Современные промышленные высоковольтные преобразователи частоты - Chastotnik.pro

Аннотация. Авторы анализируют структуры и конструктивные особенности высоковольтных преобразователей частоты отечественных и зарубежных разработчиков. Приведен краткий анализ схем и элементов преобразователей частоты: многофазных трансформаторов, силовых ячеек, выполненных на запираемых тиристорах и биполярных транзисторах с изолированным затвором, фильтров. Производится сравнение форм выходных напряжений для преобразователей частоты различных типов. Сделан анализ перспектив развития высоковольтных преобразователей частоты.

Ключевые слова: высоковольтный преобразователь частоты, высоковольтный частотно-регулируемый электропривод, двухтрансформаторная схема, инвертор, многоуровневый преобразователь, многообмоточный трансформатор, силовая ячейка.

Современные технологии автоматизации технологических процессов базируются в значительной степени на частотно-регулируемом электроприводе. В последнее время заметно возрос интерес к внедрению частотного регулирования мощных высоковольтных асинхронных и синхронных электродвигателей. Такие электродвигатели широко используются при трубопроводном транспорте нефти и нефтепродуктов, для перекачки воды, в металлургической и нефтехимической промышленности. В данной статье авторы анализируют характеристики и конструкции высоковольтных частотных преобразователей (ВЧП) различных отечественных и импортных производителей, опираясь на литературные источники.

Во многих работах [1, 5] рассмотрены структурные схемы и топология ВЧП.

Так, можно выделить такие структуры ВЧП, как двухтрансформаторная схема с низковольтным инвертором (рис. 1) и многоуровневые преобразователи (рис. 2).

В настоящее время круг рациональных технических решений для различных схем и видов ВПЧ с автономными инверторами тока (АИТ) и напряжения (АИН) в целом определился, но процесс их совершенствования непрерывно продолжается в связи с появлением новых силовых полупроводниковых элементов. В литературных источниках анализируется продукция таких фирм, как ABB, Siemens, Allen-Bradley, Toshiba, Mitsubishi, Robicon, Ansaldo, Alstom, ESTEL, GE, Hyundai и других. Например, ЗАО «Автоматизированные Системы и Комплексы» завершают пусконаладочные работы на главных электроприводах 24 магистральных насосных агрегатов на первом участке нефтепровода «Восточная Сибирь Тихий океан». Электроприводы выполнены на основе преобразователей частоты

(ПЧ) АВВ АСS6000 (3,1 кВ/3,3 кА) и синхронных электродвигателей с бесщеточным возбуждением АВВ АМS900 (14,5 МВт).

Топология и принципы управления инверторами в настоящее время определяются современными силовыми полупроводниковыми элементами нового типа (IGBT, GTO, IGCT, SGCT), а также различными видами ШИМ (широтно-импульсной модуляции). Например, ШИМ со «слежением» (релейного типа), программная ШИМ с избирательным подавлением высших гармоник, многоуровневая ШИМ, ШИМ в комбинации с амплитудно-импульсной модуляцией и другие.

Стремление получать на выходе инверторов ток и напряжение для питания электродвигателя с меньшим количеством гармонических составляющих, определило, по мнению авторов, несколько подходов производителей к построению инверторов [1]. Например, известны инверторы с тремя уровнями напряжения (3-level) и коммутацией в «звезду» (с фиксированной нулевой точкой или фиксированной нейтралью (Neutral-Point Clamped – NPC)), либо с четырьмя уровнями напряжения (4-level). Следующим шагом в улучшении формы выходного напряжения инверторов является выполнение их многоуровневыми (multi–level). ВПЧ с такими инверторами в различных модификациях выпускают Robicon, Toshiba, Mitsubishi Electric, GE. В этом случае наиболее сложным элементом ВПЧ является входной трансформатор (рис. 3).

В работе [1] сформулированы направления работ, необходимых для создания надежных высоковольтных электроприводов с регулируемой выходной частотой. Это обеспечение электромагнитной совместимости автономного инвертора с асинхронным двигателем и системой электроснабжения; обеспечение соответствия показателей качества электроэнергии действующим стандартам; оптимизация параметров высоковольтных вентилей, состоящих из последовательно соединенных нескольких силовых полупроводниковых приборов нового поколения; диагностика вентильного оборудования преобразователя, обеспечивающая превентивный контроль силовой схемы; совершенствование функций микропроцессорного контроллера; совершенствование тест-контроля элементов оборудования и выходного контроля преобразователей частоты; стимулирование применения новых конструкционных материалов, оптоэлектроники, совершенствование системы охлаждения силовых полупроводниковых приборов.

