взаимосвязанным подсистемам.

2) Разработка и научное обоснование новых методов моделирования и расчета ЭМТС (с использованием виртуальных регулируемых источников напряжения; с описанием ЭМТС по "гладким" составляющим переменных; с использованием сдвоенных моделей; с учетом пространственных гармоник магнитного поля ЭМ; с учетом высокочастотных параметров ЭМ; "паразитных" параметров, снабберных цепей ПП и "мертвого времени" при переключениях ЮВТ; с векторным управлением в координатах фаз ЭМ и ПП, с использованием корректоров токов нагрузки и сети).

3) Разработка и научное обоснование нового комплекса моделей ЭМТС в среде собственной разработки ComSim с уточнениями описаний ЭМ, ПП и СУ, а также алгоритмов расчета в соответствии с п. 2 основных задач.

4) Исследования ЭМТС и поиск новых решений по структурам силовых схем, алгоритмам управления, моделированию и организации разработки.

Защищаемые научные положения

1. Результаты развития методологии моделирования ЭМТС по взаимосвязанным частям путем научного обоснования методологии, раз-работки и обоснования метода разделения систем на подсистемы с помощью виртуальных регулируемых источников напряжения, метода расчета систем по "гладким" составляющим переменных, метода сдвоенных моделей, метода учета несинусоидальности магнитного поля многофазных МПМ, метода оценки потерь энергии в ЭМ от высших гармоник ШИМ, учета "паразитных" параметров, снабберных цепей и "мертвого времени" при переключениях ЮВТ.

2. Объектно-ориентированный комплекс моделей ЭМТС в среде ComSim,

отличающийся наличием моделей многофазных МПМ с несинусоидальными ЭДС, моделей СМ с транзисторными возбудителями, моделей асинхронизированных машин с активными ПЧ, систем с преобразователями модульными многоуровневыми, много-тактными, каскадными, матричными, с "плавающими" конденсаторами, моделей с большим количеством полупроводниковых элементов, моделей систем с векторным управлением ЭМ и ПП в осях фаз, моделей СТАТКОМов с функцией поглощения энергии, моделей для оценки циклоустойчивости ЮВТ-модулей.

3. Результаты исследований. Уточнены структура, параметры и алгоритмы управления системы электро-снабжения мегаполиса с асинхронизированной электромашинной вставкой, обоснована возможность бесперебойного питания потребителей при некоторых авариях; в СЭД с ПП и многофазными МПМ с несинусоидальными ЭДС предложены алгоритмы управления, минимизирующие искажения токов фаз и пульсации электромагнитного момента; для ГАЭС с АГД предложены алгоритмы управления, позволяющие использовать АГД одновременно для стабилизации работы электрической и водной частей систем; в КПЧ предложены алгоритмы управления, обеспечивающие симметричное питание нагрузок при отключении части низковольтных блоков; предложено использование трехфазных корректоров токов сети и двигателя с подстройкой частот и фаз основных составляющих; предложены каскадные комбинированные и гибридные преобразователи; для СЭД ледоколов предложены структуры систем с НПЧ и СТАТКОМами, упрощающие решение задачи импортоза-мещения, разработаны модели, позволяющие рассчитывать процессы в широком диапазоне изменений режимов работы, в том числе при взаимодействии гребного винта со льдом.

Методы исследований. Использованы методы расчета электрических цепей, теория электрических машин, полупроводниковых преобразователей, электропривода, автоматического регулирования, методы моделирования электромеханотронных систем, методы решения систем алгебраических и дифференциальных уравнений,

сплайн-аппроксимации кривых, гармонического и частотного анализа, методы симметричных составляющих, методы баланса мощностей и энергий.

Научная новизна.

1. Методология моделирования ЭМТС по взаимосвязанным подсистемам дополнена следующими новыми научно обоснованными методами.

1.1. Метод расчета процессов в ЭМТС при их разделении на взаимосвязанные части с помощью виртуальных регулируемых зависимых источников.

1.2. Метод моделирования ЭМТС по "гладким" составляющим переменных, основанный на разделении систем на взаимосвязанные части при исключении полупроводниковых элементов, использовании мощностей, передаваемых через зависимые элементы и увеличении за счет этого шага расчета.

1.3. Метод учета пространственных гармоник в магнитном поле МПМ, основанный на использовании множества дополнительных контуров намагничивания.

1.4. Способ учета в моделях систем "паразитных" параметров, снабберных элементов ПП и "мертвого времени" при переключениях модулей ЮВТ.

1.5. Метод оценки потерь энергии в ЭМ от высших гармоник ШИМ на основе экспериментального определения высокочастотных параметров.

2. Научное обоснование новых технических решений по ЭМТС.В асинхронизи-рованной электромашинной вставке в систему электроснабжения мегаполиса обоснована возможность бесперебойного питания потребителей при авариях, связанных с отключениями источников энергии.

2.2. В СЭД с ПП и многофазными МПМ с несинусоидальными ЭДС научно обоснованы алгоритмы управления, минимизирующие искажения токов фаз и пульсации электромагнитного момента.

2.3. Для ГАЭС с АГД научно обоснованы алгоритмы управления, позволяющие использовать машины одновременно для стабилизации режимов работы электрической и водной частей систем.

2.4. В КПЧ научно обоснованы алгоритмы управления с использованием блоков коррекции токов, обеспечивающие симметричное питание нагрузок и симметрию токов сети при отключении части транзисторно-конденсаторных блоков.

3. Объектно-ориентированный комплекс моделей ЭМТС в ComSim и его научное обоснование, отличающийся более точным описанием физических процессов, универсальностью и быстродействием моделей, описанием новых объектов с новыми алгоритмами управления.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждена результатами внедрения на предприятиях России, длительным временем использования в проектных работах, физическими экспериментами на многих образцах оборудования, соответствием результатов расчетов и исследований существующей теории

электрических машин, полупроводниковых преобразователей и систем, сопоставлением результатов с расчетами по другим методикам, проверками методами баланса мощностей и энергий.

Теоретическая и практическая значимость работы. Предложенные методы моделирования, расчета и исследования ЭМТС позволяют на порядки сократить затраты машинного времени на анализ новых технических решений и ускорить процесс создания новых систем. Разработанный комплекс моделей ЭМТС позволяет осуществлять проектирование новых ЭМТС на основе более точных данных, получаемых в результате расчетов на моделях. Это позволяет во многих случаях сократить объем физических экспериментов. Предложенные технические решения по ЭМТС обеспечивают создание новой конкурентоспособной электротехнической продукции.

Результаты работы реализованы в ЦНИИ СЭТ [25], в СПбГЭТУ (ЛЭТИ) в курсах лекций в СПбГЭТУ (ЛЭТИ) "Моделирование электромеханотронных систем", "Электромеханотронные комплексы и системы", "Оптимизация электромеханотронных систем" [110, 117], в НПЦ СЭС, в АО "Силовые машины", в Русэлпром и других организациях [109, 110].

Апробация результатов работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях: EPE 2003 (Fr, Toulouse), EPE-PEMC 2004 (Lv, Riga), EPE 2005 (Germ, Dresden), EPE-PEMC 2006 (Slovenia, Portoroz), АЭП-2007 (СПб), IECON 2007 (Taiwan, Taipei), Power Technology and Engineering. EPE-PEMC-2008 (Pol, Poznan), EPE 2009 (Spain, Barcelona), EUROCON 2009 (Russia, SPb), EPE-PEMC 2010 (Macedonia, Ohrid), EuroPES 2011 (Greece), ЭМС-2011 (СПбГЭТУ), EPE-

2011 (En), PEAM 2011 (China, Wuhan), Proceedings of the IEEE Russia 2011, 2012, Russia Power-2012 (Москва), HidroVision-2012 (Москва), АЭП-2012 (Иваново), EPE-PEMC

2012 (Serbia, Novi Sad), EPE'13 (France, Lille), IECON 2013 (Austria, Vienna), EPE'14 ECCE EUROPE (Finland, Lappeenranta), Mechatronika 2014 (Czech Republic, Brno), EPE-2016 (Germany, Karlsrue), IECON 2016 (Italy, Firenze), IECON-2017 (China, Beijing), ElCon 2017 (SPb, Russia), EIConRus 2018 (Moscow), EPE-2020 (France), ELCON-2020 (Singapore) и др.

Личный вклад автора состоит в развитии методологии моделирования ЭМТС по взаимосвязанным подсистемам путем разработки методов расчета по "гладким" составляющим переменных, на сдвоенных моделях, метода виртуальных источников, метода учета пространственных гармоник в магнитном поле МПМ, метода оценки потерь энергии в ЭМ от высших гармоник ШИМ, способа учета "паразитных" и снаб-берных цепей ПП, "мертвого" времени при переключениях IGBT-модулей. Вкладом является создание на языке C++ объектно-ориентированного комплекса моделей ЭМТС в разработанной автором среде ComSim1_5 (моделей систем с ММП, асинхро-низированной электромашинной вставки в ЭЭС мегаполиса, систем электродвижения

судов с многофазными двигателями на постоянных магнитах с несинусоидальным распределением магнитного поля, СЭД ледокола-лидера). Вкладом являются также новые технические решения по гибридным каскадным преобразователям частоты, по алгоритмам векторного управления ПП в координатах фаз.

Публикации. По теме диссертации имеется 100 публикаций, в том числе 4 монографии, 2 учебных пособия, 2 патента и статьи, из которых 39 статей опубликованы в сборниках, рекомендованных ВАК РФ, 29 статьи входят в базу данных SCOPUS.

Глава 1. Известные и новые

технические решения по ЭМТС

§ 1.1. Понятия механотроника и электромеханотроника

Понятие "механотроника" введено японской фирмой "Yaskawa Electric Corp." в 1969 году и зарегистрировано как торговая марка в 1972 году. Механотроника - область науки и техники, обусловленная объединением узлов механики с электронными и компьютерными компонентами, обеспечивающая проектирование и производство качественно новых систем с интеллектуальным управлением.

Понятие "электромеханотроника" введено Ю.П.Коськиным в 1986 г. [75]. В это время в электрические системы широко внедрялась силовая полупроводниковая преобразовательная техника, микропроцессорные системы управления, и новый термин обозначил класс устройств, содержащих электрическую машину, полупроводниковый преобразователь и электронную систему управления. Рассмотрение этих устройств выделилось в новую область науки - "электромеханотронные комплексы и системы".

Список литературы диссертационного исследования доктор наук Воронцов Алексей Геннадьевич, 2024 год

/ -

/

/

Потери энергии (в тЛ) при переключениях транзистора

0123456789 10 11

Потери при переключениях ЮБТ в зависимости от Я цепи затвора

2400 2000 1600 - Module --Chip

800 400

VCE i3400V Туj = 125'C RG(OFF) = 2.7 Q CGE = 220nF VGE = ±15V

Зона безопасной работы ЮБТ-модуля

Рисунок 6.39 Характеристики ЮЫ-модуля TIM1200ASM45PSA011 для расчета потерь

энергии

Представлены вольтамперные характеристики (ВАХ) транзисторов и обратных диодов при температурах 25°С и 125°С. Представлены также зависимости потерь энергии в IGBT-модуле в mJ при однократном переключении элементов. Указана зависимость потерь энергии в IGBT-модуле при его переключении от сопротивления резистора в цепи затвора. Указана зона безопасной работы IGBT-модуля. При расчетах теплового состояния полупроводниковых приборов используются также

другие данные - тепловые сопротивления системы, температура охлаждающей воды или воздуха и др.

т-ч и о

В процессе расчета токов и напряжений системы при использовании сплайн-аппроксимации кривых определяются потери энергии в элементах и температуры полупроводниковых структур транзисторов и диодов для двух температур - для 25°С и 125°С. При известной температуре полупроводниковой структуры, определенной на предыдущем шаге расчета, производится перерасчет потерь по условиям пропорциональности. Далее уточняется температура при использовании заданных тепловых сопротивлений и найденных потерь энергии. Указанный подход к оценке теплового состояния приборов осуществляется также для разделительных диодов и для других элементов СЭД.

