Высоковольтный преобразователь частоты: все типовые схемы существующих преобразователей
Обзор существующих схем построения высоковольтных преобразователей частоты
Все типовые схемы существующих высоковольтных преобразователей частоты можно разбить на три категории:
1. Высоковольтные частотные преобразователи, реализованные по двухтрансформаторной схеме.
Данная схема, как, собственно и видно из ее названия, строится на двойной трансформации напряжения с помощью понижающего (Т1) и повышающего (Т2) высоковольтных трансформаторов.
Входное трехфазное синусоидальное напряжение питающей сети 6 кВ подается на понижающий силовой трансформатор Т1, который преобразует его в трёхфазное напряжение 400 (660) В. Данное напряжение подается на низковольтный преобразователь частоты (ПЧ). Далее трёхфазное напряжение переменной частоты с выхода ПЧ поступает на повышающий трансформатор Т2 для получения высокого (6 кВ) напряжения. Двойная трансформация позволяет использовать для регулирования частоты относительно недорогой низковольтный преобразователь частоты, что, казалось бы, значительно снижает общую стоимость высоковольтного преобразователя. Однако, при более внимательном подходе к рассмотрению требуемого для нормальной работы данной схемы оборудования и общих ограничений такой схемы, цена вопроса значительно возрастает. Во-первых, в выходном напряжении низковольтного преобразователя частоты присутствуют пиковые перенапряжения, чья амплитуда может доходить до 1 – 1,5 кВ, а частота следования до 5 - 20 кГц. Чтобы защитить от пробоя изоляцию первичной обмотки повышающего трансформатора, на выходе ПЧ устанавливается трёхфазный синусоидальный фильтр, довольно сложное и дорогое устройство, учитывая, что протекающие токи могут составлять несколько килоампер. Вследствие повышенных токов, разводка низковольтной части преобразователя требует кабелей большого сечения, что заметно увеличивает массогабаритные характеристики такого рода оборудования. Преобразователи, выполненные по этой схеме, имеют ограниченный диапазон регулирования частоты вращения двигателя как сверху, так и снизу от номинальной частоты. Это связано с тем, что при снижении частоты на выходе преобразователя увеличивается насыщение сердечника, что приводит к его нагреву и нарушению расчетного режима работы выходного трансформатора Т2. Таким образом, при снижении частоты, заметно снижается и КПД данного высоковольтного преобразователя частоты, делая невозможным общее энергосбережение в системе двигатель-насос. Поэтому, как показывает практика, диапазон регулирования ограничен в пределах nном>n>0,5nном. Для расширения диапазона регулирования используют трансформаторы с увеличенным сечением магнитопровода, но это увеличивает и стоимость, и массу, и габариты. При увеличении же выходной частоты, растут потери в сердечнике трансформатора Т2 на перемагничивание и вихревые токи. Входной же трансформатор Т1 для питающей сети представляет собой индуктивную нагрузку, поэтому для получения удовлетворительного коэффициента мощности данного высоковольтного преобразователя частоты, требуется использовать дополнительные конденсаторы коррекции Cos φ.
Таким образом, основными недостатками двухтрансформаторных преобразователей являются высокие массогабаритные характеристики, меньшие по отношению к другим схемам КПД и надежность, а также весьма малый рабочий диапазон регулирования (1 : 2). Ряд мощностей подобной схемы ограничивается максимально возможной мощностью используемого низковольтного ПЧ, которая составляет у разных производителей 500 – 1 000 кВт.
2. Тиристорные высоковольтные преобразователи частоты.
Основой указанных электроприводов является трех-пяти-уровневый преобразователь частоты (ПЧ), выполненный на высоковольтных полностью управляемых полупроводниковых тиристорных приборах. Тиристорные высоковольтные преобразователи частоты состоят из входного понижающего трансформатора Т1, обеспечивающего преобразование входного трехфазного напряжения 6 – 10 кВт в 2-3 группы трехфазного напряжения 1-3 кВ (зависит от числа вторичных обмоток) со сдвигом фаз напряжения в обмотках относительно друг друга для повышения коэффициента мощности преобразователя.
Эти напряжения выпрямляются на диодных выпрямителях ДВ и сглаживающих конденсаторах в звене постоянного тока ЗПТ преобразователя частоты. Для снижения уровня высших гармоник и улучшения электромагнитной совместимости используют многопульсные схемы диодных выпрямителей. На рис.2. изображена 12-ти пульсная схема с двухобмоточным согласующим трансформатором. На практике существуют 18-ти, 24-х пульсные схемы преобразователей. Число вторичных обмоток трансформаторов в этих схемах равно 3 и 4 соответственно. Существуют и дешевые однообмоточные модели с 6-пульсным выпрямителем, у которых уровень наводимых на сеть гармоник просто ужасающ, а коэффициент мощности требует компенсации с помощью дополнительных конденсаторных батарей. Эксплуатация подобных преобразователей невозможна без дополнительных фильтров гармоник во входных силовых цепях.
