Частотные преобразователи высокого напряжения

Высоковольтный преобразователь напряжения (ВЧРП)

Асинхронные и синхронные электродвигатели составляют значительную часть электрических машин, имеющихся во всех отраслях промышленности, сельского и городского хозяйства. Двигатели применяют в качестве приводов подъемников, насосных агрегатов, дробилок и другого оборудования.

Частотное регулирование скорости вращения вала и момента позволяет значительно уменьшить потребление электроэнергии, отказаться от задвижек, заслонок, редукторов и других механических приспособлений, снизить пусковые токи, а также обладает рядом других преимуществ.

Наиболее значительный экономический эффект от частотно-регулируемого привода достигается именно при мощности двигателей от 250 кВт и выше на напряжение 6 или 10 кВ. Рассмотрим основные типы преобразователей частоты свыше 1000 В.

Виды высоковольтных частотников

Преобразователи частоты различают по элементной базе, наличию понижающего и повышающего трансформатора на входе и выходе. Устройства имеют различную топологию, реализованы на различных полупроводниковых приборах.

Двухтрансформаторный преобразователь частоты

До появления высоковольтных полупроводниковых элементов, рассчитанных на значительные токи, преобразователи частоты выше 1 кВ строились на базе двухтрансформаторной схемы.

Оборудование состоит:

• Из входного трансформатора 6-10 кВ / 0,66-0,4 кВ.
• Из частотного преобразователя на 660 или 400 В.
• Из синусного фильтра.
• Из выходного повышающего трансформатора 0,66-0,4 кВ/6-10 кВ.

Сетевое напряжение 6 или 10 кВ, проходя через силовой трансформатор, снижается до 400 или 660 В и поступает на низковольтный ПЧ. Устройство изменяет частоту до заданной величины. Далее напряжение поступает на синусовый фильтр, где сглаживаются электромагнитные помехи, затем на выходной трансформатор 0,66-0,4 кВ/6-10 кВ, далее на высоковольтный двигатель.

В такой схеме используется относительно недорогой низковольтный преобразователь частоты. К достоинствам устройств относятся:

• Возможность выбора питающего напряжения электродвигателя в диапазоне от 6-10 кВ и ниже.
• Отсутствие гармоник высокой частоты.
• Возможность работы в сетях со значительными перепадами напряжения благодаря гальванической развязке цепей.

Допускается также размещение входного и выходного трансформатора на значительном расстоянии от преобразователя частоты.

Двухтрансформаторная схема имеет свои недостатки. Главный минус – значительные габариты и вес. В выходной цепи преобразователя такой конструкции возникают пиковые перенапряжения амплитудой до 1,5 кВ с частотой следования до 20 кГц. Для защиты изоляции первичной обмотки требуется сглаживание высокочастотных составляющих. Это достигается установкой синусного фильтра – устройства со значительными габаритами. Кроме того, высокие токи в низковольтной части требуют разводки кабелями с более толстыми жилами, что дополнительно увеличивает размеры преобразователя.

Диапазон регулировки частоты напряжения таких устройств также ограничен. При снижении частоты или увеличении частоты, уменьшается коэффициент мощности. Для его повышения используют магнитопровод увеличенного сечения, дополнительные конденсаторы. Элементы усложняют схему, увеличивают стоимость и габариты ПЧ.

Тиристорные преобразователи частоты на напряжения выше 1000 В

Схемы на базе тиристорных ключей широко применяют в частотно-регулируемом электроприводе. Главное достоинство устройств – способность выдерживать высокий ток и невысокая цена элементной базы. Тиристоры проводят ток в несколько раз больше номинального без разрушения структуры полупроводниковых кристаллов.

На практике применяется несколько схем ПЧ выше 1 кВ на тиристорах.

Высоковольтные преобразователи частоты позволяют управлять скоростью и моментом на валу двигателя, осуществлять торможение в динамическом режиме. Оборудование с прямой связью с сетью позволяет передавать электроэнергию обратно в сеть при снижении скорости ротора.

• Значительная реактивная мощность до 1,5 раза больше номинальной.
• Ограниченный пусковой момент.
• Сильные электромагнитные помехи.
• Относительно низкая скорость переключения тиристоров.

Для снижения негативного воздействия нужна установка дорогостоящих фильтров ЭМИ. Кроме того, значительная реактивная составляющая требует увеличения сечения жил питающих силовых кабелей и мощности трансформатора.

Сфера применения таких устройств – приводы мощного оборудования с высокими требованиями к надежности.

