Исследование режима работы индуктивного фильтра мощного высоковольтного однофазного инвертора при различных типах широтно-импульсной модуляции

DOI: 10.25702/KSC.2307-5252.2018.16.3.106-114 УДК 621.311

В. В. Колобов, М. Б. Баранник

ИССЛЕДОВАНИЕ РЕЖИМА РАБОТЫ ИНДУКТИВНОГО ФИЛЬТРА МОЩНОГО ВЫСОКОВОЛЬТНОГО ОДНОФАЗНОГО ИНВЕРТОРА ПРИ РАЗЛИЧНЫХ ТИПАХ ШИРОТНО-ИМПУЛЬСНОЙ МОДУЛЯЦИИ

Аннотация

Для формирования синусоидального тока в излучающей воздушной линии электропередачи при проведении электромагнитных зондирований в КНЧ-СНЧ диапазоне в генераторе «Энергия-2» используется однофазный мостовой инвертор, работающий в режиме широтно-импульсной модуляции. В статье сравниваются режимы работы инвертора в режиме двухфазной и однофазной ШИМ. Анализ показывает, что однополярное переключение обеспечивает более высокую эффективность работы генератора из-за уменьшения динамических потерь в ключах. Кроме того, однофазная ШИМ уменьшает содержание высокочастотных гармоник, кратных несущей частоте ШИМ, в выходном токе. Исследован индуктивный фильтр генератора. Выполнены расчеты временной зависимости индукции в сердечнике дросселя, ее действующего значения и суммарных магнитных потерь в магнитопроводе при различных типах модуляции. Результаты расчетов показывают, что применение однофазной широтно-импульсной модуляции значительно уменьшает потери в сердечнике, что упрощает проектирование и расчет индуктивного фильтра инвертора — объем магнитопровода может быть уменьшен или может быть использован материал сердечника с более высокими потерями на гистерезис. Ключевые слова:

электромагнитные зондирования, линии электропередачи, КНЧ-СНЧ генератор, инвертор, синусоидальный ток, широтно-импульсная модуляция, однополярная, двухполярная, индуктивный фильтр, потери в сердечнике.

V. V. Kolobov, M. B. Barannik

ANALYSIS OF INDUCTOR FILTER OF HIGH-POWER HIGH-VOLTAGE SINGLEPHASE INVERTER USING DIFFERENT PULSE-WIDTH MODULATION TECHNIQUES

Abstract

The "Energy-2" generators was designed as a transmitter for deep electromagnetic sounding in the extremely low and ultra low frequency ranges using an overhead power transmission line as a transmitter line. The single-phase full-bridge inverter based on pulse width modulation technique provides a sinusoidal current in a transmission line. The two methods of pulse width modulation of the inverter, such as bipolar and unipolar, are compared in the paper. Analysis shows that a unipolar switching provides higher efficiency because of reduced switching loss. In addition, a unipolar inverter with an inductor filter will give better sinusoidal output waveform compared to a bipolar inverter. Also, the calculations of a time-dependent magnetic flux density, an effective value of magnetic flux density and total core losses of the filter inductor were carried out. The presented calculation results shows that a core with smaller volume or a low cost core material with higher hysteresis losses may be used in a filter inductor of unipolar inverter. Keywords:

low and ultra low frequency transmitter, electromagnetic soundings, power lines, inverter, sinusoidal current, pulse width modulation, unipolar, bipolar, filter inductor, core losses.

Генератор «Энергия-2» мощностью 200кВт [1, 2] разрабатывался как контролируемый источник тока для проведения глубинных электромагнитных зондирований в диапазоне крайне и сверхнизких частот

с использованием в качестве излучающеи линии высоковольтной воздушной линии электропередачи (ВЛ). Высоковольтный однофазный инвертор генератора (рис. 1) выполнен по мостовой схеме с использованием в качестве ключей силовых интеллектуальных ЮВТ модулей [2]. Инвертор работает в режиме широтно-импульсной модуляции (ШИМ), что позволяет формировать в излучающей линии ток произвольной, в том числе синусоидальной формы.

Рис. 1. Схема подключения выхода высоковольтного ШИМ-инвертора к высоковольтной воздушной линии электропередачи (ВЛ), используемой в качестве излучающей линии контролируемого источника, где УПЕК — устройство продольной емкостной компенсации индуктивности ВЛ

В мостовом ШИМ-инверторе с синусоидальным выходным напряжением может использоваться модуляция двух типов — двухполярная ШИМ или однополярная ШИМ. Временные диаграммы, поясняющие принцип формирования выходного напряжения инвертора для различных типов ШИМ приведены на рисунке 2, а, б.