РЕЖИМЫ РАБОТЫ СЭД ПРИ НОМИНАЛЬНОЙ МОЩНОСТИ

Механические характеристики установившихся режимов работы СЭД при различных нагрузках представлены на рисунке 6.38. В том числе, на рисунке указаны характерные режимы работы СЭД при номинальной мощности - точка А (номинальная частота ГЭД) и точка В (ограничение момента нагрузки). Расчеты режимов работы СЭД выполнены при следующих основных параметрах. Номинальное напряжение источника питания 10 кВ, частота 50 Гц. Мощность эквивалентного трансформатора 40 МВА, коэффициент трансформации 5,55, напряжение короткого замыкания сквозное 6 %, частичное 10 %. Мощность эквивалентного асинхронного двигателя 30 МВт, напряжение 3,3 кВ, частота 9,62 Гц, коэффициент мощности 0,896, КПД 0,968, скольжение 1,2 %, индуктивность намагничивания 3,394 о.е., индуктивность рассеяния статора 0,102 о.е., ротора - 0,085 о.е., активное сопротивление фазы статора 0,0154 о.е., фазы ротора - 0,012 о.е. Температура охлаждающей воды 34°С. В АИН Частота ШИМ 500 Гц. При расчетах теплоемкость полупроводников и охладителей не учитывалась. Результат расчета номинального режима работы СЭД представлен на рисунке 6.40. Результат расчета режима работы с номинальной мощностью при ограничении момента на валу ГЭД уровнем 1,7 о.е. представлен на рисунке 6.41.

Рисунок 6.40 Напряжения и токи СЭД, температуры полупроводников в номинальном режиме работы на интервале времени 0,4 с

Напряжения на входе АМН игс\, Шс2

Температура разделительного диода

Температура 2 транзистора

Рисунок 6.41 Напряжения и токи СЭД, температуры полупроводников на интервале времени 0,4 с при номинальной мощности и ограничении момента ГЭД уровнем 1,7 о.е.

Из расчетов следует, что выпрямленные напряжения диодных выпрямителей около 5,4 кВ (приблизительно по 2,7 кВ на каждый конденсатор). Токи фаз АД симметричны и практически синусоидальны. Максимальные температура 1 и 2 ЮВТ-модулей практически одинаковы (92 и 93°С). Равномерный нагрев в данном случае обеспечен выбором частоты ШИМ 500 Гц (при более высоких частотах в 1 модуле увеличиваются динамические потери энергии, и он нагревается до более высокой температуры.

Кривые температур полупроводниковых структур ЮВТ-модулей имеют значительные пульсации. При протекании тока температура увеличивается до указанного максимума, при исчезновении тока в плече моста температура спадает практически до температуры охлаждающей воды. Отчасти это вызвано пренебрежением теплоемкостью охладителя.

При работе ГЭД с перегрузкой по моменту и токам снижается частота вращения, увеличиваются интервалы, на которых происходит нагрев модулей, и максимальная температура 2 модуля увеличивается до 129°С. Поскольку допустимая температура используемых ЮВТ-модулей 150°С, то ситуация с их нагревом приближается к критической.

РЕЖИМЫ РАБОТЫ СЭД ПРИ ЗАКЛИНИВАНИИ ГРЕБНОГО ВИНТА

Еще более ситуация с нагревом транзисторных модулей усложняется в режимах работе ГЭД с низкими частотами и при заклинивании гребного винта. На рисунке 6.42 представлен результат расчеты режима работы СЭД при переходе ГЭД в режим заклинивания винта с ограничением момента на валу уровнем 1,8 о.е.

Рисунок 6.42 Напряжения и токи СЭД, температуры полупроводников на интервале времени 6 с при торможении ГЭД и переходе в режим заклинивания винта при номинальном потоке

Из рисунка 6.42 видно, что при сохранении магнитного потока ГЭД на номинальном уровне торможение двигателя и его переход в режим заклинивания ротора приводят к увеличению максимальной температуры 2 транзисторного модуля до критического значения 142°С. С учетом того, что расчетные параметры имеют разброс, такой режим работы недопустим и необходимы мероприятия по снижению нагрузок.

Одним из мероприятий по снижению нагревов ЮВТ-модулей является увеличение основного магнитного потока ГЭД при снижении частоты вращения ротора. На

рисунке 6.43 представлен результат расчета режима работы СЭД при снижении частоты вращения гребного винта и переходе системы в режим заклинивания гребного винта при некоторой форсировке магнитного потока ГЭД.

Рисунок 6.43 Напряжения и токи СЭД, температуры полупроводников на интервале времени 6 с при торможении ГЭД и переходе в режим заклинивания винта при форсировке

потока до 114 %

В зоне заклинивания винта на интервале времени 6 с магнитный поток возрастает от 109 до 113 % с последующим ограничение на уровне 115 %. При этом максимальная температура 2 транзисторного модуля достигает 128°С.

В асинхронных двигателях составляющие токов статора обеспечивают передачу активной мощности и формирование магнитного потока. Изменения потерь энергии в полупроводниках инвертора путем изменения реактивных составляющих токов связаны с изменениями активных составляющих. Поэтому результирующие изменения токов двигателя и температур инверторов целесообразно проверять на полных моделях систем.

Возможности увеличения магнитного потока ГЭД при снижении частоты вращения должны быть согласованы с другими параметрами устройств, например, со степенью насыщения стали двигателя, с быстродействием регуляторов магнитного потока, с диапазоном частот вращения ГЭД, в котором форсируется магнитный поток.

Следует также отметить, что для моделирования СЭД ледоколов с асинхронными ГЭД и трехуровневыми преобразователями частоты использована методология расчета систем по взаимосвязанным подсистемам, которая позволяет на порядки сократить затраты машинного времени на расчеты на ЭВМ. Это позволило существенно повысить качество и точность расчетов и исследований за счет включения в процедуру вычислений не только расчетов электромеханических и информационных процессов в сложной системе с большим количеством элементов, но одновременно выполнять

расчет потерь энергии в полупроводниках, расчет процессов теплопередачи, нагрева и охлаждения элементов. И даже при указанном усложнении модели СЭД затраты машинного времени на расчеты оказались приемлемы для разработчиков систем.

§ 6.6. Выводы по главе 6

1. Комплекс математических моделей ЭМТС, разрабатываемый по методологии расчета сложных систем по взаимосвязанным подсистемам, дополнен математическими описаниями установок с накопителями кинетической энергии, моделями электрических установок гидроаккумулирующих электростанций, моделями источников электроэнергии с синхронными генераторами и транзисторными возбудителями различного типа, а также моделями других систем, описанных в публикациях автора.

2. Комплекс компьютерных моделей ЭМТС, разрабатываемый автором на языке С++ для расчетов на ЭВМ по программе Сош81ш, дополнен моделями установок, указанных в п.1. В моделях реализованы математические описания силовых частей установок с различной степенью детализации электромеханических процессов. В моделях также реализованы разработанные структуры систем управления установками.

3. При использовании разработанного комплекса компьютерных моделей на ЭВМ выполнены расчеты конкретных систем, выполнены исследования ряда технических решений по структурам силовых схем, а также по алгоритмам управления установками. Подтверждена правильность использованных в моделях технических решений по силовых схемам и устройствам управления.

4. Из результатов исследований можно выделить следующее.

4.1. Предложено в гидроаккумулирующих электростанциях использовать асин-хронизированные генераторы-двигатели не только для решения типовых задач (повышение КПД турбин, закачка воды в верхний водоем на большую высоту, устранение кавитации, подавление колебаний в ЭЭС), но и для решения новой задачи - ограничение колебаний напора в водоводе и в турбине. Исследования на ЭВМ на разработанных моделях позволили подтвердить возможность практической реализации предложения.

4.2. Предложено (в соавторстве) синхронные генераторы с возбуждением через контактные кольца комплектовать транзисторными возбудителями с двухполярными ШИП для повышения быстродействия систем и улучшения массогабаритных характеристик оборудования.

4.3. СЭД мощных ледоколов могут быть выполнены с транзисторными и тири-сторными преобразователями частоты. При транзисторных ПЧ гребные двигатели могут быть синхронными или асинхронными. При тиристорных ПЧ целесообразно применение синхронных двигателей.

4.4. СЭД ледоколов с тиристорными НПЧ могут быть построены в основном на отечественной элементной базе. Но при этом необходимо решение ряда задач - компенсация реактивной мощности сети, минимизация искажений напряжений сети, поглощение рекуперируемой в сеть энергии при реверсах гребных винтов.

4.5. Разработана модель системы электродвижения ледоколов с асинхронными двигателями и преобразователями частоты с трехуровневыми инверторами напряжения. Использована методология моделирования систем по взаимосвязанным подсистемам, что обеспечило быстродействие модели и позволило уточнить описание системы, включив в него, кроме расчета электромеханики, расчет потерь энергии и тепловых процессов.

4.6. В системах электродвижения ледоколов с трехуровневыми инверторами напряжения и асинхронными гребными двигателями снижение частоты вращения гребных винтов приводит к увеличению колебаний температур полупроводниковых элементов инверторов, что особенно проявляется при заклинивании гребных винтов.

4.7. В системах электродвижения ледоколов с трехуровневыми инверторами напряжения и асинхронными гребными двигателями для снижения нагрузок и температур полупроводниковых приборов, а инверторах целесообразно увеличение магнитных потоков двигателей при снижении их частот вращения.

Глава 7. Повышение адекватности моделей ЭМТС

ЭМТС, содержащие электрические машины (ЭМ), полупроводниковые преобразователи (ПП) и системы управления (СУ), применяются во многих областях техники. Мощные ЭМТС наиболее интенсивно внедряются в последние несколько десятилетий в связи с появлением и совершенствованием силовых полупроводниковых элементов (ПЭ), например транзисторных модулей ЮВТ. ЭМТС для энергетики [4, 52, 257], для горнодобывающей и горноперерабатывающей промышленности, для железнодорожного транспорта [110], для систем электродвижения ледоколов [34, 35], а также для других назначений описаны во многих публикациях.

В различных режимах работы в ЭМТС возникают процессы различного рода -электромагнитные, механические, тепловые. Одновременно в ЭМТС решаются задачи регулирования, управления, защиты, диагностики, контроля. Все указанные процессы и решения задач взаимосвязаны. Адекватность анализа систем обеспечивается при всестороннем анализе энергетических и информационных процессов. Однако одни процессы кратковременные, другие длительные.

Например, процессы переключения модулей ЮВТ в мощных ПП могут иметь длительность от сотен наносекунд до единиц микросекунд. Эти процессы обусловлены параметрами силовых элементов, а также малыми "паразитными" параметрами силовых цепей - индуктивностями конденсаторов, модулей ЮВТ, кабелей, резисторов и т.д. Процессы переключения модулей ЮВТ связаны с перенапряжениями в силовых цепях, с дополнительными потерями энергии, с перегревом не только ПЭ, но также дросселей, шин, конструкций шкафов. Из имеющегося опыта следует, что анализ указанных высокочастотных процессов должен выполняться при расчетах с шагами интегрирования переменных менее 0.1 мкс.

Другим примером является значительная длительность переходных процессов во многих ЭМТС. К таким объектам можно отнести гидроаккумулирующие электростанции (ГАЭС) [169, 170]. В ГАЭС осуществляется накопление энергии

__и и т-\

путем многочасовой закачки воды из нижнего водоема в верхний водоем. В процессе закачки воды увеличивается давление воды на лопасти турбины, увеличивается момент сопротивления на валу ЭМ, изменяется частота вращения ротора ЭМ, изменяется режим работы ПП. Указанные процессы рассчитываются с шагами интегрирования на порядки большие, чем при расчетах быстрых процессов.

При разработке ЭМТС расчеты быстрых и медленных процессов, как правило, разделяются (выполняются по различным моделям систем). При этом анализ процессов выполняется при принятии более или менее значительных допущений. Снижается адекватность результатов анализа систем.

В работах [110, 27, 19] предложен метод расчета процессов в ЭМТС, содержащих большое количество ПЭ, по "гладким составляющим" переменных. За счет исключения из процесса расчета операций с ПЭ метод позволяет многократно

увеличить шаг интегрирования переменных (без значительной потери точности) и за счет этого на порядки сократить затраты машинного времени при расчетах на ЭВМ средней производительности (расчеты быстрее реального времени). В этих алгоритмах расчета быстрые процессы переключения ПЭ не учитываются. Однако в указанных публикациях предложено также использовать сдвоенные модели, в которых после расчета длительного процесса по "гладким составляющим" переменных происходит переход на более полные модели систем при использовании малых шагов интегрирования. Эта часть расчета выполняется медленнее, но с

и и т-\

достаточной высокой точностью. В целом затраты машинного времени на анализ систем значительно уменьшаются, и это позволяет в полной модели максимально учесть особенности ЭМТС, быстрые и медленные процессы. Адекватность результатов анализа систем и процессов в них повышается.

