Расчет автономного инвертора напряжения ПЧ для погружного асинхронного двигателя.

Схема преобразователя частоты с автономным инвертором напряжения приведена на рисунке 2.15.

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 (рисунок 2.15): 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.

Рис. 2.15. Функциональная электрическая схема асинхронного ЭП УЭЦН с ПЧ.

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;

- 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.

Ниже приводится расчет ПЧ с АИН (рисунок 2.15) для УЭЦН, выполненного на гибридных модулях, состоящих из ключей IGBT и обратных диодов FWD, смонтированных в одном корпусе на общей тепловыводящей пластине.

1. Максимальный ток через транзисторные IGBT ключи инвертора определяется из выражения:

, (2.75)

где = 1,2…1,5 – коэффициент допустимой кратковременной перегрузки по току, необходимой для отслеживания динамики электропривода;

=1,1…1,2 – коэффициент допустимой мгновенной пульсации тока;

– КПД электродвигателя с учетом кабельной линии:

, (2.76)

η_ТР – КПД трансформатора :

, (2.77)

коэффициент мощности установки УЭЦН с кабельной линией:

, (2.78)

где – потребляемая мощность установки ЭЦН с учетом потерь в кабельной линии; напряжение на приемной стороне промыслового трансформатора.

2. Среднее выпрямленное напряжение:

, (2.79)

где – схемный коэффициент.

Ключи IGBT выбираются с постоянным (номинальным) током коллектора и с постоянным (номинальным) напряжением коллектор-эмиттер . Выбираем модуль (полумост) IGBT фирмы Mitsubishi третьего поколения CM200D-Y-12H с параметрами приведенными в таблице 2.10.

Табл. 2.10

Параметры модуля IGBT фирмы Mitsubishi

Предельные параметры	Электрические характеристики

Типовые	Мах
		2,1	2,8

Продолжение табл. 2.10

Электрические характеристики	Обратный диод

		2,8

Продолжение табл. 2.10

Тепловые и механические параметры
	IGBT	диод	Масса, гр

0,13	0,16	0,35

Примечание: – максимальное напряжение коллектор – эмиттер; – максимальный ток коллектора; – максимальная рассеиваемая мощность; – напряжение коллектор-эмиттер во включенном состоянии; – входная емкость; – выходная емкость; – емкость обратной связи (проходная); – время задержки включения; – время нарастания; – время задержки выключения; – время спада; – прямое падение напряжения на обратном диоде транзистора; – время восстановления обратного диода при выключении; – тепловое сопротивление корпус-охладитель; – тепловое сопротивление переход-корпус.

Расчет потерь в инверторе при ШИМ формировании выходного синусоидального тока заключается в определении составляющих потерь IGBT транзисторных ключей в проводящем состоянии и при коммутации, а так же потерь обратного диода.

Потери IGBT в проводящем состоянии:

, (2.80)

Вт

где – максимальная амплитуда тока на входе инвертора, равная:

, (2.81)

– прямое падение напряжения на IGBT в насыщенном состоянии при и ⁰С, типовое значение по таблице 2.10 составляет 2,1 В; – максимальная скважность IGBT ключа примерно равная 0,95; – коэффициент мощности погружной электроцентробежной насосной установки.

Потери IGBT при коммутации:

, (2.82)

Вт

– продолжительность переходных процессов по цепи коллектора IGBT на открывание ( ) и закрывание ( ) транзистора. В соответствии с данными таблицы 2.10.

мкс,

мкс (2.83)

– напряжение на коллекторе IGBT, равное коммутируемому напряжению звена постоянного тока для системы АИН – ШИМ.

– частота коммутации IGBT ключей (частота ШИМ), обычно выбирается в диапазоне от 5000 до 15000 Гц. Принимаем частоту на минимальной, т.е. 5000 Гц для уменьшения коммутационных потерь мощности в IGBT.

Суммарные потери IGBT:

Вт (2.84)

Потери диода в проводящем состоянии:

, (2.85)

где – максимальная амплитуда тока через обратный диод;

– прямое падение напряжения на диоде в проводящем состоянии при токе; , равное по данным таблицы 2.10.