Для повышения рабочего напряжения преобразователя частоты электронные ключи тиристорного инвертора ТИ соединяют последовательно. Число элементов в каждом плече определяется величиной рабочего напряжения и типом силового элемента. Основная проблема для этой схемы состоит в строгом согласовании работы электронных ключей, поскольку полупроводниковые элементы, изготовленные даже в одной партии, имеют разброс параметров, поэтому очень остро стоит задача согласования их работы по времени. Если один из элементов откроется с задержкой или закроется раньше остальных, то к нему будет приложено полное напряжение плеча, и он выйдет из строя. Такие требования к прецизионному управлению несколько снижают надежность описываемого типа высоковольтных преобразователей.
Преобразователи имеют одни из лучших удельные массогабаритные показатели, диапазон изменения выходной частоты от 0 до 250-300 Гц, КПД преобразователей достигает 97,5%. Недостатком данных моделей, влияющим на общую стоимость, является обязательное наличие синус-фильтра на выходе преобразователя, обусловленное весьма далекой от синуса формой выходного напряжения тиристорных инверторов. Тем не менее, до появления транзисторных инверторных ячеек, данная схема являлась наиболее распространенной для высоковольтных преобразователей большой мощности.
3. Транзисторные высоковольтные преобразователи частоты
Высоковольтный преобразователь частоты TMdrive на IGB-транзисторах для уровня напряжений в 3, 6 и 10 кВ с концепцией « чистой синусоиды» сконцентрировал в себе комплекс высокотехнологичных современных решений.
Как видно из рис.3 и 4, данный преобразователь частоты состоит из входного многообмоточного трансформатора сухого типа и транзисторных инверторных ячеек, собранных воедино в одной панели инвертора. Все внутришкафные соединения силовых элементов с обмотками входного трансформатора уже выполнены и не требуют дополнительного монтажа.
Схема построения транзисторных высоковольтных преобразователей частоты (Рис. 4) схожа с предыдущей схемой тиристорного преобразователя, за исключением замены элементов последовательно включенных силовых ячеек на IGB – транзисторы, а также применения специального многообмоточного трансформатора. Использование в ячейках модулей IGBT с номинальным напряжением 1700 вольт позволило уменьшить их количество и повысить общую надежность силовой цепи. Использование для управления 32 битного микропроцессора ( модель Toshiba РР7 ), специально сконструированного для применения в силовой электронике, также уменьшает число компонентов и увеличивает надежность системы управления.
Благодаря использованию на входе многоуровневого трансформатора с вращением фаз вторичного напряжения, коэффициент мощности остается на уровне не менее 0,95. Таким образом, не требуется применения конденсаторных батарей для повышения коэффициента мощности. Преобразователи показывают сохранение коэффициента полезного действия и коэффициента мощности на номинальном уровне при регулировании частоты выходного напряжения до 30% от номинальной частоты. КПД преобразователя частоты TMdrive составляет около 98%, а диапазон регулирования выходной частоты 1 : 50.
Критерии правильного выбора
Специалистам нашей компании часто приходится сталкиваться с вопросами клиентов вроде “ А какова стоимость вашего высоковольтного преобразователя в исчислении рублей за киловатт? “. Подобный вопрос может поставить в тупик специалиста любого уровня. Во-первых, подобная “удельная стоимость” сильно разнится в зависимости от номинальной мощности модели инвертора, например стоимость ВПЧ на 500 кВт в подобном исчислении в несколько раз больше, чем “удельная стоимость” преобразователя на 2 МВт. Во-вторых, как именно подсчитывать “удельную мощность”, если один высоковольтный преобразователь управляет группой насосов (ВПЧ TMdrive, в котором реализован так называемый синхронный байпас, может поочередно разгонять и останавливать любой двигатель из группы в 8 насосов)? Суммировать мощности насосных агрегатов и делить на стоимость преобразователя? В-третьих, каким образом при подобном подсчете будут учтены технические возможности преобразователя или его характеристики по надежности и ремонтопригодности? Заложено ли сюда гарантийное и сервисное обслуживание? Кроме того, многие производители ВПЧ вольно или невольно лукавят, включают в “удельную стоимость” только стоимость самого преобразователя частоты, забывая, что возможность его использования без синус - фильтра или фильтра гармоник весьма сомнительна.
В любом случае, выбор за Вами, и мы надеемся, что он будет правильным!