т-ч и о

В данной главе на основе создания сдвоенных моделей рассматриваются возможности повышения адекватности расчетов на примере моделирования, расчета и анализа процессов в системе с активным каскадным преобразователем частоты (КПЧ) и асинхронной машиной (АМ). Эффективность моделей обеспечивается использованием методов моделирования систем по взаимосвязанным подсистемам [110] в среде собственной разработки ComSim [18], а также применением новых

т-ч и о

алгоритмов управления. В данной главе описана модель системы повышенной адекватности, в которой в КПЧ учтены "паразитные параметры" конструкции, КС-цепи выпрямителей и инверторов, особенности переключения модулей ЮВ^ потери энергии и тепловые процессы модулей ЮВ^ а в АМ учтен ряд особенностей электрических машин, в том числе лестничными схемами учтено вытеснение токов в роторе, учтены потери в меди, потери в стали статора и ротора, их зависимость от частоты вращения, механические потери.

ЭМТС С КПЧ И АМ И ОСОБЕННОСТИ МОДЕЛИРОВАНИЯ КПЧ

Рассматриваемая структура ЭМТС с активным КПЧ и АМ представлена на рисунке 7.1. Питание КПЧ осуществляется от трехфазной электросети ограниченной мощности, содержащей в фазах регулируемые синусоидальные ЭДС esn (п=1, 2, 3) и индуктивности Ls. Сеть имеет в фазах напряжения ит и токи ¡т. К сети подключен многообмоточный трансформатор Тр, имеющий в данном случае 30 вторичных трехфазных обмоток. Поскольку КПЧ выполняется с активными выпрямителями, которые могут работать в многотактном режиме, то вторичные обмотки трансформатора синфазны.

КПЧ в рассматриваемом случае имеет 30 трехфазно-однофазных блоков преобразования частоты со звеньями постоянного выпрямленного напряжения (БПЧ1-БПЧ30). В БПЧ активные выпрямители подключены ко вторичным обмоткам Тр. Однофазные автономные инверторы напряжения БПЧ (АИН1-АИН30) в каждой фазе нагрузки включены по 10 последовательно, и образуют высоковольтный трехфазный источник напряжения. Нагрузкой КПЧ является трехфазная АМ (обычно двигатель, но в некоторых случаях генератор).

Рисунок 7.1 Схема ЭМТС с КПЧ и АМ для сдвоенной модели повышенной адекватности

Используемые математические описания элементов рассматриваемой ЭМТС представлены в предыдущих разделах. Вместе с тем, некоторые аспекты расчета целесообразно пояснить.

В частности, при расчете процессов в системе по "гладким составляющим" переменных из математических операций исключаются операции с транзисторами и диодами. Это позволяет на порядки увеличить шаг интегрирования, минимизировать количество математических операций и значительно сократить затраты машинного времени на расчеты. Указанный алгоритм расчета для одного БПЧ поясняется подсхемами, изображенными на рисунке 7.1 слева. На каждом крупном шаге интегрирования переменных в каждом БПЧ используются напряжения фильтровых конденсаторов, определенные на предыдущем крупном шаге расчета. Используются также напряжения управления фаз АВ и АИН, которые определяются СУ. Это позволяет вычислить напряжения КПЧ в фазах АВ и АИН. Найденные напряжения фаз и сигналы по токам фаз АВ и АИН позволяют определить мгновенные мощности, которые направлены в сторону фильтровых конденсаторов в каждом БПЧ. При известных напряжениях фильтровых конденсаторов определяются выпрямленные токи АВ и АИН. Указанные токи позволяют уточнить токи и напряжения фильтровых конденсаторов и перейти в следующему крупному шагу расчета по времени.

В заданный момент времени осуществляется переход к расчету с малым шагом интегрирования по более полной модели КПЧ. Используемая в этом случае расчетная схема БПЧ изображена на рисунке 7.1 справа. В схеме учтены "паразитные индуктивности" шин (между фильтровыми конденсаторами и модулями ЮВТ), а также эквивалентные ЯС-цепи АВ и АИН. Учтены особенности работы и переключения модулей ЮВТ (бестоковые паузы, обратные токи в обратных диодах, сопротивления в цепях управления и др.). В процессе расчета основных переменных системы вычисляются также потери энергии и температуры элементов.

Кроме указанного, в модели ЭМТС предусмотрены возможности расчета процессов при отключении части БПЧ и нарушении вследствие этого симметрии напряжений и токов на входе и выходе КПЧ. В используемой СУ реализованы алгоритмы симметрирования основных составляющих токов на входе и выходе КПЧ,

а также подавления "паразитных" составляющих [109, 21]. Алгоритмы улучшения качества электроэнергии КПЧ подтверждены экспериментами на установке с КПЧ и асинхронизированной машиной мощностью около 2,5 МВт [111].

ОСОБЕННОСТИ МОДЕЛИРОВАНИЯ АМ

В рассматриваемой модели ЭМТС с КПЧ подробно учтены особенности конструкции АМ. Во многих случаях ротор АМ выполняется с глубокими пазами. В таких машинах вследствие вытеснения токов в проводниках обеспечиваются большие моменты на валу при пуске (при больших скольжениях), а также малые потери энергии при завершении пуска (при малых скольжениях). Некоторое влияние на экономичность АМ оказывают высшие гармоники токов статора, которые создаются ПП [216]. Для учета этой особенности АМ используются модели, в которых процессы вытеснения токов описываются с помощью лестничных схем [73]. Схема замещения трехфазной АМ с лестничными схемами замещения контуров ротора по взаимно перпендикулярным осям с1 и ц представлена § 2.2.3-§ 2.2.6.

РАСЧЕТ ПУСКА АМ И УСТАНОВИВШЕГОСЯ РЕЖИМА НА СДВОЕННОЙ МОДЕЛИ

Расчеты выполнены применительно к оборудованию мусоросжигательного завода. Питание оборудования осуществляется от автономного источника напряжения, имеющего частоту 90,7 Гц. На входе КПЧ использован трансформатор Тр, имеющий 30 вторичных синфазных обмоток. Коэффициент трансформации Тр равен 22, напряжение короткого замыкания 10 %. Ко вторичным обмоткам Тр подключены 30 трехфазно-однофазных БПЧ, которые по цепям трехфазной нагрузки соединены по 10 в каждой фазе. На выходе КПЧ формируется трехфазное напряжение. Выходное напряжение КПЧ регулируется в пределах от 0 до 10,5 кВ, частота регулируется в пределах 0-50 Гц. В каждом БПЧ емкость фильтрового конденсатора равна 0,04 Ф, заданное выпрямленное напряжение равно 860 В, частота ШИМ в АВ и АИН равна 4 кГц. Нагрузкой КПЧ является АМ. Номинальные параметры АМ: мощность 28 МВт, напряжение 10,5 кВ, коэффициент мощности 0,88, синхронная частота вращения 50 Гц, скольжение 0,535, КПД 0,97, индуктивность обмотки статора 0,0802 о.е., обмотки ротора 0,0896 о.е., индуктивность намагничивания 2,19 о.е., активное сопротивление фазы статора 0,00324 о.е., фазы ротора 0,0037 о.е., механические потери и добавочные 18,5 кВт, момент инерции уменьшен до 20.9 кг м2 (для уменьшения размера файла результатов). В модели АМ индуктивности рассеяния и активные сопротивления обмоток учитываются лестничными схемами с коэффициент прогрессии параметров, равным 1,8. Учитываются также потери энергии в стали статора и ротора.

Результат расчета процесса пуска АМ с выходом на номинальный режим работы представлен на рисунке 7.2. При расчете заданная частота вращения АМ изменялась линейно от нулевого значения до номинального, момент сопротивления на валу изменялся пропорционален квадрату частоты.

Переход на полную модель

—---

н=100%

Рисунок 7.2 Пуск АМ с выходом на номинальный режим

Длительность рассматриваемого процесса 7,5 с. Один расчет выполнен на персональной ЭВМ средней производительности с постоянным шагом интегрирования переменных 100 мкс. Затраты машинного времени составили 3,78 с (в 2 раза быстрее реального времени). При таком анализе теряется некоторая информация о высокочастотных процессах (выше частоты ШИМ). Другой расчет процесса рисунке 3 выполнен на сдвоенной модели при переходе на полную модель в момент 6,9 с. При шаге расчета по полной модели 20 нс и записи результатов с шагом 200 нс расчет длится 1200 с. Эти затраты можно уменьшить при некотором увеличении шага расчета и погрешностей.

На рисунке 7.2 в момент перехода на расчет по полной модели (6,9 с) наблюдается резкое, но кратковременное увеличение электромагнитного момента АМ, а также некоторые изменения других кривых. Причина таких изменений заключается в том, что в модели происходит переход от расчета процессов в одной схеме (рисунке 7.1 в центре и слева) к расчету процессов в другой схеме (рисунке 7.1 в центре и справа). В процесс расчета включается учет параметров "паразитных" и ЯС-цепей (при нулевых начальных напряжениях конденсаторов).

Фрагмент процесса перехода системы от расчета процессов с крупным шагом к расчету с малым шагом интегрирования переменных представлен на рисунке 7.3. Расчет выполнен при "паразитных" индуктивностях в цепях выпрямленных токов АВ и АИН в каждом БПЧ, равных 100 нГн. Емкости конденсаторов в эквивалентных снабберных цепях АВ равны 6,6 мкФ, в эквивалентных снабберных цепях АИН -4,4 мкФ, активные сопротивления снабберных цепей 0,008 Ом. "Мертвая зона" при переключениях модулей ЮВТ равна 4 мкс. На рисунке 7.3 указаны названия рассчитанных кривых, а также момент перехода на расчет по полной модели.

Рисунок 7.3 Фрагмент процесса пуска АМ - переход к расчету с малым шагом по полной модели

В КПЧ опорные напряжения АИН для 30 БПЧ формируются в виде 10 пилообразных кривых, взаимно сдвинутых по уровню, каждая из которых соответствует трем АИН, находящимся в разных фазах нагрузки. В процессе работы КПЧ осуществляется круговая перестановка указанных десяти опорных напряжений. На рисунке 7.3 выведено одно их этих напряжений и одно напряжение управления АИН. Круговая перестановка выполняется с целью выравнивания нагрузки БПЧ при пониженных напряжениях АМ.

До перехода на расчет по полной модели ток фазы питающей сети незначительно опережает напряжение фазы, что определяется уставками СУ АВ. Ток фазы АИ отстает от напряжения фазы, что определяется параметрами АМ. Токи в транзисторах и диодах КПЧ и процессы в снабберных цепях не рассчитываются и эти параметры на рисунке 7.3 равны нулю.

После перехода на расчет по полной модели, в числе прочих вычислений, рассчитываются процессы в снабберных цепях, определяются токи в транзисторах и диодах АВ и АИН. Некоторые из этих кривых представлены на рисунке 7.3. При передаче энергии из сети к нагрузке в АВ токами нагружены преимущественно диоды, поэтому на рисунке 7.3 выведен ток одного диода АВ1. При этом в АИН токами нагружены преимущественно транзисторы, поэтому на рисунке 7.3 выведен ток одного транзистора АИН1.

Переход на полную модель сопровождается всплеском электромагнитного момента АМ. Этот всплеск затухает приблизительно в течение 1-2 периодов основной частоты АМ.

Следует обратить внимание на форму напряжений ЯС-цепей АВ и АИН. В напряжениях ЯС-цепей АВ существуют практически непрерывные колебания, обусловленные частыми переключениями модулей ЮВТ. В ЯС-цепях АИН аналогичные колебания возникают эпизодически, что обусловлено круговой перестановкой опорных напряжений и эпизодическим участием в работе БПЧ. Значительная амплитуда напряжений ЯС-цепей опасна для модулей ЮВТ, поэтому эта особенность процесса нуждается в дополнительном анализе.

На рисунке 7.4 слева представлены кривые напряжений ЯС-цепей АВ и АИН, соответствующие расчету рисунке 7.3.

Рисунок 7.4 Напряжения RC-цепей АВ и АИН

Рассматриваемый процесс характеризуется слабо затухающими колебаниями напряжений ЯС-цепей, которым очевидно соответствуют колебания токов и повышенные потери энергии в элементах КПЧ. Другая особенность процесса -значительные перенапряжения на ЯС-цепях и модулях ЮВТ в АИН. Перенапряжения можно уменьшить путем увеличения емкостей ЯС-цепей, а колебания можно погасить путем увеличения активных сопротивлений в ЯС-цепях. На рисунке 5 справа представлен результат расчета процессов в системе при увеличении емкостей в ЯС-цепях АИН до 8,8 мкФ и увеличении активных сопротивлений в ЯС-цепях АВ и АИН до 0,04 Ом. При дальнейшем увеличении активных сопротивлений обеспечивается апериодический характер процесса.

