Двухзвенный ПЧ с автономным инвертором напряжения

Состоит из трех основных элементов: выпрямителя (В), автономного инвертора напряжения (АИН) и промежуточного контура постоянного тока, включающего конденсатор С, который является источником реактивной мощности для двигателя (рис. 5). В ПЧ этого типа происходит двукратное преобразование электрической энергии: сначала переменное напряжение с частотой f₁ выпрямляется, а затем постоянное напряжение U_d преобразуется (инвертируется) АИН в перемен-

Рис. 5 Двухзвенный ПЧ с АИН

ное с заданной амплитудой первой гармоники U_21m и частотой f₂.В качестве ключевых элементов в АИН в настоящее время практически всегда используются транзисторы.

На рис. 6 показана схема ПЧ, в котором АИН выполнен на биполярных транзисторах с изолированным затвором. Здесь показаны только основные силовые элементы ПЧ, необходимые для процесса преобразования.

Рис. 6 Транзисторный АИН

Принцип инвертирования напряжения АИН состоит в следующем. В каждой фазе АИН всегда открыт один из двух ключевых элементов, и потенциал фазы на выходе АИН всегда равен потенциалу положительной или отрицательной шины на входе АИН. Таким образом, амплитуда линейного напряжения на выходе АИН всегда равна входному напряжению U_2m = U_d. Частота выходного напряжения однозначно определена частотой переключения транзисторов и для ЭП не имеет ограничения сверху, так как у мощных современных транзисторов достигает значения f_max = 20 – 40 кГц, поэтому в ПЧ с АИН для формирования выходного напряжения с заданными частотой f₂ и амплитудой первой гармоники U_21m исключительное применение находит способ широтно-импульсной модуляции (ШИМ) напряжения с постоянной частотой коммутации, или с переменной частотой коммутации в системах прямого цифрового управления моментом.

Частота, форма и амплитуда модулирующего напряжения при ШИМ определяют форму гладкой составляющей напряжения на выходе АИН, амплитуду первой гармоники U_21m и ее частоту f₂. Для получения синусоидальной гладкой составляющей выходного напряжения форма модулирующего напряжения может быть также синусоидальной. Но линейное напряжение на выходе АИН с ШИМ в бестрансформаторной схеме при этом равно (первая гармоника)

U₂₁ = U₁µ/2 (2.1)

т.е. даже при µ = 1U₂₁ = 0,87U₁, и двигатель ЭП не может быть использован в номинальном режиме. Поэтому модулирующее напряжение u_м обычно имеет форму, соответствующую уравнению:

u_м = µ(sin ω₂t + 0,13ω₂t)/0,87 (2.2)

На рис. 7 модулирующее напряжение показано для трех значений коэффициента модуляции µ = 0,1; 0.5; 1,0. Линейное напряжение (первая гармоника) на выходе ПЧ в этом случае при µ = 1 равно сетевому напряжению на входе U₂₁ = U₁. А благодаря трехпроводной системе подсоединения двигателя к ПЧ третья гармоника отсутствует и в линейном, и в фазном напряжении.

Рис. 7 Модулирующее напряжение транзисторного АИН

Формы линейного напряжения и линейного тока при работе ПЧ с АИН на нагрузку с отстающим коэффициентом мощности приведены на рис. 8. При регулировании частоты f₂ и напряжения u₂ изменяется скважность импульсов, частота которых равна частоте переключения f_к (коммутации) транзисторов в АИН, а их амплитуда остается постоянной и равной U_d. Гармонический состав выходного напряжения при его регулировании от нуля до максимального значения (µ = 0 – 1) соответствует графикам, показанным на рис. 9, где f_к – частота переключения (коммутации) транзисторов в АИН; f_к* = f_к/ f₂ – ее относительное значение; ν = f_ν/f₂ – относительные частоты гармонических составляющих; U_νm* = U_νm/U_21m – относительные амплитуды гармонических составляющих по отношению к максимальной амплитуде (µ = 1) первой гармоники. Частота коммутации транзисторов f_к выбирается обычно равной 3 – 6 кГц, так как с ее увеличением растут потери в АИН, а с уменьшением – в двигателе, и для значений выходной частоты f₂ < 60 Гц относительная частота коммутации f_к* > 50.