При двухполярной ШИМ (рис. 2, а) на выходе инвертора формируется двухполярное импульсное напряжение U(t), состоящее из модулированных по ширине импульсов, принимающих значения ± Us. Величина Us определяется напряжением звена постоянного тока (DC-link) инвертора Udc. Такой тип модуляции иногда также называют двухуровневой ШИМ [3].

При однополярной ШИМ (рис. 2, б) на выходе инвертора формируется импульсное напряжение с уровнями +Us, 0, -Us. Соответственно, такой тип модуляции обозначают как трехуровневая ШИМ

Инвертор КНЧ-СНЧ генератора «Энергия-2» первоначально формировал синусоидальный ток в антенне методом двухполярной ШИМ Затем блок управления высоковольтным инвертором генератора и управляющая микропрограмма микроконтроллерной системы управления были переработаны таким образом, чтобы обеспечить формирование синусоидального тока методом однополярной широтно-импульсной модуляции [4]. Такая модернизация позволила:

- увеличить КПД и надежность работы генератора за счет снижения суммарных динамических потерь в ЮВТ ключах инвертора и улучшения теплового режима силовых модулей;

- уменьшить амплитуду высокочастотных гармоник, кратных несущей частоте ШИМ, в выходном напряжении инвертора (см. рис. 2, а, б) и, соответственно, обеспечить более эффективную фильтрацию ВЧ составляющих тока в излучающей ВЛ.

Рис. 2. Упрощенные временные диаграммы выходного напряжения ШИМ-инвертора, тока в излучающей линии и типовой спектр выходного напряжения при двухполярной (а, в) и однополярной (б, г) широтно-импульсной модуляции

В состав генератора (рис. 1) также входит согласующее устройство, включаемое между выходом инвертора и линией, и состоящее из устройства продольной емкостной компенсации (УПЕК) и индуктивного фильтра (Ь-фильтра) [1]. УПЕК используется для компенсации индуктивной составляющей комплексного сопротивления линии при работе генератора на частоте от 3 Гц и выше. При этом инвертор формирует выходное напряжение в форме меандра, а синусоидальность тока в линии обеспечивается резонансом [1].

На частотах 0.01-2 Гц, когда УПЕК не используется, инвертор работает в режиме ШИМ формирования синусоидального тока в линии. Протяженная ВЛ имеет значительную индуктивность (сотни мГн) и сама является индуктивным фильтром, подавляющим ВЧ гармоники тока кратные несущей частоте ШИМ Но, как показала практика, с точки зрения обеспечения минимального электромагнитного воздействия на линии связи, телеметрии и чувствительное оборудование подстанции, на которой размещается генератор, использование индуктивного фильтра является обязательным.

Расчет параметров индуктивного фильтра мощного высоковольтного инвертора и конструкция дросселя приведены в [1].

В данной статье рассмотрим, как влияет использование ШИМ различного типа на режим работы дросселя СУ.

При формировании выходного синусоидального напряжения U(t) с частотой генерации ^н на основе ШИМ последовательности с частотой коммутации (несущей частотой) Шим для одного периода частоты генерации TгЕн можно записать: U(t)=Us sin(2пt). Здесь: U(t) — напряжение на нагрузке; Us — максимальная амплитуда выходного напряжения, равная напряжению на звене постоянного тока инвертора UDc; t — безразмерная величина времени, которая в пределах периода изменяется от 0 до 1.

Для мгновенного значения магнитной индукции можно записать [5]:

Ьпр!

Е

где Lдp — индуктивность дросселя; 1^) — мгновенное значение тока дросселя; W — количество витков дросселя; £ — площадь поперечного сечения магнитопровода дросселя.

Для индуктивности дросселя:

Ш2

1ДР = ^,

км

где Ям — магнитное сопротивление магнитопровода, которое в случае дросселя с большим зазором определяется только магнитным сопротивлением зазора. Подставляя в формулу (1) выражение (2), и учитывая соотношение 1^)=и^)/Ян, где Ян — сопротивление нагрузки инвертора, можно записать:

Л и (Г )Ш

Е(()=• (3> кмкн °

Найдем амплитуду изменения магнитной индукции в сердечнике дросселя для двухполярной (двухуровневой) ШИМ Для этого выведем формулы, определяющие максимальное Бшах(0 и минимальное Бтт(0 мгновенное значение индукции в сердечнике.

Для закона электромагнитной индукции можно записать:

ди = ШБ —,

Ж

где Аи — падение напряжения на дросселе, определяемое как:

ди = и Б - и

Соответственно, для йБ справедливо соотношение:

диж

ЖЕ =-.