РЕШЕНИЯ ПО СИЛОВОЙ СХЕМЕ КПЧ

Некоторая часть решений по силовым схемам оборудования заключается в выборе элементной базы систем, например модулей ЮВТ в КПЧ, в оценке запасов по напряжению, нагрузок элементов по току, запасов по температурам при использовании одних или других способов охлаждения. При расчетах на моделях систем должны также учитываться возможности параллельного соединения модулей ЮВТ, последовательного соединение одного или другого количества БПЧ.

В рассмотренной выше установке с КПЧ напряжением 10,5 кВ, содержащей 30 БПЧ, предполагается использовать полумостовые модули ЮВТ фирмы 8еш1кгои SKM1400GB17R8, рассчитанные на ток 1400А и напряжение 1700В. Охлаждение предполагается жидкостные при температуре воды 38°С. При расчетах потерь энергии в транзисторах и диодах АВ и АИН, а также температур используются данные каталогов указанной фирмы (вольт-амперные характеристики приборов, потери энергии при переключениях приборов, зависимости характеристик от температур,

сопротивления в цепях управления, тепловые сопротивления элементов и др.). При расчетах предполагается параллельное соединение модулей ЮВТ, в каждом АВ параллельно 2 модуля в каждом плече моста, в каждом АИН параллельно 4 модуля в каждом плече моста. Управление каждой сборкой модулей осуществляется общим импульсом.

В таблице 7.1 представлены результаты расчета токов и температур транзисторов и диодов одиночных модулей ЮВТ в АВ и АИН. Расчеты соответствуют установившемуся режиму работы системе в режиме, близком к номинальному (конец процесса на рисунке 7.3).

Параметры Действующее Амплитуда, Максимальная

значение, А А температура, °С

Ток транзистора АВ1 107.420 1083.5 73.590

Ток диода АВ1 382.890 1131.766 77.490

Ток транзистора 301.650 669.286 117.026

АИН1

Ток диода АИН1 107.289 665.170 104.082

Из результатов расчета следует, что указанные модули в номинальном режиме работы системы имеют необходимый запасы по напряжению, току и температуре.

АВАРИЙНЫЕ РЕЖИМЫ РАБОТЫ УСТАНОВОК С КПЧ

Установки с активными КПЧ содержат большое количество транзисторов, диодов, конденсаторов, датчиков и других элементов. Поэтому вероятность выхода из строя отдельных БПЧ высока. Разработчики КПЧ во многих случаях предусматривают отключение неисправных БПЧ, устанавливая в фазах АВ предохранители, а на выходе АИН контакт аппарата, шунтирующего неисправный блок, как указано на рисунке 7.1. При отключении одного или нескольких БПЧ, если алгоритм работы СУ не изменяется, на выходе КПЧ нарушается симметрия напряжений и токов. В питающей сети активного КПЧ также усиливаются искажения токов и напряжений вследствие исключения из работы части выпрямительных мостов в многотактной системе АВ. При указанных авариях изменяется также допустимая мощность нагрузки КПЧ. В § 5.1.2 в активном КПЧ с шестью БПЧ предложено для симметрирования токов фаз АМ использовать в напряжениях управления АИН составляющие нулевой последовательности. Эффективность данного решения подтверждена экспериментально на макете ГАЭС мощностью около 2,5 МВт. В § 5.1.5 показано, что работоспособность КПЧ при снижении допустимой мощности может обеспечиваться при отключении значительной части БПЧ, даже если в работе остаются только два БПЧ в разных фазах нагрузки, также предложено при отключении неисправных БПЧ осуществлять симметрирование токов на выходе и входе КПЧ, а также подавление нежелательных составляющих с помощью корректоров токов. Последний вариант СУ реализован в рассмотренной выше модели ЭМТС с КПЧ.

Из числа многих других аварийных режимов работы системы можно выделить витковые короткие замыкания в электрических машинах. В рассмотренной выше модели ЭМТС эти аварии не учтены. Однако математическое описание этих аварий,

выполненное применительно к синхронным генераторам, представлено в [233] и при необходимости может быть использовано в других моделях, в том числе ЭМТС с КПЧ и АМ.

Выводы по главе 7

1. Методология моделирования электромеханотронных систем по взаимосвязанным подсистемам, дополненная методом расчета процессов по "гладким составляющим" переменных, а также методикой создания сдвоенных моделей, позволяет на порядки сократить машинное время, затрачиваемое на расчеты. В моделях удается совместить анализ медленных и быстрых процессов, выполнять расчеты длительных процессов в системах с большим количеством переключаемых элементов, работающих на повышенных частотах.

2. Быстродействие моделей, созданных по П.1, позволяет учесть "паразитные" параметры, конструкций и элементов, особенности переключений ЮВТ, снабберные цепи, вытеснение токов в электрических машинах, использовать более подробное и точное математическое описание процессов различного рода (электромагнитных, механических, тепловых, информационных). При более точном описании систем повышается адекватность анализа процессов, а также решений, принимаемых на основе расчетов.

Заключение

1. Сформулирована проблема современного этапа создания электромеханотронных систем различного назначения. Проблема заключается в том, что в связи с усиливающейся конкуренцией производителей оборудования и сокращением времени разработки изделий, а также в связи с появлением множества новых технических решений и усложнением систем, все более необходимой становится разработка установок на базе их математического и компьютерного моделирования. Однако использование существующих комплексов моделей систем затруднено из-за того, что новые технические решения недостаточно изучены, в комплексах моделей не представлены, а расчеты и исследования на ЭВМ выполняются с существенными допущениями, с большими затратами машинного времени, если используются широко распространенные методы моделирования.

2. Для решения проблемы предложены новые методы расчета, развивающие методологию моделирования электромеханотронных систем по взаимосвязанным подсистемам. Из новых элементов методологии можно выделить следующие

- учет в моделях снабберных цепей модулей ЮВТ;

- учет в моделях "мертвого времени" при переключении модулей ЮВТ;

- метод моделирования с виртуальными регулируемыми источниками напряжения;

- метод моделирования по "гладким" составляющим токов и напряжений;

- метод сдвоенных моделей;

- метод оценки потерь энергии в машинах от высших гармоник ШИМ;

- метод учета пространственных гармоник магнитного поля машин;

- учет тепловых процессов в машинах;

- сочетание методов цепей и конечных элементов в алгоритмах расчета систем;

- метод оценки циклоустойчивости модулей ЮВТ;

- методы изменений частоты ШИМ;

- описания систем с многофазными цепями (число фаз 5 или больше).

3. Предложены новые технические решения по силовых схемам систем с электрическими машинами и полупроводниковыми преобразователями и алгоритмам управления устройствами и системами, в том числе:

- предложены новые структуры каскадных комбинированных и гибридных преобразователей частоты, а также алгоритмы управления ими;

- предложена структура и алгоритмы управления асинхронизированной электромашинной вставки с активными преобразователями частоты в цепях возбуждения, пуска и торможения генераторов-двигателей;

- предложено в асинхронизированных генераторах-двигателях электромашинного преобразователя частоты тиристорное защитное устройство в цепях роторов машин использовать не только для защиты транзисторных возбудителей от сверхтоков, возникающих при коротких замыканиях в цепях статоров машин, но и для обеспечения работоспособности системы при потере возбуждения одной из асинхронизированных машин;

- предложены алгоритмы управления каскадными преобразователями частоты в частичных режимах работы, обеспечивающие симметрию фаз нагрузки при несимметричной работе каскадных преобразователей;

- предложены алгоритмы управления модульными многоуровневыми статическими компенсаторами, позволяющие реализовать различные режимы работы систем - компенсацию реактивной мощности, синхронизацию электросетей, распределение мощностей между устройствами и др.;

- предложены алгоритмы векторного управления в фазных координатах АИН и двигателями на постоянных магнитах с несинусоидальными ЭДС;

- предложены алгоритмы управления модульными многоуровневыми преобразователями, содержащими последовательно включенные низковольтные мостовые или полумостовые транзисторно-емкостные ячейки (для АВ, АИН, ПЧ, СТАТКОМов);

- предложены (в соавторстве) новые структуры мощных источников питания с синхронными генераторами, транзисторными системами самовозбуждения с ШИП и системами управления и защиты.

4. При использовании методологии моделирования электромеханотронных систем по взаимосвязанным подсистемам разработан комплекс математических моделей установок с электрическими машинами, полупроводниковыми преобразователями и устройствами управления. В комплексе представлены модели ряда новых систем, в том числе;

- модели асинхронизированной электромашинной вставки в систему электроснабжения мегаполиса, содержащей два асинхронизированных генератора-двигателя на одном валу, транзисторные активные преобразователи частоты в цепях возбуждения машин, транзисторные активные трехуровневые преобразователи частоты в цепях пуска и торможения электромашинного агрегата, системы управления, регулирования и защиты;

- модели систем электродвижения переменного и постоянного тока с транзисторными преобразователями (АВ, АИН, ШИП), многофазными двигателями на постоянных магнитах с несинусоидальными ЭДС, нагрузками гребных винтов и системами управления, векторного регулирования и защиты;

- модели систем с модульными многоуровневыми преобразователями, построенными на базе последовательно соединенных низковольтных транзисторно-емкостных полумостовых и мостовых блоков с системами управления (инверторы, активные выпрямители, преобразователи частоты, статические компенсаторы различного типа);

- модели систем с синхронными генераторами и транзисторными двухполярными и однополярными возбудителями с широтно-импульсным преобразованием напряжений и токов при независимом возбуждении и самовозбуждении с учетом нормальных и аварийных режимов работы (внешние и витковые короткие замыкания и др.).

5. На основе выполненных новых математических описаний или усовершенствования известных описаний электрических систем и их элементов разработаны на языке С++ компьютерные модели, которые включены в состав создаваемого комплекса моделей электромеха-нотронных систем различного назначения.

6. Для эффективного использования созданного комплекса компьютерных моделей ЭМТС разработан комплекс программ СошБ1ш, зарегистрированный в Федеральной службе по интеллектуальной собственности РФ. Этот комплекс позволяет разрабатывать на ЭВМ компьютерные модели ЭМТС на языке С++, редактировать и компилировать программы, формировать исходные данные для работы моделей, запускать модели на расчет, анализировать результаты расчетов (методами частотного и гармонического анализа кривых, методами разложения гармоник на симметричные составляющие для трехфазных и шестифазных систем), выводить графическую информацию на дисплей и в файлы результатов и др.

7. Модели ЭМТС, разработанные на языке С++ для расчетов в комплексе программ СошБ1ш, по сравнению с аналогичными моделями, разработанными, например в среде Ма1ЬаЬ-81ши1тк, позволяют сократить затраты машинного времени на расчеты и исследования ЭМТС на ЭВМ в десятки, сотни и тысячи раз (в зависимости от сложности схем).

8. Методология моделирования ЭМТС по взаимосвязанным подсистемам, дополненная методом расчета процессов по "гладким составляющим" переменных, а также методикой создания сдвоенных моделей, позволяет на порядки сократить машинное время, затрачиваемое на расчеты. В моделях удается совместить анализ медленных и быстрых процессов, выполнять расчеты длительных процессов в системах с большим количеством переключаемых элементов, работающих на повышенных частотах.

9. Быстродействие моделей, позволяет учесть "паразитные" параметры, конструкций и элементов, особенности переключений ЮВТ, снабберные цепи, вытеснение токов в электрических машинах, использовать более подробное и точное математическое описание процессов различного рода (электромагнитных, механических, тепловых, информационных). При более точном описании систем повышается адекватность анализа процессов, а также решений, принимаемых на основе расчетов.