Транзиторные высоковольтные преобразователи частоты с многообмоточными трансформаторами

Многоуровневые схемы на базе нескольких силовых ячеек – самые распространенные схемы современных частотных преобразователей. Устройства такой конструкции представляют собой трансформатор с несколькими обмотками и последовательно включенными силовыми ячейками «выпрямитель – звено постоянного тока-инвертор».

Количество ячеек зависит от требований к форме выходного напряжения. Чем чище должен быть «синус», тем больше количество элементов задействовано. Самые распространенные топологии – 36- 48- 54-пульсные с соответствующим количеством силовых модулей.

Каждая ячейка представляет собой схему, состоящую:

• Из выпрямителя на диодах или тиристорах.
• Из звена постоянного тока с индуктивным и емкостным элементом.
• Из транзисторного инвертора.

Таким образом, в каждом модуле осуществляется преобразование частоты до заданного значения. Синхронизацию работы ячеек осуществляет схема управления, результирующее напряжение на выходе имеет заданную амплитуду и частоту.

Высоковольтные преобразователи такой конструкции:

• Имеют высокий к.п.д. (до 98%) и коэффициент мощности (до 0,95).
• Обеспечивают широкий диапазон регулирования частоты вращения вала, как в большую, так и в меньшую сторону.
• Обладают высокой ремонтопригодностью, при необходимости поломанный элемент легко заменить.
• Не требуют установки фильтров, входная цепь и сеть гальванически разделены, форма напряжения на выходе максимально приближенна к синусоидальной.

Преимущества схемы с многообмоточным трансформатором можно оценить, изучив приведенную таблицу.

Схема 2 трансформаторами с частотным преобразователем до 1000 В.

ПЧ с многообмоточным трансформатором.

Коэффициент полезного действия

От 86 до 90% благодаря потерям на 2 трансформаторах и синусовом фильтре.

От 96,5 до 98%, отсутствие потерь в двигателе от высших гармоник.

Ограничен nном>n>0,5nном в большую и меньшую сторону за счет увеличения насыщения сердечника выходного трансформатора на низкой частоте и высоких потерях в сердечнике на высокой частоте.

Больше, за счет 2 трансформаторов, кабелей с жилами большого сечения, сердечника выходного трансформатора больших габаритов.

Наличие выходного (синусного) фильтра

Составляющая высших гармоник

5-10% в зависимости от параметров выходного фильтра.

Устойчивость к колебаниям напряжения сети

Не более 10% в большую и меньшую сторону. При изменениях напряжения выше предела преобразователь отключается.

Допустимы колебания питающего напряжения до 15-20%, в отдельных случаях до 30%.

Допустимые отклонения частоты напряжения на входе

Допустимая длина кабеля двигателя

Ограничена из-за высших гармоник

Допустимо подключение кабелем более 15 м.

Вывод

Наиболее совершенны по характеристикам – высоковольтные многоуровневые преобразователи частоты на базе многообмоточного трансформатора и транзисторных силовых ячеек. ПЧ такой конструкции обеспечивает высокое качество напряжения на выходе и высокую надежность за счет возможности шунтирования неисправных ячеек и функции прямого подключения двигателя к сети при выходе частотного преобразователя из строя.

Источник

Преобразователи частоты

В данной статье мы рассмотрим что такое частотный преобразователь, сферы применения преобразователей частоты, их плюсы и минусы, а также схемы частотников.

Преобразователи частоты (или частотники) – электротехническое оборудование для регулирования частоты переменного напряжения. Основная сфера применения этих устройств – изменение частоты вращения и крутящего момента электрических машин асинхронного типа. Принцип действия управления и регулирования основан на зависимости скорости вращения магнитного поля от частоты питающего напряжения.

Асинхронные электродвигатели широко используются в качестве приводов промышленного оборудования, насосных агрегатов, регулирующей арматуры и других устройств. Основным недостатком этих электрических машин являются постоянная скорость вращения, большие пусковые токи. При помощи частотных преобразователей возможно устранить эти недостатки и существенно расширить сферу применения электродвигателей переменного тока.

Виды преобразователей частоты

Частотные преобразователи различаются по конструкции, принципу действия, способу управления. По конструктивному исполнению преобразователи частоты разделяют на две большие группы:

Электромашинные частотники.

Электромашинные или индукционные преобразователи частоты представляют собой двигатели переменного тока, включенные в режим генератора. Применяются такие электротехнические устройства относительного редко, в условиях, где затруднено или невозможно применение электронных частотных преобразователей.

