Высоковольтные синхронные и асинхронные двигатели широко применяются в электроприводе мощных насосов, дробилок, другого мощного оборудования. Появление силовых транзисторов и тиристоров, рассчитанных на высокое напряжение, сделало возможным использование преобразователей частоты для регулировки высоковольтных устройств.
Существуют 3 основных типа схем преобразователей частоты напряжением свыше 1000 В:
- Двухтрансформаторная.
- Тиристорная.
- Транзисторная.
Двухтрансформаторные преобразователи частоты
Двухтрансформаторная схема работает следующим образом:
Напряжение 6-10 кВ подается на первый трансформатор, где снижается до 660 кВ. Далее напряжение подается на низковольтный преобразователь частоты, фильтруется и преобразуется в повышающем трансформаторе.
Преобразователи частоты, построенные по такой схеме, имеют относительно низкую цену и простую конструкцию. К преимуществам такой схемы относятся:
- Возможность выбирать напряжение питания для двигателя в диапазоне 2-10 кВ.
- Гальваническая изоляция от электросети.
- Возможность располагать трансформаторы на большом расстоянии от частотного преобразователя.
- Отсутствие паразитной высокочастотной составляющей, подшипниковых токов.
Однако, такая схема имеет и недостатки. Масса и габариты таких преобразователей значительно больше размеров и веса аналогичных высоковольтных устройств на транзисторах и тиристорах. К особенностям, ограничивающим применение двухтрансформаторных устройств, также относятся:
- Необходимость применения кабелей большого сечения.
- Ограниченный диапазон регулирования скорости электродвигателя.
В низковольтной части преобразователей электроприводов мощностью от 1 МВт приходится использовать кабели на токи несколько тысяч ампер.
При снижении частоты в выходной цепи частотного преобразователя, во втором трансформаторе увеличивается насыщение сердечника. При увеличении частоты выходного напряжения, потери на перемагничивание и вихревые токи существенно возрастают. Это ограничивает диапазон регулирования частоты. Для решения этой проблемы используются магнитопроводы увеличенного сечения и емкостные фильтры для коррекции Cos φ. Это увеличивает стоимость, усложняет схему и увеличивает массу и габариты преобразователя.
Применение таких устройств ограничивается мощностью привода. Двухтрансформаторные частотные преобразователи применяют для двигателей на 0,5-1 МВт.
Тиристорные преобразователи частоты
Тиристорный высоковольтный преобразователь частоты состоит:
- Из разделительного трехобмоточного трансформатора.
- Из диодного выпрямителя.
- Из звена постоянного тока.
- Из тиристорного инвертора.
Трансформатор служит для разделения сети и входной цепи преобразователя, снижения и деления напряжения между тиристорными ячейками. Выпрямители предназначены для преобразования переменного тока в постоянный, который потом сглаживается в звене постоянного тока. Тиристорные блоки осуществляют обратное преобразование напряжения в переменное. На выходе напряжение из блоков складывается и поступает на электродвигатель.
Такие преобразователи частоты имеют небольшие размеры и массу, могут регулировать частоту в диапазоне от 0 до 300 Гц. Тиристорная схема также отличается высоким к.п.д. Он может составлять до 98%. К недостаткам преобразователей относятся сложная аппаратная реализация согласованной работы электронных ключей, несинусоидальная форма выходного напряжения. Для снижения высокочастотных искажений между тиристорным высоковольтным преобразователем и электродвигателем включают синус-фильтр.
Транзисторные преобразователи частоты
Транзисторные схемы получили самое широкое распространение. Преобразователи частоты такой конструкции состоят:
- Из разделительного многообмоточного трансформатора.
- Из нескольких силовых ячеек, построенных на базе двойного преобразования.
Каждая ячейка содержит диодный выпрямитель, звено постоянного тока и транзисторный инвертор. Эта топология позволяет регулировать выходное напряжение преобразователя частоты путем изменения количества силовых ячеек. Это делает возможным применение низковольтных IGBT или IGB-транзисторов без риска пробоя.