10. Более 20 лет автор использовал разработанные модели ЭМТС для решения производственных задач, связанных с проектированием конкретных установок. Также выполнял исследования систем и ряда технических решений в части построения силовых электрических схем установок и разработки алгоритмов управления системами. В числе прочего получены следующие результаты исследований:

- средствами моделирования на ЭВМ доказано, что асинхронизированная электромеханическая вставка позволяет энергетически объединить участки электроэнергетической системы при отсутствии гальванической связи силовых электрически схем участков, при отсутствии связей участков по сигналам управления, при решении задач каждого участка по передаче активной мощности в другой участок, по независимой генерации реактивной мощности в каждом участке, по поддержанию напряжений в каждом участке независимо от процессов в другом участке, по решению других задач;

- использование асинхронизированной электромеханической вставки в систему электроснабжения мегаполиса в качестве накопителя кинетической энергии возможно, но связано с увеличением диапазона регулирования скольжения асинхронизированных генераторов-двигателей, с увеличением предельного напряжения их контактных колец, с увеличением

мощности активных транзисторных возбудителей, с применением в возбудителях высоковольтных схем преобразования частоты;

- использование в системах возбуждения асинхронизированной электромеханической вставки активных преобразователей частоты с трехуровневыми выпрямителями и инверторами связано со значительным увеличением пульсаций напряжения на конденсаторах в звеньях выпрямленного напряжения преобразователей частоты и с возникновением вследствие этого биений токов во внутренних контурах преобразователей, что особенно проявляется при низких частотах токов возбуждения машин;

- в связи с особенностями работы трехуровневых активных преобразователей частоты в системах возбуждения асинхронизированных машин наиболее простым и дешевым является применение двухуровневых или каскадных активных преобразователей частоты;

- устройство защиты транзисторных возбудителей асинхронизированных машин в электромеханической вставке в систему электроснабжения мегаполиса может быть использовано не только для защиты транзисторных возбудителей от сверхтоков при коротких замыканиях обмотки статора машины, не имеющей демпферной системы, но и для обеспечения работы вставки при потере возбуждения одного генератора-двигателя;

- применение в асинхронизированной электромеханической вставке двух транзисторных активных пусковых устройств (для двух машин), в каждом из которых использованы несколько параллельно включенных преобразователя частоты, позволяет существенно повысить надежность пуска и торможения агрегата за счет взаимного резервирования преобразователей (пуск и торможение возможны при использовании различного количества ПЧ);

- асинхронизированная электромеханическая вставка позволяет обеспечить бесперебойное электроснабжение потребителей первой категории надежности;

- применительно к СЭД переменного и постоянного напряжения с ДПМ рассмотрены варианты векторного управления АИН и ДПМ в осях dq двигателя и в осях фаз при искаженных ЭДС двигателя, средствами моделирования и расчета на ЭВМ электромеханических процессов доказана более высокая эффективность системы управления в осях фаз по обеспечению синусоидальности токов и минимизации пульсаций электромагнитного момента;

- исследованиями доказано, что при использовании в алгоритмах управления КПЧ и ММПЧ блоков коррекции трехфазных токов сети и нагрузки обеспечивается формирование симметричных систем токов нагрузки при отключении части низковольтных блоков преобразования частоты в КПЧ и ММП, а также существенно улучшаются характеристики приводов;

- исследованиями на ЭВМ доказано, что в модульных многоуровневых выпрямителях, инверторах и преобразователях частоты снижение частоты основных гармоник переменных напряжений приводит к увеличению пульсаций напряжений конденсаторов в низковольтных блоках, в пределе - к неработоспособности преобразователей, при этом низкочастотные пульсации напряжений и токов могут быть ограничены путем введения в напряжения управления составляющих нулевой последовательности повышенной частоты;

- исследованиями на ЭВМ (в соавторстве) доказано, что в источниках электроэнергии с синхронными генераторами и транзисторными системами самовозбуждения системы управ-

ления обеспечивают работу источников не только в нормальных режимах, но и в аварийных режимах, в том числе при витковых замыканиях в обмотке статора и при коротких замыкания обмотки, при которых исчезает напряжение питания системы возбуждения.

- исследованиями на ЭВМ показано, что в системах электродвижения ледоколов с трехуровневыми инверторами напряжения и асинхронными гребными двигателями снижение частоты вращения гребных винтов приводит к увеличению колебаний температур полупроводниковых элементов инверторов, что особенно проявляется при заклинивании гребных винтов.

- исследованиями на ЭВМ доказано, что СЭД мощных ледоколов могут быть выполнены с транзисторными и тиристорными преобразователями частоты. При транзисторных ПЧ гребные двигатели могут быть синхронными или асинхронными. При тиристорных ПЧ целесообразно применение синхронных двигателей.

- исследованиями на ЭВМ доказано, что СЭД ледоколов с тиристорными НПЧ могут быть построены в основном на отечественной элементной базе. Но при этом необходимо решение ряда задач - компенсация реактивной мощности сети, минимизация искажений напряжений сети, поглощение рекуперируемой в сеть энергии при реверсах гребных винтов.

11. Разработка структур силовых схем и алгоритмов управления ЭМТС, их моделирование, расчеты и исследования выполнялись автором в рамках проектных работ АО "Силовые машины", НПЦ СЭС, а также в связи с выполнением НИОКР Санкт Петербургским государственным электротехническим университетом «ЛЭТИ», в том числе по следующим договорам:

- договор между АО «Силовые Машины» и Санкт Петербургским государственным электротехническим университетом «ЛЭТИ» №1293-01-11-19 от 26 марта 2020 года на расчеты электромеханических процессов в асинхронизированной электромашинной вставке в систему электроснабжения мегаполиса. Ответственный исполнитель - Воронцов А.Г.

- договор между АО «Силовые машины» и Санкт Петербургским государственным электротехническим университетом «ЛЭТИ» №20-28/РАПС-77 от 15 апреля 2021 года на выполнение НИР "Проведение и анализ расчетов для определения основных параметров в высоковольтных статических компенсаторах". Ответственный исполнитель по договору - Воронцов А.Г.

- договор №20-28/РАПС-77 от 31.03.2021 г. (№21-12/РАПС-79) между АО «Силовые машины» и Санкт-Петербургским государственным электротехническим университетом «ЛЭТИ» им. В. И. Ульянова (Ленина)», по техническому заданию 0БС.104.840 ТЗ на СЧ ОКР «Разработка математической модели «СЭД-СМ» Ответственный исполнитель работы - Воронцов А.Г.;

- договор №91407523-1/2020 от 01.09.2020 г. между АО «Силовые машины» и Воронцовым Алексеем Геннадьевичем, по техническому заданию 0БС.109.091 ТЗ на НИОКР «Аппаратура преобразования, защиты, управления для высокооборотных генераторных установок 6-70 МВт (ГУ) для завода обезвреживания твердых отходов» в части моделирования и расчетов установок с высокооборотными генераторами и преобразователями частоты.

Литература

1. Адкинс, Б. Общая теория электрических машин. -М.-Л.: ГЭИ, 1970. -271 с.

2. Амелина М.А., Амелин С.А. Программа схемотехнического моделирования Micro-Cap. Версии 9, 10 // Смоленск, Смол. фил. НИУ МЭИ. 2013.

3. Арриллага Дж. Гармоники в электрических системах / Дж. Арриллага, Д. Брэдли, П. Боджер // М.: Энергоатомиздат, 1990.

4. Артюх С. Ф. Повышение энергоэффективности гидроаккумулирующих электростанций / С. Ф. Артюх, В. В. Галат, В. В. Кузьмин, И. И. Червоненко, Ю. Г. Шака-рян, П. В. Сокур // Электрические станции. - 2014. - № 8.

5. Атабеков Г.И. Линейные электрические цепи. Ч. 1. // М.: Энергия, 1978.

6. Бахвалов Н.С. Численные методы (анализ, алгебра, обыкновенные дифференциальные уравнения) // М.: Гл. ред. физ.-мат. лит. изд-ва "Наука", 1975 - 632 с.

7. Бессонов Л.А. Теоретические основы электротехники // М.: Высш. шк., 1973.

8. Болотовский Ю.И. ORCAD 9.x, ORCAD 10.x. Практика моделирования / Ю. И. Болотовский, Г. И. Таназлы // М.: СОЛОН ПРЕСС, 2012. - 208 с.

9. Ботвинник М.М., Шакарян Ю.Г. Управляемая машина переменного тока. М., "Наука", 1969.

10. Бурмистров А. А. Средства управления и регулирования возбуждения асин-хронизированных турбогенераторов / А. А. Бурмистров, А. В. Фадеев // Электротехника. -2010. - № 2. - С. 43-51.

11. Бутырин П.А. Использование компьютерного моделирования в преподавании теории электромагнитного поля / Бутырин П.А., Дубицкий С.Д., Коровкин Н.В. // Электричество. - 2014. - № 10. - С. 66-71.

12. Бутырин П.А. Математическое и физическое моделирование фильтрокомпен-сирующего устройства на основе каткона / П.А.Бутырин, Г.Г. Гусев, В.В. Кужман, Д.В. Михеев // Электричество. - 2014. - № 11. - С. 58-62.

13. Вагнер К. Ф. Метод симметричных составляющих и его применение к расчету аварийных токов / К. Ф. Вагнер, Р. Д. Эванс // Л.; М.: Энергоиздат, 1933. - 183 с.

14. Васнецкий Ю. М. Компенсация нерегулярных колебаний перетоков активной мощности по линии электропередачи с помощью сверхпроводящего индуктивного накопителя энергии / Ю. М. Васнецкий, И. Л. Мазуренко, А. В. Павлюк // Электричество. - 2014. - № 2. - С.10 - 17.

15. Володарский Л.Г., Довганюк И.Я., Мнев Р.Д., Плотникова Т.В., Сокур П. В., Тузов П.Ю. Результаты испытаний асинхронизированных компенсаторов типа АСК-100-4УХЛ4 на ПС 500 кВ Бескудниково // Электрические станции. - 2013. - № 7. - С. 28-36.

16. Воронин В. А. О возможном пути развития ЕЭС России на базе широкого использования накопителей энергии / В. А. Воронин, Д. Р. Любарский, С. Н. Макаров-ский, В. Н. Подъячев // Электрические станции. - 2010. - № 5.

17. Воронов Г. Г. Шестифазные турбогенераторы / Г. Г. Воронов, Г. М. Хуторец-кий // Электросила. Л.: Энергия. 1970. - № 28.

18. Воронцов А.Г. Программа для ЭВМ СошБ1ш1_5 / Номер свидетельства 2019661058. Дата регистрации в Федеральной службе по интеллектуальной собственности РФ 19.08.2019.

19. Воронцов А.Г. Развитие методологии моделирования ЭМТС по взаимосвязанным подсистемам и комплекс моделей в ComSim / Известия СПбГЭТУ. - 2022. - № 3. С. 57-65.

20. Воронцов А.Г., Глушаков В.В., Пронин М.В. Гибридные каскадные преобразователи частоты и особенности их управления // Известия СПбГЭТУ "ЛЭТИ". - 2019. - № 8.

21. Воронцов А.Г., Глушаков В.В., Пронин М.В., Сычев Ю.А. Каскадные преобразователи частоты и особенности их управления // Записки Горного института, 2020, №2.

22. Воронцов А.Г., Глушаков В.В., Пронин М.В., Федоров Н.И., Шелюх В.Ю. Программа для расчета электродинамических процессов каскадного преобразователя частоты с силовыми ячейками с активным выпрямителем / Номер свидетельства 2022662041. Дата регистрации в Федеральной службе по интеллектуальной собственности РФ 29.06.2022.

23. Воронцов А. Г., Доан Ань Туан, Коськин Ю.П., Пронин М.В. Высокочастотные электромагнитные процессы в электрических машинах при широтно-импульсной модуляции напряжения / Сб. "Электротехника", 2008, № 3. -С. 36-44.

24. Воронцов А.Г., Калачиков П.Н., Крутяков Е.А., Пронин М.В. Математические модели приводов с асинхронными машинами с фазным и короткозамкнутым ротором и устройствами плавного пуска // Сб. "Электросила", 2002, №41. -С. 187-195.

25. Воронцов А.Г., Николаев М.А., Пронин М.В. Выпрямители на тиристорах ЮСТ и на транзисторах ЮВТ в тяговых электроприводах разработки ЦНИИ СЭТ // VII международная научно-техн. конференция "Проблемы повышения технического уровня электроэнергетических систем и электрооборудования кораблей, плавучих сооружений и транспортных средств". -СПб., 2000. -С. 38.

26. Воронцов А.Г., Павлов П.А., Крутяков Е.А., Пронин М.В. Современные возможности наладки микропроцессорных систем управления электроприводов // Сб. "Электросила", 2003, № 42. -С. 83-90.

27. Воронцов А.Г., Пронин М.В. Расчет систем с электрическими машинами и полупроводниковыми преобразователями на быстродействующих сдвоенных моделях / Сб. "Электротехника", 2021, № 1. -С. 20-25.

28. Воронцов А.Г., Пронин М.В., Адалев А.Г., Шелюх В.Ю., Дикун И.А. Модели модульного многоуровневого СТАТКОМа / Известия СПбГЭТУ "ЛЭТИ". №9, 2021. -С. 72-79.

29. Воронцов А.Г., Пронин М. В. и др. Расчет электромагнитных процессов и потерь энергии в преобразователях на транзисторах ЮВТ / Сб. "Электросила", 2003, № 42. -С. 122-130.

30. Воронцов А.Г., Пронин М.В., Глушаков В.В., Федоров Н.И. Моделирование ЭЭС с продольным СТАТКОМом методами взаимосвязанных подсхем для анализа режимов синхронизации напряжений двух ЛЭП // Известия СПбГЭТУ "ЛЭТИ". №3, 2021. - С. 72-79.

