Full Text

Для увеличения срока эксплуатации скважины требуется регулирование скорости добычи в зависимости от дебета скважины. Более того требуется поддерживать номинальное напряжение на обкладках двигателя на большой глубине. Также нужно исключить паразитные гармоники, засоряющие питающую сеть. Для решения данных проблем предлагается использовать каскадный преобразователь частоты [1]. Преобразователь состоит из высоковольтного трехфазного силового трансформатора, первичная обмотка которого соединена по схеме «звезда» с линейным напряжением 6000 В, и 54 вторичных обмоток, соединенных группами по схеме «треугольник» и смещенных по фазе напряжения на 120 град относительно друг друга. Всего в трансформаторе имеется 18 групп независимых источников питания, по 6 в каждой фазе для питания 18 однофазных ячеек инверторов: фаза А (А1–А6); фаза В (В1–В6); фаза С (С1–С6) (рис. 1). Группа соединения многообмоточного трансформатора – звезда/треугольник, что позволяет снизить величину нечетных гармоник. Рис. 1. Силовая схема системы электропривода «каскадный преобразователь частоты – двигатель» При наличии 6 групп независимых источников максимальное напряжение отдельной ячейки составляет 575 В. Последовательное соединение 6 ячеек с максимальным выходным напряжением 575 В позволяет получить максимальное действующее фазное напряжение 3450 В, а линейное – 6000 В. С помощью системы управления фазы выходного напряжения отдельных ячеек сдвинуты на 10 град, что обеспечивает взаимную компенсацию высших гармоник. Регулирование величины выходного напряжения и частоты производится синхронизированно широтно-импульсной модуляцией (далее – ШИМ) напряжения в каждой ячейке. Сдвиг напряжения в отдельных ячейках каждой фазы позволяет получить многопульсную схему выпрямления преобразователя в целом, что позволяет уменьшить влияние преобразователя на питающую сеть. . В результате данного принципа построения схемы ток и напряжение на входе и выходе преобразователя имеют практически синусоидальную форму. Силовая ячейка имеет трехфазный выпрямитель, конденсаторный фильтр и однофазный инвертор на IGBT-транзисторах. Включение транзисторов , , находящихся в разных плечах однофазной мостовой схемы, будем принимать за прямое включение. При этом полярность выходного напряжения на рис. 6. обозначена «+», «–», в этом случае включение транзисторов , будет являться инверсным, а полярность выходного напряжения обозначена на схеме (+) и (–). Выходное напряжение при инверсном включении направлено противоположно напряжению при прямом включении. Между включением одной пары транзисторов и выключением другой должна быть обеспечена пауза τвк, учитывающая время восстановления запирающих свойств транзисторов. Принцип данного варианта ШИМ поясним на примере мостового однофазного инвертора (рис. 2). Структурная схема системы управления инвертора с этим вариантом ШИМ показана на рис. 3. Система управления транзисторными ключами содержит в своем составе нуль-орган (НО), формирователи (Ф1, Ф2), блок, обеспечивающий паузу на включение транзисторных пар (τвк), и драйверы , , , , формирующие сигнал для открытия и закрытия транзисторов. На входе нуль-органа сравниваются задающий сигнал U* (эти сигналы здесь и далее будем обозначать с индексом «звездочка») и пилообразное опорное напряжение Uоп. Если U*>Uоп, т.е. разность (U*–Uоп) положительна, то сигнал на выходе (НО) положителен и на выходе формирователя Ф1 существует положительный сигнал , который с паузой τвк включает транзисторы и , и на выходе инвертора появится положительное напряжение (рис. 4). При отрицательной разности (U*–Uоп), когда U*<Uоп, пара транзисторов и закрывается без выдержки времени, и на выходе Ф1 будет действовать отрицательный сигнал , при наличии которого драйверы , формируют небольшой отрицательный сигнал 5 В, закрывающий транзисторы и . Одновременно с этим на выходе Ф2 появится положительный сигнал , который с выдержкой времени τвк подается на драйверы , , и инверсная пара транзисторов , включается, а на выходе инвертора появляется отрицательное напряжение, потенциалы