Такие схемы обеспечивают выходное напряжение чистой синусоидальной формы и не требуют установки фильтра перед двигателем. Транзиторные преобразователи на базе силовых ячеек:
- Обладают небольшим весом и габаритами.
- Позволяют регулировать скорость в широком диапазоне.
- Имеют к.п.д. до 98%.
Высоковольтный частотный преобразователь легко отремонтировать. Силовые ячейки взаимозаменяемы. Их количество зависит от требований к уровню гармонических искажений. На практике используют 36- 48- 54-пульсные схемы. Чем выше пульсность, тем меньше паразитных гармоник поступает в питающую сеть.
Современные высоковольтные устройства построены на базе каскадной схемы. Это позволяет отказаться от выходного трансформатора и емкостного фильтра.
Устройство и преимущества высоковольтных преобразователей
Высоковольтный преобразователь частоты размещают в электротехническом шкафу с тремя секциями:
- Отделение трансформатора. Разделительный трансформатор содержит первичную обмотку и несколько вторичных. Их количество равно числу силовых ячеек. Вторичные обмотки обеспечивают независимое электропитание ячеек со сдвигом фаз относительно друг друга. Схема снижает количество помех, поступающих в сеть от преобразователя.
- Секция силовых ячеек. Там размещены от 15 до 27 взаимозаменяемых силовых модуля. Такая конструкция обеспечивает высокую ремонтопригодность преобразователя.
- Отделение управляющего устройства. В секции расположен ШИМ-модулятор и управляющий контроллер. На двери блока управления размещена панель для регулировки и задания параметров.
Высоковольтные преобразователи комплектуют датчиками для контроля температуры в секциях трансформатора и силовых ячеек. Для приводов оборудования, применяемого в непрерывных технологических процессах, выпускают устройства с блоком бесперебойного питания. ИБП позволяет переключить двигатель в режим торможения и обеспечивает сохранение всех данных при пропадании напряжения.
Устройства обеспечивают обычный пуск, старт на подхвате, запуск при определенном положении ротора, реверсивный пуск. Возможна остановка выбегом и с заданным замедлением.
Высоковольтные преобразователи легко интегрируются в систему АСУТП. Они укомплектованы встроенным ПИД-регулятором, блоком внешней связи с поддержкой протоколов:
- RS-485.
- Profibus-DP.
- Modbus-TCP/IP.
- Других базовых стандартов обмена данными.
Преобразователи на двигатели 6-10 кВ позволяют отказаться от дорогих электроаппаратов защиты. Устройства обеспечивают защиту:
- От перегрузок, сверхтоков коротких замыканий.
- От обрыва фаз и замыканий на землю.
- От перегрева.
- От перепадов напряжения.
- Других аварий и ненормальных режимов.
При выходе из строя одной из ячеек, преобразователь продолжает работу без изменений. Независимое электропитание, сдвиг нейтральной точки позволяют шунтировать неисправный силовой элемент. Баланс выходного напряжения в этом случае поддерживается коррекций угла между фазами. Это возможно благодаря отсутствию связи между нейтральной точкой преобразователя и нейтральной точкой электродвигателя. Возможность байпаса силовых ячеек существенно увеличивает надежность привода.
При выходе преобразователя из строя предусмотрена возможность прямого подключения электродвигателя к сети. Функция используется при невозможности простоев оборудования в непрерывном производстве. Возможно синхронизированное переключение двигателя с преобразователя частоты напрямую в питающую сеть. Такие преобразователи частоты дополнительно комплектуются реактором с системой управления.
Для металлургической, горнодобывающей и химической промышленности выпускают устройства с жидкостным охлаждением.
Высоковольтные преобразователи частоты обладают всеми преимуществами устройств частотного управления. Они снижают энергопотребление, обеспечивают снижение пусковых токов, позволяют осуществлять регулирование скорости и момента на валу электродвигателя.