31. Воронцов А.Г., Пронин М.В., Глушаков В.В., Фёдоров Н.И. Моделирование ЭЭС с продольным СТАТКОМом методами взаимосвязанных подсхем в режимах распределения нагрузок между двумя ЛЭП // Известия СПбГЭТУ "ЛЭТИ". №5, 2021. - С. 65-72.

32. Воронцов А.Г., Пронин М.В., Мамутов А.Р., Григорян А.С. Модели ЮВТ-преобразователей переменно-постоянного напряжения с 3-, 5- и 7-фазно-трехфазными трансформаторами // Известия СПбГЭТУ "ЛЭТИ". №3, 2018. - С. 34-42.

33. Воронцов А.Г. Управление многофазным двигателем на постоянных магнитах при несинусоидальных ЭДС и питании от АИН / Известия СПбГЭТУ. - 2022. - № 7. С.91-99

34. Воронцов А.Г. Варианты систем электродвижения ледоколов мощностью 60 и 120 МВт / Известия СПбГЭТУ. - 2022. - № 8. С.83-89

35. Воронцов А.Г., Пронин М.В. Модели систем электродвижения ледоколов с асинхронными двигателями и трехуровневыми преобразователями / Известия СПбГЭТУ. - 2022. - № 9. С.80-90

36. Герман-Галкин С. Г. Анализ и синтез мехатронной системы с магнитокомму-тационной машиной в пакетах Ма1ЬаЪ-81ти1тк // Силовая электроника. - 2006. - № 1.

37. Герман-Галкин С.Г., Дмитриев Б.Ф. Исследование спектральных характеристик многоуровневых полупроводниковых преобразователей // Электротехника. -2014. - № 3. - С. 45-53.

38. Глебов И. А. Системы возбуждения синхронных генераторов с управляемыми преобразователями // Изд - во АН СССР, 1960.

39. Глебов И. А. Системы возбуждения мощных синхронных машин // -Л.: Наука. Ленингр. отд-ние, 1979. - 313 с.

40. Глебов И. А. Электромагнитные процессы систем возбуждения синхронных машин // -Л.: Наука. 1987. - 344 с.

41. Глебов И. А. Проблемы пуска сверхмощных синхронных машин / И. А. Глебов, Н. В. Шулаков, Е. А. Крутяков // Л.: Наука, 1988.

42. Гончаренко Р. Б. Применение систем резервного электропитания на основе маховичных агрегатов переменного тока и газоаккумулирующих установок плазменной газификации отходов для стабилизации режимов энергосистем / Р. Б. Гончаренко, А. А. Киселев, В. Е. Попов, Ф. Г. Рутберг // Электричество. - 2014. - № 9. С. 13-22.

43. Гончарук Н. В. Модели электроэнергетической системы для расчетов режимов / Н. В. Гончарук, С. Г. Мурзин // Электричество. - № 10. - 2009. - С. 7-17.

44. Государственная программа РФ "Развитие энергетики" от 15 апреля 2014 г. № 321.

45. Григорян А.С., Мамутов А.Р., Пронин М.В., Воронцов А.Г. Моделирование IGBT-преобразователей по взаимосвязанным подсистемам с учетом снабберных цепей / Известия СПбГЭТУ "ЛЭТИ". №2, 2018. - С. 43-47.

46. Григорян А.С., Мамутов А.Р., Пронин М.В., Воронцов А.Г. Моделирование IGBT-преобразователей по взаимосвязанным подсистемам с учетом времени переключения транзисторов / Известия СПбГЭТУ "ЛЭТИ". №1, 2018. -С.49-54.

47. Демирчян К.С., Бутырин П.А. Моделирование и машинный расчет электрических цепей // М.: Высш. шк., 1988. - 336 с.

48. Демирчян К.С., Нейман Л.Р., Коровкин Н.В., Чечурин В.Л. Теоретические основы электротехники. В 3т // - М.; СПб.; Нижний Новгород; Воронеж: Питер, 2004. -463 с.,- 576 с. - 377 с.

49. Добрусин Л.А. Особенности моделирования преобразователей в среде системы DESIGN // Электротехника 2010: VII симпозиум, ТРАВЭК, Москва, 2003.

50. Довганюк И.Я., Лабунец И.А., Плотникова Т.В., Сокур П.В., Шакарян Ю.Г. Концепция построения системы управления возбуждением асинхронизированных турбогенераторов // Электротехника. - 2010. - № 2. - С. 30-35.

51. Довганюк И.Я., Лохматов А.П., Плотникова Т.В., Сокур П.В., Тузов П.Ю., Шакарян Ю.Г. Асинхронизированные машины как средство противоаварийного управления и регулирования частоты в энергосистеме // Электрические станции. -2011. - № 9. - С. 32-36.

52. Довганюк И.Я., Мнев Р.Д., Плотникова Т.В., Сокур П.В., Тузов П.Ю. Анализ систем возбуждения гидрогенераторов ГАЭС, работающих с переменной частотой вращения // Электротехника. - 2012. -№ 6.

53. Довганюк И.Я., Мнев Р.Д., Сокур П.В., Тузов П.В. Электромеханический накопитель энергии на базе асинхронизированного компенсатора // Электротехника. -2014. - № 1. - С. 54-59.

54. Довганюк И.Я., Мнев Р.Д., Сокур П.В., Тузов П.Ю. Способы пуска асинхро-низированного компенсатора с маховиком // Электротехника. -2014. -№ 1. -С. 60-64.

55. Домбровский В.В., Хуторецкий Г.М. Основы проектирования электрических машин переменного тока // Л.: Энергия, 1974. - 504 с.

56. Дорофеев В.В., Шакарян Ю.Г. и др. Перспектива применения в ЕЭС России гибких (управляемых) систем электропередачи переменного тока // Электрические станции. - 2004. -№ 8. -С. 10-13.

57. Дробкин Б.З., Пронин М.В., Гоголев Г.А., Воронцов А.Г., Иванов В.В. Активные полупроводниковые преобразователи для энергетики / Международная конференция Russia Power-2012, Москва, 2012 г.

58. Дробкин Б.З., Пронин М.В., Крутяков Е.А., Воронцов А.Г. Тиристорные пусковые устройства для асинхронизированных компенсаторов АСК-100 / "Электрические станции", 2010 г., №7.

59. Дьяконов В.П. MATLAB 6.5 SP1/7.0 + Simulink 5/6 в математике и моделировании // М.: СОЛОН-Пресс, 2005. - 576 с.

60. Ефимов А.А., Зиновьев Г.С., Калыгин К.Н., Мухаматшин И.А., Шрейнер Р.Т. Прогнозирующее релейно-векторное управление активными преобразователями в системах электропривода // Электротехника 2010: VII симпозиум, ТРАВЭК - М. - 2003.

61. Ефимов А.А., Шрейнер Р.Т. Активные преобразователи в регулируемых электроприводах переменного тока / Под общей редакцией д-ра техн. наук, проф. Шрейнера Р.Т. -Новоуральск: Изд. НГТИ, 2001. -250 с.

62. Жерве Г. К. Промышленные испытания электрических машин // Л.: Энерго-атомиздат, 1984.

63. Жмудь А. Е. Гидравлический удар в гидротурбинных установках // М.; Л.: Госэнергоиздат, 1953. - 236 с.

64. Жуковский Н. Е. О гидравлическом ударе в водопроводных трубах // М.; Л.: Гостехиздат, 1949. - 103 с.

65. Зиновьев Г.С. Основы силовой электроники: учеб. пособие // Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2004. - 672 с.

66. Зиновьев Г.С., Зотов Л.Г., Мальнев А.И. Комбинированный матричный преобразователь // Электротехника. -2012. -№10. - С. 59-63.

67. Инюцын А.Ю. Умные технологии становятся доступнее для городов / Практика муниципального управления, №2, февраль 2017 года.

68. Калантаров П.Л., Нейман Л.Р. Теоретические основы электротехники / - Л. ; М.: Государственное энергетическое издательство, 1951.

69. Калачев Ю.Н. SimInTech: Моделирование в электроприводе. -М.: ДМК Пресс, 2019. - 98 с.

70. Кнут Д. Искусство программирования Т. 3. Сортировка и поиск / Д. Кнут. -М.: Вильямс, 2007.

71. Козярук А.Е., Плахтына Е.Г. Вентильные преобразователи в судовых электромеханических системах / - Л.: Судостроение, 1987. - 192 с.

72. Копылов И.П. Математическое моделирование электрических машин // М.: Высш. шк., 1987. -248с.

73. Копылов И. П. Проектирование электрических машин под ред. И. П. Копыло-ва в 2 ч. / И. П. Копылов и др., - М.: Энергия, 1980. - Кн. 1. - 464 с.; кн. 2. - 384 с.

74. Коротков Б.А., Попков Е.Н. Алгоритмы имитационного моделирования переходных процессов в электрических системах: учеб. пособие /- Л.: Из-во Ленинг. ун-та, 1987. - 280 с.

75. Коськин Ю.П. Введение в электромеханотронику // СПб.: Энергоатомиздат. С.-Петерб. отд-ние, 1991.

76. Коськин Ю.П., Беналлал Н.М. Перенапряжения в частотно-управляемых линейных асинхронных двигателях: учеб. пособие / - СПб: Изд-во СПбГЭТУ, 2003.

77. Концепция энергетической стратегии России на период до 2030 года. Прил. к журналу "Энергетическая политика". - М.: ГУ ИЭС, 2007.

78. Корн Г. Справочник по математике для научных работников и инженеров / Г. Корн, Т. Корн // М.: Наука, 1978.

79. Крутяков Е.А., Карзунов Р.А., Пронин М.В., Воронцов А.Г. Электроприводы мельниц ГОК "Олимпиадинский" // Сб. "Горное оборудование и электромеханика", 2005, №5. -С. 17-20.

80. Кузин М.Е., Нахди Т., Кистанова Е.В., Пронин М.В., Воронцов А.Г. Особенности моделирования электрических систем в SIMULINk и методами их расчета по взаимосвязанным подсистемам / Известия СПбГЭТУ "ЛЭТИ", №7, 2011. -С.88-95.

81. Ледин С. Автоматизация и 1Т в энергетике. № 11 (16), 2010.

82. Логинов А. Г. Микропроцессорный автоматический регулятор типа АРВ-М для систем возбуждения АО "Электросила" / А. Г. Логинов, А. В. Фадеев // Электротехника. - 2001. - № 9.

83. Лохматов А.П., Мнев Р.Д., Сокур П.В. О применении маховичных асинхрони-зированных компенсаторов в энергосистеме // Электрические станции. - 2011. - №1. -С. 48-50.

84. Лютер Р. А.Расчет синхронных машин / - Л.: Энергия, 1979. - 272 с.

85. Мамутов А.Р., Пронин М.В., Воронцов А.Г. Моделирование обратимого статического преобразователя переменно-постоянного напряжения / Известия СПбГЭТУ "ЛЭТИ". №10, 2013. -С. 55-59.

86. Мартынов В.А., Голубев А. Н. Моделирование электромагнитных процессов в многофазных синхронных двигателях с постоянными магнитами // Электричество. -2013. - № 9. - С .37-41.

87. Меркурьев Г.В., Шаргин Ю.М. Формирование математической модели энергосистемы для расчетов электромеханических переходных процессов // Электричество. - 2008. - № 12. - С. 2-7.

88. Мнев Р.Д., Плотникова Т.В., Сокур П.В. Испытания асинхронизированных компенсаторов на подстанции "Бескудниково" // Энергия единой сети. - 2013. - № 1 (6).

89. Муртазин Т.Э., Титов В.Г. Синхронный электропривод с векторным управлением // Интеллектуальная Электротехника. 2021. № 2. С. 41-52. DOI: 10.46960/2658-6754_2021_2_41.

90. Нейман Л.Р., Калантаров П.Л. Теоретические основы электротехники /- Л.; М.: Госэнергоиздат, 1959.

91. Новожилов В.Ю., Дробкин Б.З., Гоголев Г.А., Пронин М.В., Третьяков В.С., Воронцов А.Г. ГАЭС с асинхронизированными генераторами-двигателями и ПЧ среднего напряжения / Международная конференция HidroVisюn, Москва, 5-7 марта 2012 г.

92. Новожилов В. Ю. ГАЭС с асинхронизированными генераторами-двигателями и ПЧ среднего напряжения / В. Ю. Новожилов, М. В. Пронин, А. Г. Воронцов и др. // Новое в российской электроэнергетике. - 2012. - № 7.

93. Об утверждении Методических рекомендаций по определению предварительных параметров выдачи мощности строящихся (реконструируемых) генерирующих объектов...: приказ Министерства промышленности и энергетики РФ от 30.04.2008 г. №216.