ШБ

Для коэффициента заполнения импульса D при формировании выходного напряжения методом двухполярной ШИМ (рис. 2, а) можно записать: D=dt/Tшим, где Тшим=1//шим (рис. 3, а). Тогда для приращения времени dt справедливо: dt=D•Tшим. Выражая dt через несущую частоту ШИМ, запишем:

ёг =

Б

/ш

ШИМ

Рис. 3. К пояснению коэффициента заполнения импульса Б для двухполярной (а) и однополярной (б) широтно-импульсной модуляции

Для напряжения на нагрузке инвертора при двухполярной ШИМ справедливо выражение:

и (г) = 2П8 (Б - 0.5).

В выражении (8) коэффициент заполнения импульса В изменяется в диапазоне от 0 до 1, при этом Vизменяется от -V до Us. Выразим коэффициент заполнения через напряжения:

Б = 0.5 + ^ .

2и„

Подставляя (9) в (7) получим:

0.5 +

и

2и5

& =-^.

/ШИМ

Перепишем формулу приращения магнитной индукции (6), подставляя в нее выражения (5) и (10):

(

ёБ =

0.5 +

Щ)

2и.

\

5 У

WS/ш

Запишем выражения для мгновенных значений верхней и нижней границ изменения магнитной индукции в дросселе, выраженных относительно Б(0:

&Б

Бтх

&Б

БтМ) = Б

Перепишем выражения (12, 13) с учетом (11):

'ü.5 + U (t

B (t) = B(t) +-

2WSfumM

2US

Bmn(t) = B(t) -

'ü.5 + U(t)" 2US j

2W S fmHM

Приняв несущую частоту ШИМ /шим=8000 Гц, и предположив, что инвертор работает на активную нагрузку с сопротивлением Rh=14 Ом, а также подставив в выражения (1, 14, 15) параметры дросселя генератора «Энергия-2»: Rm=2 106 Ом; 5=0.01 м2; W=44 витка, найдем зависимости B(t), Bmax(t), Bmin(t). Временные диаграммы B(t), Bmax(t), Bmin(t) для режима двухполярной ШИМ приведены на рис. 4а.

При работе инвертора в режиме однополярной (трехуровневой) ШИМ (рис. 2, б) с коэффициентом заполнения импульса D рассмотрим отдельно формирование положительной и отрицательной полуволны напряжения на нагрузке инвертора U(t) (рис. 3, б). Для положительной полуволны напряжения справедливо выражение: U(t)= UsD, а для отрицательной — U(t)=-UsD. Значение D изменяется в диапазоне от 0 до 1. При этом U(t) изменяется от 0 до Us для положительной полуволны, и от 0 до -U5 — для отрицательной (рис. 3, б).

Для положительной полуволны: D=U(t)/Us. Подставляя это соотношение в (7), получаем:

dt u

dt=—

U S J ШИМ

Тогда выражение (6) для приращения магнитной индукции dB с учетом (5) примет вид:

U(t) Г jTf,Л

11 U

dB =-Us -

W S fШИM W S fШИM

U

/y /

/ min N^ //

о 0.25Т 0.5Т 0.75Т Т

p Jrmax

\v4B

О 0.25Т 0.5Т 0.75Т Т

Рис. 4. Расчетные временные зависимости изменения амплитуды магнитной индукции в сердечнике дросселя при двухполярной (а) и однополярной (б) широтно-импульсной модуляции

Универсальное выражение для положительной и отрицательной полуволны напряжения, описывающее dБ, будет выглядеть:

(

U

dB =

1 -

U

U

\

S J

Ш Б I ШИМ

Подставляя (18) в (12) и (13) получим выражения для мгновенных значений верхней и нижней границ изменения магнитной индукции в дросселе для однополярной ШИМ:

Г Р(Ф

U

Bmax(t ) = B(t ) +

1 -

U

S J .

2WSfK

U

Bmin(t ) = B(t ) -

1 -

U

S J

2WSf

ШИМ

На рис. 4, б приведены расчетные временные зависимости B(t), Bmax(t), Bmin(t) для дросселя СУ генератора «Энергия-2» при работе инвертора в режиме однополярной ШИМ

Через зависимости Bmax(t) и Bmm(t) найдем выражение для действующего значения магнитной индукции дросселя:

вш„ = ,

В соответствии с полученным выражением (21) найдем действующее значение магнитной индукции дросселя при различных типах широтно-импульсной модуляции:

bRмs дпм=0.047 Тл — для двухполярной ШИМ;

bRмs опм=0.025 Тл — для однополярной ШИМ.

Учитывая, что потери в сердечнике (магнитопроводе) дросселя пропорциональны квадрату магнитной индукции, найдем коэффициент уменьшения потерь при переходе от двухполярной к однополярной ШИМ:

77 /?2

т^ П ДПМ дпм -

КП =-= —--« 3.0 .