Характерные особенности спектра выходного напряжения ПЧ с АИН:

- амплитуда первой гармоники напряжения при изменении коэффициента модуляции (µ = 0 – 1) линейно возрастает от нуля до максимального значения (U_1* = 0 – 1);

- наибольшие амплитуды имеют гармонические составляющие напряжения, частоты коммутации которых практически равны частоте коммутации транзисторов в АИН;

- гармонические составляющие низкочастотной области спектра (ν = 5,7,11…) пренебрежимо малы.

Рис.8. Линейные напряжения и ток на выходе ПЧ с АИН

Гармонические составляющие напряжения столь высоких частот из-за фильтрации индуктивностями рассеяния обмоток двигателя не создают больших гармонических составляющих в выходном токе АИН, и его форма близка к синусоидальной даже при отсутствии фильтров на выходе ПЧ. Однако такие фильтры используются для уменьшения скорости изменения напряжения на обмотке двигателя (чаще при мощности двигателя 50 кВт и более) и для уменьшения перенапряжений на выходе ПЧ при работе на длинный соединительный кабель (30 м и более).

В ПЧ с АИН невозможен обмен реактивной энергией с питающей сетью, и реактивная составляющая тока двигателя циркулирует в контуре электродвигатель – АИН – входной конденсатор С, наличие которого вместе с диодами, шунтирующими в обратном направлении транзисторы АИН, является обязательным для схемы инвертора напряжения.

Схема с АПЧ, показанная на рис. 6, – нереверсивная из – за нереверсивности выпрямителя. При возникновении режима генераторного торможения избыточная энергия идет на заряд конденсатора С, напряжение на котором нарастает лавинообразно, и для предотвращения аварии используется защита, контролирующая это напряжение. Возможны схемные решения с использованием диодно – тиристорного или тиристорного реверсивного выпрямителя. Но в промышленных установках такие схемы применяются очень редко. Если же в системе ЭП может возникать необходимость экстренного торможения, то используется схема ПЧ с дополнительным транзистором и тормозным резистором, который устанавливается вне корпуса ПЧ (рис. 10, а). Управление транзистором, включающим тормозной резистор, может быть организовано автономно от управления АИН с контролем абсолютного значения напряжения U_d (рис. 10, б), где U_вкл и U_откл – уровни срабатывания порогового элемента, управляющего тормозным транзистором, t_вкл и t_откл – соответственно время его включенного и отключенного состояний.

Рис.9. Гармонический состав выходного напряжения ПЧ с АИН

Коэффициент мощности ПЧ с АИН благодаря нерегулируемому выпрямителю на входе близок к единице k_м = 0,92 – 0,96. Во время работы из сети потребляется в основном активная мощность нагрузки ЭП и мощность потерь в ПЧ и в электродвигателе. Поэтому входной ток уменьшается при уменьшении выходной частоты и выходного напряжения и равен:

I₁ ≈ µI₂cosφ₂₁/η (2.3)

где η – КПД ПЧ.

Рис. 10. Процесс торможения в ЭП, выполненном на основе ПЧ с АИН:

а – включение тормозного резистора в ПЧ с АИН; б – входное напряжение

АИН при релейном управлении тормозным транзистором.

Основные достоинства ПЧ с АИН:

- широкий диапазон выходных частот (от 0 до 1000 Гц и более);

- возможность формирования необходимой кривой тока (обычно синусоидальной);

- простота силовой схемы ПЧ. Недостатки ПЧ с АИН:

- нереверсивность при выполнении по основной схеме;

- большая скорость изменения напряжения на обмотке двигателя.

Принципы частотного управления скоростью вращения АД в УЭЦН.

В настоящее время известны несколько принципов управления скоростью вращения АД с помощью преобразователя частоты. Во-первых, это так называемое скалярное управление, наиболее простое и дешевое. Оно характеризуется диапазоном регулирования скорости до 1:20 и относительно невысокой точностью и качеством управления. Благодаря несложной системе управления, отсутствию датчиков на валу АД преобразователи частоты со скалярным управлением пользуются спросом и широко применяются в электроприводах турбомеханизмов, требования к которым невысокие. Например, в электроприводах нефтегазоперекачивающих установок в нефтяной и газовой промышленности.