94. Обухов С. Г. Широтно-импульсная модуляция в трехфазных инверторах напряжения / С. Г. Обухов, Е. Е. Чаплыгин, Д. Е. Кондратьев // Электричество. - 2008. - № 7. - С. 23-31.

95. Онищенко Г. М. Асинхронные вентильные каскады и двигатели двойного питания / Г. М. Онищенко, И. Л. Локтева. - М.: Энергия, 1979. - 200 с

96. Пименова И.А., Глушаков В.В., Пронин М.В., Воронцов А.Г. Разработка, моделирование и исследование транзисторного преобразователя для питания сети постоянного напряжения / Известия СПбГЭТУ "ЛЭТИ". №7, 2015. -С.60-66.

97. Пименова И.А., Григорян А.С., Пронин М.В., Воронцов А.Г. Разработка, моделирование и исследование транзисторного преобразователя для питания сети 400 В, 50 Гц / Известия СПбГЭТУ "ЛЭТИ". №5, 2015.

98. Плахтына Е.Г. Математическое моделирование электромашинно-вентильных систем / - Львов, Львов. ун-т, 1986. - 164 с.

99. Поляхов Н. Д. Российские и зарубежные системы возбуждения синхронных генераторов / Н. Д. Поляхов и др. // Известия СПбГЭТУ "ЛЭТИ" Сер. Электротехника.

- 2009.

100. Приливные электростанции: В 2 ч. / под ред. Л. Б. Бернштейна; АО "Институт Гидропроект" - М., 1994.

101. Пронин М. В. Электромеханотронные системы. Создание на основе комплекса уточненных быстродействующих моделей // - LAP LAMBERT Academic Publishing, 2011. - 216 с.

102. Пронин М. В. Активные фильтры высших гармоник. Направления развития // Новости электротехники. - 2006. - № 2(38).

103. Пронин М. В. Моделирование и анализ системы с многофазным асинхронным генератором и многотактным активным выпрямителем // Электротехника. - 2006. - № 5.

104. Пронин М.В., Воронцов А.Г. Активная фильтрация напряжений и токов сети в установках с высоковольтными тиристорными преобразователями // Горное оборудование и электромеханика, 2005, №5. -С. 41-45.

105. Пронин М.В., Воронцов А.Г. Качество напряжений электросетей при работе вентиляторов главного проветривания рудника "Северный глубокий" // Сб. "Горное оборудование и электромеханика", 2006, №2. -С. 42-45.

106. Пронин М.В., Воронцов А.Г. Однофазные активные выпрямители в каскадном преобразователе частоты / Сб. Завалишинские чтения. СПб, 2014. -С. 99-102.

107. Пронин М.В., Воронцов А.Г. Силовые полностью управляемые полупроводниковые преобразователи (моделирование и расчет) / -СПб.: ОАО "Электросила", 2003. -172 с.

108. Пронин М.В., Воронцов А.Г. Система с многофазным асинхронным генератором и несколькими активными преобразователями // Электротехника. -2007. -№10. -С. 41-45.

109. Пронин М.В., Воронцов А.Г. Электромеханотронные комплексы и их моделирование по взаимосвязанным подсистемам // СПб., изд-во "Ладога", 2017 г. - 220 с.

110. Пронин М.В., Воронцов А.Г. Электромеханотронные комплексы и их моделирование на ЭВМ по взаимосвязанным подсистемам // СПб., изд-во "Ладога", 2020 г.

- 334 с.

111. Пронин М.В., Воронцов А.Г., Бажанова А.А, Келеш Ф.Г. Компьютерные и экспериментальные исследования макета гидроаккумулирующей электростанции / Известия СПбГЭТУ "ЛЭТИ". - 2017. - № 4.

112. Пронин М.В., Воронцов А. Г., Глушаков В.В. Каскадный преобразователь частоты с частичной активностью // 95 лет отечественной школе электропривода: тр. науч.-метод. конф. - СПб.: Изд-во СПбГЭТУ "ЛЭТИ", 2017. - 172 с.

113. Пронин М.В., Воронцов А.Г., Глушаков В.В., Пименова И.А., Григорян А.С. Системы самовозбуждения синхронного генератора с двухполярным и однополярным ШИП / Известия СПбГЭТУ "ЛЭТИ". - 2016. - № 1.

114. Пронин М.В., Воронцов А.Г., Гоголев Г.А., Нахди Т. Сравнение преобразователей частоты в цепи ротора асинхронной машины в гидроаккумулирующих электростанциях // Известия СПбГЭТУ. - 2011. - № 3. - С. 56-62.

115. Пронин М.В., Воронцов А.Г., Гоголев Г.А., Шелюх В.Ю. Ограничение токов в цепи ротора машины двойного питания в ГАЭС // АЭП-2012, 2-4 октября 2012, Иваново. - С. 405-410.

116. Пронин М.В., Воронцов А.Г., Григорян А.С., Глушаков В.В. Виртуальные источники напряжения для моделирования систем с ММП / 95 лет отечественной школе электропривода: труды научн.-метод. конф. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ "ЛЭТИ", 2017. 172 с.

117. Пронин М.В., Воронцов А.Г., Григорян А.С., Дикун И.А., Глушаков В.В. Методические рекомендации по практическим и лабораторным работам дисциплины "Моделирование электромеханотронных систем" / СПб., изд-во "Ладога", 2018 г., 38 с.

118. Пронин М.В., Воронцов А.Г., Григорян А.С., Пименова И.А. Модель синхронной машины с транзисторным возбудителем для анализа нормальных режимов, внешних и витковых замыканий // Известия СПбГЭТУ "ЛЭТИ". - 2016. - № 6 - 2016. - С. 61-68.

119. Пронин М.В., Воронцов А.Г., Калачиков П.Н., Емельянов А.П. Электроприводы и системы с электрическими машинами и полупроводниковыми преобразователями (моделирование, расчет, применение) / -СПб.: ОАО "Силовые машины" "Электросила", 2004. -252 с.

120. Пронин М.В., Воронцов А.Г., Калинин C.E. Управление гребным двигателем на постоянных магнитах без датчика положения ротора / Завалишинские чтения: Сб. докл. // СПб.: 2011. 266 с. -С. 186-194.

121. Пронин М.В., Воронцов А.Г., Кузин М.Е. Связь электрических и гидравлических процессов в ГЭС и ГАЭС с синхронными машинами // Известия СПбГЭТУ "ЛЭТИ". -2014. -№ 1. -С. 44-52.

122. Пронин М.В., Воронцов А.Г., Кузин М.Е. Регулирование скольжения асин-хронизированных машин в накопителях кинетической энергии / Сб. Завалишинские чтения. СПб, 2014. -С. 94-98.

123. Пронин М.В., Воронцов А.Г., Нахди Т. Совместимость преобразователей частоты c машинами двойного питания / ЭМС-2011, СПБГЭТУ, 2011, с. 56-59.

124. Пронин М.В., Воронцов А.Г., Нахди Т. Гидроаккумулирующая электростанция с асинхронизированными машинами и каскадным преобразователем частоты // Известия СПбГЭТУ. - 2011. - № 1 - С. 70-80.

125. Пронин М.В., Воронцов А.Г., Нахди Т. Преимущества и недостатки много-тактно-многоуровневых преобразователей частоты в ГАЭС // Научные и технические средства обеспечения энергосбережения и энергоэффективности в экономике РФ: 1-я международная научно-практическая конференция. - СПб.: Изд-во СПбГПУ, 2011. -C. 43-48.

126. Пронин М.В., Воронцов А.Г., Нахди Т., Кузин М.Е. Многотактно-многоуровневый преобразователь частоты для гидроаккумулирующей электростанции // Известия СПбГЭТУ. - 2011. - № 6. - C. 67-78.

127. Пронин М.В., Воронцов А.Г., Пименова И.А., Григорян А.С. Усовершенствования транзисторной системы самовозбуждения синхронного генератора // 95 лет отечественной школе электропривода: тр. науч.-метод. конф. - СПб.: Изд-во СПбГЭТУ "ЛЭТИ", 2017. 172 с.

128. Пронин М.В., Воронцов А.Г., Пименова И.А., Григорян А.С., Глушаков В.В., Шелюх В.Ю., Мамутов А.Р. Разработка моделей электромеханотронных систем на языке С++ в среде ComSim / 95 лет отечественной школе электропривода: труды научн.-метод. конф. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ "ЛЭТИ", 2017. 172 с.

129. Пронин М.В., Воронцов А.Г., Терещенков В.В. Моделирование систем с асинхронными машинами и транзисторными преобразователями с учетом потерь энергии / Известия вузов. Электромеханика. 2008. № 3. — С. 33-38.

130. Пронин М.В., Воронцов А.Г., Терещенков В.В. Управление многотактным активным выпрямителем экскаватора ЭКГ-35К / Горное оборудование и электромеханика, №10, 2009. -С. 29-33.

131. Пронин М.В., Воронцов А.Г., Терещенков В.В., Улитовский Д.И. Моделирование системы электродвижения судна с многотактными инверторами и двигателем на постоянных магнитах // АЭП-2007, Санкт-Петербург, сентябрь 2007 г. -С. 377-381.

132. Пронин М.В., Воронцов А.Г., Улитовский Д.И., Горчакова И.А. Математическая модель транзисторного асинхронного привода шахтного вагона с раздельным управлением правыми и левыми колесами / Сб. "Электрофорум", 2001, №2. -С. 37-41.

133. Пронин М.В., Воронцов А.Г., Хон А.Ю. Управление сверхпроводящим индуктивным накопителем энергии // Информационно-управляющие системы. - 2012. -№ 4(59) - С. 20-24.

134. Пронин М.В., Воронцов А.Г., Шелюх В.Ю. Быстродействующая модель многоуровневого матричного преобразователя частоты // Известия СПбГЭТУ "ЛЭТИ". -2013. - № 1 - С. 66-73.

135. Пронин М.В., Воронцов А.Г., Шелюх В.Ю., Пименова И.А., Григорян А.С. Моделирование и исследование транзисторной системы самовозбуждения синхронного генератора // Известия СПбГЭТУ "ЛЭТИ". - 2015. - № 10 - С. 50-56.

136. Пронин М.В., Воронцов А.Г., Шопин С.М., Калинин C.E. Системы электродвижения с гребными электрическими двигателями на постоянных магнитах / Завалишинские чтения: Сб. докл. // СПб.: 2010. 266 с. -С. 176-182.

137. Пронин М.В., Воронцов А.Г., Шопин С.М., Мамутов А.Р. Пульсации токов и момента многофазного двигателя на постоянных магнитах в зависимости от алгоритма управления // Известия СПбГЭТУ "ЛЭТИ". - 2014. - № 4. -С. 47-52.

138. Пронин М.В., Гоголев Г.А., Воронцов А.Г., Шопин С.М. Повышение надежности систем электродвижения с АИН И ДПМ средствами управления / ЭМС-2011, СПБГЭТУ, 13-16 сентября 2011 г. -С. 64-69.

139. Пронин М.В., Григорян А.С., Воронцов А.Г., Прокофьев Г.И. Анализ структур источника напряжения с мощным многотактным ШИП на модулях IGBT // Известия СПбГЭТУ "ЛЭТИ". -2019. -№.1. -С.59-65.

140. Пронин М.В., Григорян А.С., Чесноков Г.А., Воронцов А.Г. Моделирование реактивной синхронной машины с анизотропной проводимостью ротора в ANSYS и по методологии взаимосвязанных подсистем // Известия СПбГЭТУ "ЛЭТИ". - 2019. -№ 3. - С. 72-77.

141. Пронин М.В., Пименова И.А., Григорян А.С., Глушаков В.В., Воронцов А.Г. Системы самовозбуждения синхронного генератора с двухполярным и однополярным широтно-импульсным преобразователем // Известия СПбГЭТУ "ЛЭТИ". -2016. -№.1.

142. Пронин М.В., Шонин О.Б., Коськин Ю.П., Воронцов А.Г., Железняк И.Н. Моделирование систем с транзисторными преобразователями и многофазными асинхронными машинами с учетом тепловых процессов // СПбГЭТУ - СПб., 2008.

143. Разевиг В.Д. Система схемотехнического моделирования и проектирования печатных плат Design Center (PSpice) // - М.: СК Пресс", 1996.

144. Разевиг В. Д. Система сквозного проектирования электронных устройств DesignLab 8.0. // -М.: Солон, 1999.