Вт

В; (2.86)

Потери при восстановлении запирающих свойств диода:

, (2.87)

где – амплитуда обратного тока через диод ( ), А;

– продолжительность импульсов обратного тока, равная времени восстановления обратного диода при выключении ( мкс, по таблице 2.10).

Вт

Суммарные потери диода:

, (2.88)

Вт

Результирующие потери в IGBT с обратным диодом:

, (2.89)

Вт

Найденные результирующие потери являются основой для теплового расчета инвертора, в ходе которого определяется тип и геометрические размеры охладителя, а так же проверяется тепловой режим работы кристаллов IGBT и обратного диода.

Максимальное допустимое переходное сопротивление охладитель - окружающая среда в расчеты на пару IGBT/FWD (транзистор - обратный диод):

, (2.90)

где Т_А = 45…50 ⁰С – температура охлаждающего воздуха; Т_С = 90…110 ⁰С – температура теплопроводящей пластины; Р_Т – суммарная мощность рассеиваемая одной парой IGBT/FWD части модуля, Вт; – термическое переходное сопротивление корпус-поверхность теплопроводящей пластины модуля в расчете на одну пару IGBT/FWD модуля составляет 0,13 (см. табл. 2.10).

Температура кристалла обратного диода FWD:

^ОС (2.91)

где – термическое переходное сопротивление кристалл-корпус для FWD части модуля равное 0,35 (из таблицы 2.10).

^ОС

Должно выполняться условие: ^ОС. Так как это условие выполняется, то не нужно улучшать теплоотдачу за счет использования более эффективного охладителя с меньшим значением сопротивления .

Расчет выпрямителя

Среднее значение выпрямленного напряжения определили ранее и оно составляет 513В. Схема выпрямителя трехфазная мостовая. Максимальное значение среднего выпрямленного тока:

, (2.92)

где n – количество пар IGBT/FWD в инверторе.

Максимальный рабочий ток диода:

, (2.92)

где k_СС = 1,045 для мостовой трехфазной схемы при оптимальных параметрах Г-образного LC-фильтра, установленного на выходе выпрямителя.

Максимальное обратное напряжение диода:

, (2.93)

где – коэффициент допустимого повышения напряжения сети; – коэффициент запаса по напряжению; В – запас на коммутационные выбросы напряжения в звене постоянного тока; – коэффициент схемы для номинальной нагрузки.

Вентили выбираются по постоянному рабочему току и по классу напряжения. Выбираем диодный модуль RM250DZ-24 со средним прямым током А и импульсным повторяющимся обратным напряжением В (двенадцатый класс). Из трех диодных модулей реализуется мостовая схема трехфазного выпрямителя (рисунок 2.16).

Рис. 2.16. а) схема диодного модуля; б) схема трехфазного выпрямителя.

Расчет потерь мощности в выпрямителе для установившегося режима работы преобразователя частоты:

, (2.94)

где - для мостовой трехфазной схемы; - динамическое сопротивление полупроводникового диода в проводящем состоянии, Ом; - прямое падение напряжения, В, на полупроводниковом приборе при токе 50 мА; для диода В; – число полупроводниковых диодов в схеме выпрямителя, .

Вт

Тепловой расчет параметров охладителя выпрямителя следует проводить аналогично приведенному выше расчету для инвертора. Максимально-допустимое переходное сопротивление охладитель окружающая среда в расчете на выпрямитель:

, (2.96)

где T_C температура теплопроводящей пластины модуля охладителя (T_C = 100 ^ОС); температура охлаждающего воздуха термическое переходное сопротивление корпус – поверхность теплопроводящей пластины модуля.

При установке модулей (выпрямитель, инвертор) на общий охладитель требуемое сопротивление определяется аналогично суммарному сопротивлению при параллельном включении резисторов :

, (2.97)

Ряд фирм ,производящих профили для охладителей, дают на свою продукцию зависимости где d- длина профиля охладителя. Последняя для эффективного использования поверхности охладителя должна быть не менее 1м. При этом мощность инвертора может доходить до 55 кВт.