Сущность скалярного управления: на ПЧ задается (с пульта или с датчика по технологическому параметру, т.е. давлению, напору, подачи нефти) сигнал частоты. Необходимая амплитуда напряжения при этом является функцией частоты и формируется самим ПЧ в соответствии с принятым законом управления, например вида

(2.4)

Во- вторых, это векторное управление частотой вращения АД – используется для создания высокодинамичных АД электроприводов с высокими качественными характеристиками. Сущность системы управления состоит в том, чтобы сделать систему регулирования скоростью АД похожей на системы регулирования двигателей постоянного тока, у которых определяющими являются два параметра: ток якоря (пропорциональный моменту) и ток возбуждения (пропорциональный магнитному потоку).

Для этого, во-первых, уравнения трехфазного реального АД двигателя преобразуются в уравнения эквивалентного двухфазного двигателя, у которого фазы расположены под углом в 90⁰. Далее переходят к вращающейся системе координат, одна из двух осей, которой ориентирована по вектору потока ротора. Проекция вектора тока из неподвижной системы координат на вращающуюся дает две составляющие тока. Одна из них пропорциональна магнитному потоку АД, а вторая – пропорциональна моменту АД. При этом регулирование идет по мгновенным значениям этих токов, что обеспечивает высокое быстродействие электропривода и большой диапазон регулирования (не менее 1:1000).

Учитывая в погружных АД небольшой диапазон изменения частоты вращения и медленные изменения момента, выбираем скалярный метод управления скоростью вращения вала УЭЦН. Системы скалярного и векторного управления реализуются на современных цифровых устройствах с применением методов программирования и встраиваются в ПЧ, которые в свою очередь размещаются на станции управления работой нефтедобывающей установки.

Схема преобразователя частоты с автономным инвертором напряжения приведена в Приложении 3.

В преобразователе применена наиболее распространенная для управления асинхронным короткозамкнутым двигателем схема ПЧ с автономным инвертором напряжения (АИН) с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) напряжения на выходе и неуправляемым выпрямителем на входе силовой части схемы и микропроцессорным управлением. При питании от сети 380 В наиболее рациональным является применение в инверторе полупроводниковых вентилей нового поколения – биполярных транзисторов с изолированным затвором IGBT.

Основные элементы, входящие в эту схему (Приложение 3): UZ – неуправляемый выпрямитель; L0, Со – фильтр; RT – термистор, ограничивающий ток заряда конденсатора С0; R0 – разрядное сопротивление для конденсатора Со, FU1, FU2 – предохранители; R, С – цепь защиты (снаббер) от перенапряжений на ключах IGBT; RS – датчик тока для организации защиты (FA) от сквозных и недопустимых токов перегрузки через IGBT; VT – VD – интегрированный 3-фазный инвертор на IGBT с обратным диодным мостом.

Основные блоки в системе скалярного управления:

- блок питания на 8-развязанных источников напряжения;

- микроконтроллер AD на базе сигнального процессора 1899BE1;

- плата индикации DS с переключателем способа управления местное/ дистанционное;

- блок сопряжения ТВ по работе с внешними сигналами или командами;

- согласующие усилители UD – драйверы IGBT.

Работает электропривод следующим образом. При подаче силового напряжения 380В на вход выпрямителя UZ в звене постоянного тока происходит процесс заряда конденсатора фильтра C0, который определяется величинами L0, C0. Одновременно с этим в информационную часть схемы подается питание (напряжения U1 – U8). В процессе выдержки времени на установление напряжений стабилизированных источников питания U1 – U4 аппаратная защита FA блокирует открывание ключей инвертора и происходит запуск программы управления процессором по аппаратно – формируемой команде «Рестарт». Выполняется предустановка ряда ячеек ОЗУ процессора (установка начальных условий), определяется способ управления «Местное/Дистанционное», «по умолчанию» устанавливается режим работы «Подача» (Q). Если с датчиков тока фаз двигателя ТАА – ТАС, аппаратной защиты FA, напряжения сети Uс поступает информация о нормальных параметрах, то привод готов к работе, на цифровой индикатор выводятся нули, светится светодиод «Подача». В противном случае загорается светодиод «Авария» и на цифровом индикаторе появляется код срабатывания той или иной защиты.

Для управления двигателем процессор формирует систему трехфазных синусоидальных напряжений, изменяемых по частоте и амплитуде, и передает их в модулятор, в котором синусоидальные сигналы управления фазами – «стойками» инвертора, состоящими из последовательно включенных ключей IGBT, преобразуются в дискретные команды включения и отключения транзисторов классическим методом центрированной синусоидальной ШИМ. Несущая частота ШИМ составляет от 5 кГц до 15 кГц.