Электронные преобразователи.

Полупроводниковые ЧП состоят из силовой части, выполненной на транзисторах или тиристорах, и схемы управления на базе микроконтроллеров. Это электротехническое оборудование пригодно для трехфазных и однофазных приводов любого назначения. Различают ЧП с непосредственной связью с питающей сетью и устройства с промежуточным звеном постоянного тока.

Непосредственные преобразователи частоты

Такие частотники построены на базе быстродействующих тиристорных преобразователей, включенных по мостовым, перекрестным, нулевым и встречно-параллельным схемам.

Устройства такого типа включаются непосредственно в питающую сеть.

Плюсы непосредственных преобразователей частоты:

• Возможностью рекуперации электроэнергии в сеть при работе в режиме торможения двигателя. Непосредственное включение обеспечивает двусторонний обмен электричеством.
• Высоким к.п.д. за счет однократного преобразования частоты.
• Возможностью наращивания мощности за счет присоединения дополнительных преобразователей.
• Широким диапазоном низких частот. Непосредственные преобразователи обеспечивают стабильную работу привода на малых скоростях.

Минусы непосредственных преобразователей частоты:

• Аппроксимированная форма выходного напряжения с наличием постоянных составляющих и субгармоник. Такая форма переменного напряжения на выходе устройства вызывает дополнительный нагрев двигателя, снижает момент, создает помехи.
• Частота напряжения на выходе преобразователя не превышает аналогичную характеристику сетевого напряжения. Таким образом, при помощи этих устройств можно только снижать скорость вращения двигателей.
• Основная сфера непосредственных преобразователей – электроприводы на базе асинхронных и синхронных двигателей большой и средней мощности.

Преобразователи частоты с промежуточным звеном постоянного тока.

Частотные преобразователи этого типа выполнены на базе схемы двойного преобразования. Питающее сетевое напряжение преобразуется в постоянное, затем сглаживается и инвертируется в переменное выходное напряжение заданной частоты.

Плюсы преобразователей с промежуточным звеном постоянного тока:

• Возможностью получения выходного напряжения с частотой как выше, так и ниже аналогичного параметра сети питания. Частотники на базе схемы двойного преобразования используют для высоко- средне- и низкоскоростных электроприводов.
• Чистой синусоидальной формой напряжения на выходе. Схема преобразователя позволяет получать переменное напряжение с минимальным отклонением от синусоидальной формы.
• Возможностью построения простых и сложных силовых и управляющих схем для приводов с различными требованиями к скорости реагирования, диапазону скоростей.
• Возможностью адаптации к сетям постоянного тока. Преобразователи данного типа можно приспособить для питания от резервных и аварийных источников постоянного тока без дополнительных устройств. Это позволяет применять такие частотники в приводах ответственного оборудования с резервными источниками электроэнергии.
• Разнообразием алгоритмов управления. Преобразователи со звеном постоянного тока можно запрограммировать и адаптировать практически ко всем электроприводам, в том числе и претенциозным, где требуется особо точное регулирование скорости и момента.

Минусы преобразователей с промежуточным звеном постоянного тока:

• Относительно большую массу и габариты, что обусловлено наличием выпрямительного, фильтрующего и инверторного блоков.
• Повышенные потери мощности. Схема двойного преобразования несколько уменьшает общий к.п.д.

Устройство преобразователей с промежуточным звеном постоянного тока

Состоят такие преобразователи из нескольких основных блоков:

• Выпрямителя. Для ЧП используются диодные и тиристорные преобразователи постоянного тока. Первые отличаются высоким качеством постоянного напряжения практически с полным отсутствием пульсации, низкой стоимостью и надежностью. Однако диодные выпрямители не позволяют реализовать возможность рекуперации электроэнергии в сеть при торможении двигателя. Выпрямители на тиристорах обеспечивают возможность протекания тока в обоих направлениях и позволяют отключать преобразователь от сети без дополнительной коммутирующей аппаратуры.
• Фильтра. Выходное напряжение тиристорных управляемых выпрямителей имеет значительную пульсацию. Для ее сглаживания используют реакторы, емкостные или индуктивно-емкостные фильтры.
• Инвертора. В ЧП используют инверторы напряжения и тока. Последние обеспечивают рекуперацию электроэнергии в сеть и применяются для управления электрическими машинами с частым пуском, реверсом и остановкой, например, крановыми двигателями.
• Частотники на базе инверторов напряжения выдают на выходе напряжение формы “чистый синус”. Благодаря этому преобразователи такого типа получили наиболее широкое распространение.
• Микропроцессора. Этот блок осуществляет управление входным выпрямителем, прием и обработку сигналов с датчиков, взаимодействие с автоматизированной системой высшего уровня, запись и хранение информации о событиях, формирует выходное напряжения ЧП соответствующей частоты. А также выполняет функции защиты от перегрузок, обрыва фазы и других аварийных и ненормальных режимов работы.