П и Я2

П ОПМ В ЕЫ5 ОПМ

Следовательно, при одних и тех же параметрах дросселя, переход на однополярную ШИМ уменьшает потери в сердечнике более чем в 3.5 раза, что снижает требования к параметрам магнитопровода. То есть, применение для формирования синусоидального сигнала на выходе инвертора однополярной (трехуровневой) широтно-импульсной модуляции позволяет уменьшить габаритные размеры сердечника дросселя. Либо, при тех же габаритных размерах, использовать материалы с большими магнитными потерями.

Выводы

Использование в мощном высоковольтном инверторе КНЧ-СНЧ генератора «Энергия-2» для формирования синусоидального тока в излучающей ВЛ однополярной (трехуровневой) широтно-импульсной модуляции является обоснованным, так как такой тип модуляции обладает рядом преимуществ по сравнению с двухполярной ШИМ. Снижение динамических потерь в ЮВТ ключах инвертора и улучшение их теплового режима обеспечивают увеличение КПД инвертора и повышение надежности работы генератора в целом. Такой тип модуляции также уменьшает уровень высших гармоник, кратных частоте несущей ШИМ, на выходе инвертора и, соответственно, в токе излучающей линии.

Кроме того, как показали проведенные исследования режима работы дросселя индуктивного фильтра при разных типах модуляции, использование однополярной ШИМ значительно снижает потери в сердечнике дросселя. Соответственно, при проектировании индуктивного фильтра для инвертора, работающего в однополярном режиме, можно использовать сердечник меньшего объема или использовать для сердечника материал с большими магнитными потерями на гистерезис.

0

Литература

1. Колобов В. В., Баранник М. Б., Жамалетдинов А. А. Генераторно-измерительный комплекс «Энергия» для электромагнитного зондирования литосферы и мониторинга сейсмоактивных зон. СПб: «СОЛО», 2013. 240 с.

2. Баранник М. Б., Данилин А. Н., Ефимов Б. В., Колобов В. В., Прокопчук П. И., Копытенко Ю. А., Жамалетдинов А. А., Селиванов В. Н., Шевцов А. Н. Высоковольтный силовой инвертор генератора «Энергия-2» для электромагнитных зондирований и мониторинга очаговых зон землетрясений // Сейсмические приборы. 2009. Т. 45. № 2. С. 5-23.

3. Барегамян Г., Маргарян В. Выбор параметров LC-фильтра инвертора с широтно-импульсной модуляцией и синусоидальным выходным напряжением // Силовая электроника. 2011. № 29. С. 50-56.

4. Колобов В. В., Баранник М. Б., Жамалетдинов А. А. Опыт применения КНЧ-генератора «Энергия-2» для электромагнитных зондирований в ходе международного эксперимента FENICS-2014 // Труды КНЦ РАН. Энергетика. Вып. 10. Апатиты: Изд-во Кольского научного центра РАН, 2015. С. 52-64.

5. Семенов Б. Ю. Силовая электроника. Профессиональные решения. М.: Солон-Пресс, ДМК Пресс, 2011. 416 с.

Сведения об авторах

Колобов Виталий Валентинович,

ведущий научный сотрудник Центра физико-технических проблем энергетики Севера

КНЦ РАН, к.т.н.

Россия, 184209, Мурманская область, г. Апатиты, мкр. Академгородок, д. 21А

Эл. почта: 1_i@mail.ru

Баранник Максим Борисович,

научный сотрудник Центра физико-технических проблем энергетики Севера КНЦ РАН

Россия, 184209, Мурманская область, г. Апатиты, мкр. Академгородок, д. 21А

Эл. почта: maxbar@ien.kolasc.net.ru

Б01: 10.25702/К8С.2307-5252.2018.16.3.114-121 УДК 621.3

В. С. Романов, В. Г. Гольдштейн, Н. С. Васильева

СТАТИСТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ НАРУШЕНИЙ В ЭКСПЛУАТАЦИИ ПОГРУЖНЫХ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ ДЛЯ НЕФТЕДОБЫЧИ

Аннотация

Погружное электрооборудование нефтедобычи, в том числе и погружные электродвигатели (ПЭД), при эксплуатации подвержены влиянию обширного количества внешних факторов и воздействий, их эксплуатация сопряжена с разнообразными режимами работы, именно поэтому можно утверждать, что практика их эксплуатации является информативным показателем испытания оборудования на надежность. Данный показатель невозможно смоделировать, но он может быть описан рядом показателей, которые и характеризуют надежность объекта, например: долговечность работы,