которого на рис. 2 обозначены в скобках. На рис. 4 показаны симметричное пилообразное опорное напряжение с максимальным значением Uопm и напряжение задания U*, которое предполагается постоянным в течение периода Тшим опорного напряжения. В нижней части рис. 4 показаны состояния транзисторных пар , и , и форма напряжения на выходе инвертора U. Среднее значение напряжение на выходе определяется следующим образом: (1) (2) где Т1, Т2 – интервалы замкнутого состояния транзисторных пар , и , соответственно; Тшим – период ШИМ, fшим – частота ШИМ. Из подобия треугольников авс и а'в'с' для рабочей части характеристик инвертора, когда , может быть записано: . (3) Отсюда с учетом приведенного выше выражения для U следует, что (4) где – передаточный коэффициент инвертора в линейной части характеристики, когда . Для получения неискаженного значения напряжения на выходе инвертора задающий сигнал не должен превышать максимального значения опорного напряжения , а быть несколько меньше, т.е. . На рис. 4 опорное напряжение принято постоянным за период ШИМ, поэтому и на выходе инвертора мы получим постоянное среднее значение напряжения. Если управляющий сигнал представляет собой синусоиду с частотой f, то напряжение на выходе инвертора будет представлять собой гармоническую кривую, содержащую наряду с первой гармоникой, которая имеет частоту управляющего сигнала и ряд гармоник более высокого порядка. Таким образом, если амплитуда не превышает значения , то первая гармоника напряжения на выходе инвертора в определенном масштабе повторяет управляющий сигнал. Изменение его частоты приводит к изменению частоты на выходе инвертора. Изменение амплитуды управляющего сигнала при неизменной частоте будет приводить к изменению соотношения длительности положительных и отрицательных импульсов напряжения на выходе за каждый период частоты ШИМ. Эти диаграммы работы преобразователя реализует блок-схема управления транзисторами, показанная на рис. 3. Математическая модель каскадного преобразователя частоты реализована в среде MatLab в пакете Simulink (рис. 5). Для упрощения модели вместо многообмоточного трансформатора напряжения и блоков выпрямителей напряжения для питания отдельных ячеек взяты источники постоянного напряжения. Величина напряжения взята 575 В. В блоках PhaseA1, Phase В1, Phase С1 находятся непосредственно сами ячейки инверторов фаз А, В, С соответственно. Блоки UmSin(wt) – UmSin(wt)5 предназначены для формирования управляющего сигнала заданной частоты U* (рис. 6). Для этого задаются величина необходимой частоты, амплитуда напряжения и начальная фаза. На выходе всех блоков UmSin(wt) – UmSin(wt)5 синусоидальное опорное напряжение будет одинаковым и отличается только начальной фазой, которая задается в блоке Phaze. Блок RepeatingSequence служит для формирования опорного пилообразного напряжения заданной частоты. В нашем случае эта частота составляет 3 КГц. На все ячейки подается одинаковое опорное пилообразное напряжение. Блоки Blok1–Blok6 являются непосредственно самими инверторами. Они состоят из IGBT-транзисторов, на которые подается постоянное напряжениеи системы управления транзисторами. С помощью инструмента Powerqui был проведен гармонический анализ тока на выходе из преобразователя частоты, в ходе которого были получены следующие результаты (рис. 7). Значит, при данной реализации ШИМ гармоническое искажение составляет всего 0,86 %, что позволяет получить на выходе преобразователя почти идеальную синусоиду [2]. Таким образом, в данной работе представлен каскадный преобразователь частоты с его возможностями, изложен один из способов формирования управляющего сигнала и проведен гармонический анализ выходного тока. Данное исследование позволяет судить о целесообразности использования каскадных преобразователей частоты для двигателей погружного насоса.

About the authors

I. V Milyusha

Email: Iliamiliusha@gmail.com

Aleksandr Dmitrievich Korotaev

Email: lis@pstu.ru

References

Statistics

Views

Abstract - 25

PDF (Russian) - 16

Refbacks

• There are currently no refbacks.