Способы управления преобразователем

По принципу управления различают 2 основных вида частотных преобразователей:

ЧП со скалярным управлением

Частотники этого типа выдают на выходе напряжение определенной частоты и амплитуды для поддержания определенного магнитного потока в обмотках статора. Частотники с таким принципом регулирования отличаются относительно низкой стоимостью, простотой конструкции. Нижний предел регулировки скорости составляет около 10 % от номинальной частоты вращения. Их можно использовать для управления сразу несколькими двигателями. Скалярные ЧП используют для приводов насосных агрегатов, вентиляторов и других устройств и оборудования, где не требуется поддерживать скорость вращения ротора вне зависимости от нагрузки.

ЧП с векторным управлением

Микропроцессорные устройства преобразователей с векторным управлением автоматически вычисляют взаимодействие магнитных полей статора и ротора. ЧП такого типа обеспечивают постоянную частоту вращения ротора вне зависимости от нагрузки. Они используются для оборудования, где необходимо поддерживать необходимый момент силы при низких скоростях, высокое быстродействие и точность регулирования. Применение векторных ЧП позволяет регулировать частоту вращения, задавать требуемый момент на валу.

ЧП с векторным управлением делятся на преобразователи бездатчикового типа и устройства с обратной связью по скорости. Последние используются для приводов с широким диапазоном регулирования скорости до 1:1000, необходимости позиционирования точного положения вала, регулирования момента при низких скоростях, точного поддержания частоты вращения, пуска двигателя с номинальным моментом. Преобразователи без датчика скорости применяют для приводов с более низкими требованиями.

Режимы управления частотными преобразователями

В большинстве моделей современных частотных преобразователей реализована возможность управления в нескольких режимах:

1) Ручное управление.

2) Внешнее управление.

3) Управление по дискретным входам или “сухим контактам”.

4) Управление по событиям.

Преимущества частотных преобразователей.

1) Экономия электроэнергии.

2) Увеличение срока службы промышленного оборудования.

3) Отсутствие необходимости проводить техническое обслуживание.

4) Возможность удаленного управления и контроля параметров оборудования с электроприводом.

5) Широкий диапазон мощности двигателей.

6) Защита электродвигателя от аварий и аномальных режимов работы.

7) Снижение уровня шума работающего двигателя.

Сферы применения

Частотно-регулируемые приводы применяют:

• Для кранов и грузоподъемных машин . Крановые двигатели работают в режиме частых пусков, остановок, изменяющейся нагрузки. ЧП обеспечивают отсутствие рывков и раскачивания груза при пусках и остановках, остановку крана точно в требуемом месте, снижают нагрев электродвигателей и максимальный пусковой момент.
• Для привода нагнетательных вентиляторов в котельных и дымососов. Общее управление с плавной регулировкой дутьевых и вытяжных вентиляторов позволяет автоматизировать процесс горения и обеспечить максимальный к.п.д . котельных агрегатов.
• Для транспортеров, прокатных станов, конвейеров, лифтов. ЧП регулирует скорость перемещения транспортного оборудования без рывков и ударов, что увеличивает срок службы механических узлов. Для насосных агрегатов. ЧП позволяют обойтись без задвижек и вентилей, регулирующих давление и производительность, и существенно увеличить общий к.п.д системы водоподачи.
• Для электродвигателей станков. Использование преобразователя частоты вместо коробки передач позволяет плавно увеличивать или уменьшать частоту вращения рабочего органа станка, осуществлять реверс. ЧП широко используются для станков с ЧПУ и высокоточного промышленного оборудования.

Внедрение частотно-регулируемых приводов дает значительный экономический эффект. Снижение затрат достигается за счет сокращения потребления электроэнергии, расходов на ремонт и ТО двигателей и оборудования, возможности использования более дешевых асинхронных электродвигателей с короткозамкнутым ротором, а также сокращения других производственных издержек. Средний срок окупаемости частотных преобразователей составляет от 3-х месяцев до трех лет.

Источник