145. Самосейко В.Ф., Гельвер Ф.А., Хомяк В.А., Хайров Д.А. Синхронные машины с анизотропной магнитной проводимостью ротора. Методика проектирования. Алгоритмы управления / Под редакцией Самосейко В. Ф. - СПб.: ФГУП "Крыловский государственный научный центр", 2016. 174 с.

146. Самосейко В.Ф., Шарашкин С.В. Анализ преимуществ реактивных электрических машин при построении гребной электрической установки / Вестник ЮУрГУ. Серия "Энергетика". 2017. Т.17, №2. С.14-22

147. Серов Н.А., Калачиков П.Н., Пронин М.В., Воронцов А.Г. Электротрансмиссии самосвалов БелАЗ грузоподъемностью 136 т / // Сб. "Горное оборудование и электромеханика", 2005, №5. -С. 22-25.

148. Синюгин В. Ю. Гидроаккумулирующие электростанции в современной электроэнергетике / В. Ю. Синюгин, В. И. Магрук, В. Г. Родионов // - М.: ЭНАС, 2008.

149. Стечкин С.Б., Субботин Ю.Н. Сплайны в вычислительной математике // - М.: Наука, 1976

150. Суслова О.В. Моделирование вставки постоянного тока на преобразователях напряжения в режиме реального времени на RTDS // Известия НТЦ Единой энергетической системы. 2014. - № 2 (71). - С.18-28.

151. Федеральный закон "Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации" от 23.11.2009 N 261-ФЗ.

152. Фираго Б.И. Васильев Д.С. К вопросу векторного управления асинхронными двигателями // Энергетика. Известия высших учебных заведений и энергетических объединений СНГ. - 2015. - № 5. - С. 5-16.

153. Фомина Т. Ю. Система последовательно упрощаемых математических моделей электроэнергетических систем для расчета электромеханических переходных процессов // Электричество. - 2014. - № 6.

154. Чаплыгин Е. Е. Двухфазная широтно-импульсная модуляция в трехфазных инверторах напряжения / Е. Е. Чаплыгин // Электричество. - 2009. - № 8. - С. 56-61

155. Чаплыгин Е. Е. Спектральные модели импульсных преобразователей с переменной частотой коммутации / Е. Е. Чаплыгин, Нгуен Хоанг Ана. // Электричество. -2006. - № 4.

156. Черных И. В. Моделирование электротехнических устройств в MATLAB, SimPowerSystems и Simulink // -М.: ДМК Пресс, 2014.

157. Чуа Л. О. Машинный анализ электронных схем. Алгоритмы и вычислительные методы: [пер. с англ.] / Л. О. Чуа, Лин Пен-Мин // - М.: Энергия, 1980. - 640 с.

158. Шакарян Ю.Г. Асинхронизированные синхронные машины // - М.: Энерго-атомиздат, 1984.

159. Шакарян Ю.Г. Асинхронизированные машины и технология управляемых электропередач переменного тока (FACTS) // Электротехника. - 2010. - № 2.

160. Шакарян Ю.Г. и др. Опыт эксплуатации асинхронизированных турбогенераторов на электростанциях России // Электрические станции. - 2009. - № 10. - С. 5055.

161. Шакарян Ю.Г. и др. Опыт эксплуатации асинхронизированного компенсатора мощностью 100 МВт // Новое в российской электроэнергетике. - 2013. - № 12. - С. 28-36.

162. Шакарян Ю.Г., Сокур П.В., Пинчук Н.Д., Антонюк О.В., Новожилов В.Ю. Асинхронизированные машины для электроэнергетики / Энергия единой сети. 2016. № 4 (27). С. 20-30.

163. Шакарян Ю.Г., Новиков Н.Л., Сокур П.В., Новиков А.Н. Классификация и характеристика устройств управляемых систем электропередачи переменного тока // Электрические станции, 2018 г., № 9 (1046). - С. 30-36.

164. Шакарян Ю. Г., Фокин В. К., Лихачев А. П. Установившиеся режимы работы электроэнергетических систем с сетевыми устройствами гибких электропередач // Электричество. - 2013. - № 12. - С. 2-13.

165. Шрейнер Р. Т., Калыгин А. И., Кривовяз В. К. Построение высоковольтных рекуперирующих каскадных непосредственных преобразователей частоты для электропривода // Электротехника. - 2012. - № 9.

166. Шрейнер Р.Т. и др. Оптимизация асинхронного частотно-регулируемого электропривода со скалярной системой управления // Электротехника. - 2012. - № 9. -С.25-29.

167. Энергетическая стратегия России на период до 2030 года. Утверждена Правительством РФ от 13 ноября 2009 г. № 1715-р.

168. Aguro K., Kato M., Kishita F. et al. Rich operation experiences and new technologies on adjustable speed pumped storage systems in Japan // CIGRE 2008, Paris, France. P. A1-101.

169. Bocquel A., Janning J. Analysis of a 300 MW Variable Speed Drive for Pump-Storage Plant Applications // EPE 05 Dresden, Germ Sept. 2005 P. 1-10.

170. Bocquel A., Janning J. 4*300 MW Variable Speed Drive for Pump-Storage Plant Applications // EPE 2003 Toulouse, France Sept. 2003 P. 1-10.

171. Bogado B., Barrero F., Arahal M.R., Toral S., Levi E. Sensitivity to Electrical Parameter Variations of Predictive Current Control in Multiphase Drives // IEC0N-2013. Nov. 10-13, Vienna, Austria.

172. Boldea I. Synchronous Generators / Boca Raton: CRC Press, 2005. - 448 p.

173. Boonmee C., Kumsuwan Y. Control of Single-Phase Cascaded H-Bridge Multilevel Inverter with Modified MPPT for Grid-Connected Photovoltaic Systems // IEC0N-2013. Nov. 10-13, Vienna, Austria.

174. Carnielutti F., Pinheiro H. New Modulation Strategy for Asymmetrical Cascaded Multilevel Converters Under Fault Conditions // IEC0N-2013. Nov. 10-13, Vienna, Austria.

175. [e-mail]

176. Davies M., Dommaschk M., Dorn J., Lang J., Retzmann D., Soerangr D. HVDC PLUS - Basics and Principle of Operation // www.siemens.com/energy/hvdcplus.

177. Dementyev Y., Shakarian Y., Sokur P. и др. Improvement of mode controllability and short-circuit currents limitation in metropolises power grid by means of electromechani-

cal AC links as an alternative to DC links // CIGRE Session 46, C1-324, 21-26 august 2016, Paris.

178. Dementiev Y.A., Sokur P.V., Shakaryan Y.G. et al. Electromechanical ac converter for regime control and short - circuit current limitation in the metropolitan energy systems / Энергия единой сети. 2017, №5.

179. Dorn J., Huang H., Retzmann D. A new Multilevel Voltage-Sourced Converter Topology for HVDC Applications / Siemens AG / CIGRE 2008 B4-304, Paris.

180. Drobkin B. Z., Pronin M. V., Krutyakov E. A. and Vorontsov A. G. Thyristor starters for ASK-100 asynchronized compensators. Power Technology and Engineering. 2011, Volume 44, Number 5, Pages 411-415. DOI https://doi.org/10.1007/s10749-011-0200-1

181. Drobkin B.Z., Vorontsov A.G., Pronin M.V., Krutyakov Y.A., Pavlov P.A. Debugging of microprocessor-based control systems of electric drives using mathematical models / EPE 2003, Toulouse, Fr. -С. 1-11.

182. Fortescue C. L. Method of Simmetrical Coordinates. Tr. A. I. E. E. 1918. P. 1027.

183. Freytes J., Rault P., Gruson F., Colas F., Guillaud X. Dynamic impact of MMC controllers on DC voltage droop controlled MTDC grids / EPE'16 ECCE Europe, pp.1-10.

184. Gerada C., Bradley K., Summer M. Winding turn-to-turn faults in permanent magnet synchronous machine drives / Industry Applications Conference, Fourtieth IAS Annual Meeting, Conference Record of the 2005 . Vol. 2.

185. Ghoreishy H., Yazdian A. V., Mohamadian M. et al. A New Selective Harmonic Elimination Pulse-Width and Amplitude Modulation (SHEPWAM) for Drive Applications // IEC0N-2013. Nov. 10-13, Vienna, Austria.

186. Glushakov V.V., Grigoryan A.S., Pimenova I.A., Vorontsov A.G., Pronin M.V. High-speed Model of System with Modular Multilevel Inverter / ElCon 2017, St. Petersburg, Russia. DOI: 10.1109/EIConRus.2017.7910688

187. Gogolev G.A., Tretiakov V.S., Vataev А^., Kos'kin Yu.P., Vorontsov ^G., Pronin М^., Shelyukh V.Yu. High-frequency parameters of double-fed machine and additional frequency converter power losses / EPE'13. 3-5 September 2013 Lille, France. DOI: 10.1109/EPE.2013.6631802

188. Grigoryan A., Pimenova I., Pronin M., Shelyuh V. Self-Excitation Systems of a Synchronous Generator with a bipolar and unipolar PWM DC-DC Converters / EPE-2016, 5-9 September 2016, Karlsrue/Germany.

189. Jiangbiao He, Somogyi C. et al. Diagnosis of stator winding short-circuit faults in an interior permanent magnet synchronous machine // ECCE 2014. P. 3125-3130.

190. Jiangbiao He, Strandt A., Manarik A. et al. Diagnosis of stator short-circuit faults in an IPM synchronous machine using a space-vector pendulous oscillation method // IEMDC 2013. P. 727-733.

191. Haddad R. Z., Strangas E. G. Detection of static eccentricity and turn-to-turn short circuit faults in permanent magnet synchronous AC machines // SDEMPED, IEEE 10th International Symposium, 2015. P . 277-283.

192. Haghnazari S., Vahedi H., Zolghadri M. R. Fault Tolerant Operation Strategy Design for Modular Multilevel Converters // IECON 2016, Florence.

193. Hao Liangliang et al. Analysis on the negative sequence impedance directional protection for stator internal fault of turbo generator // ICEMS, International Conference, 2010. - P.1421-1424.

194. Harsjo J., Bongiorno M. Modeling and harmonic analysis of a permanent magnet synchronous machine with turn-to-turn fault // EPE ECCE-Europe, 2015. P. 1 - 10.

195. Hassanpoor A., Norrga S., Lindgren M. Switching Pattern Optimisation Algorithm for Modular Multilevel Converters // IECON 2015, Dallas, USA.

196. Henke G., Bakran M.-M. Balancing of Modular Multilevel Converters with Unbalanced Integration of Energy Storage Devices // EPE'16 ECCE Europe. P.1-10.

197. Himmelmann P., Hiller M., Krug D., Beuermann M. A new Modular Multilevel Converter for Medium Voltage High Power Oil & Gas Motor Drive Applications / EPE'16 ECCE Europe. P.1-11.

198. Hofmann V., Bakran M.-M. Optimized design of a Hybrid-MMC and evaluation of different MMC topologies / EPE'16 ECCE Europe. P.1-9.

199. Kolluri S., Thummala P., Sapkota R. et al. Spatial Repetitive Controller for Minimizing Circulating Harmonic Currents in Modular Multilevel Converters for Variable Frequency Applications // IECON 2016, Florence.

200. Kumar R., Gupta R. A., Singh B. Performance Analysis of Vector Controlled Permanent Magnet Synchronous Motor with Fuzzy Tuned PID Controller // EPE-PEMC 2004, Riga, Latvia.

201. Liu Mingji, Song Meihong et al. Analysis and detection of turbo-generator stator turn-to-turn fault with multi-loop method // ICEMS, 2011. P. 1-5.

202. Li W. Real-time Simulation of CDSM Modular Multilevel Converter for HIL Test Applications // IECON 2016, Florence.

203. Lizana R., Dekkay A., Riveraz S. and Wuy B. Modular Multilevel Converter based on 5-level Submodule with DC Fault Blocking Capability / IECON 2016, Florence.

204. Melin P. E., Baier C. R. et al. On the DC Inductors Size Reduction in a Multi-Cell Topology based on Current Source Converters by Means of Magnetic Couplings // IECON-2013. Nov. 10-13, Vienna, Austria.

205. Nakai T. et al. Harmonic Current Suppression Method of PMSM Based on Repetitive Perfect Tracking Control // IECON. Nov. 5-8, 2007, Taipei, Taiwan. P. 1049-1054.

206. Nami A., Liang J. et al. Analysis of Modular Multilevel Converters with DC Short Circuit Fault Blocking Capability in Bipolar HVDC Transmission Systems // EPE 2015, Geneva.

207. Nicolet C., Pannatier Y., Kawkabani B. et al. Benefits of variable speed pumped storage units in mixed Islanded power network during transient operation / Proceedings of HYDRO 2009, Lyon, France, Oct. 2009.