АВС Холдинг сообщает о разработанных высоковольтных преобразователях частоты серии АВS−DRIVE для регулирования скорости асинхронных и синхронных электродвигателей, удовлетворяющих самым жестким требованиям стандарта IEEE 519 1992 относительно гармонического искажения тока и напряжения. Преобразователи частоты ABS-DRIVE рассчитаны на работу с синхронными и асинхронными электродвигателями мощностью до 5 000 кВт и наиболее эффективны при работе на низких скоростях.

Структурно частотные преобразователи состоят из интегрированного входного трансформатора, секций силовых ячеек и секций микроконтроллерного оборудования. На напряжения 6 и 6,6 кВ используются 15, 18 или 21 ячейка, соединенные последовательно по 5, 6 или 7 штук в каждой фазе. На напряжения 10 и 11 кВ используются 24 или 27 ячеек, соединенных последовательно по 8 или 9 штук в каждой фазе. Благодаря использованию многообмоточного входного трансформатора и "многоячеистой" структуре силовой схемы потребляемый преобразователем частоты ток имеет практически синусоидальную форму ([1], рис. 4), что отвечает требованиям ГОСТ 13109-97 к качеству сети и ГОСТ Р 51524-99 по электромагнитной совместимости, при этом коэффициент электрической мощности превышает 95 % во всем скоростном диапазоне без использования внешних конденсаторов. Кроме того, не происходит перегрузки по реактивной мощности питающих линий, выключателей и трансформаторов. Приводы ABS-DRIVE предотвращают "перекрестные искажения", возникающие в результате взаимодействия с другими преобразователями частоты, выпрямительными устройствами и так далее, подключенными к той же сети электроснабжения.

Высоковольтные многоуровневые преобразователи частоты (ПЧВМ) фирмы ЗАО «ЭЛЕКТРОТЕКС» предназначены для бесступенчатого регулирования скорости асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором различных приводных механизмов (рис. 2). В состав преобразователя частоты серии ПЧВМ входит входной сухой многообмоточный трансформатор, многоуровневый высоковольтный преобразователь частоты и шкаф управления и защиты. Управление двигателем скалярное – по характеристике U/f, задаваемой 8 точками. Регулирование прямое частотное или ПИД-регулирование. Заявлены следующие преимущества: подключение напрямую к сети 6000 В; высокий коэффициент мощности (0,95) во всем диапазоне скоростей; КПД не менее 0,98; синусоидальная форма входного и выходного тока и напряжения; исключена установка дополнительных дорогостоящих входных и выходных фильтров; реализуется функция «подхвата» при глубоких и длительных снижениях напряжения в сети электроснабжения.

Высоковольтные частотные преобразователи PowerFlex 7000 производит Rockwell Automation для управления высоковольтными асинхронными и синхронными двигателями напряжением 2,4…10,0 кВ в диапазоне мощностей 250…24000 кВт.

Высоковольтные частотно-регулируемые приводы HYUNDAI серии N5000 предназначены для плавного пуска и регулирования скорости вращения асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором мощностью 155…3930 кВт с номинальным напряжением 3, 6 и 10 кВ. Данные преобразователи оборудованы полным векторным контролем. Векторное регулирование позволяет управлять двигателем, когда нет четкой зависимости между моментом на валу и скоростью вращения. Этот метод управления позволяет получить расширенный диапазон регулирования частоты при номинальных моментах или даже при кратковременных перегрузках до 150-200 % от номинального момента. Следует отметить, что векторный метод работает оптимально, если введены правильно паспортные величины двигателя и успешно прошло его автотестирование. Векторный метод реализуется путем сложных расчетов, производимых микропроцессором с использованием информации о выходном токе, частоте и напряжении. В инверторе используются биполярные транзисторы с изолированным затвором (БТИЗ или IGBT) с многоуровневой ШИМ-модуляцией и минимальным коэффициентом гармоник (менее 4 %).

В работах [3, 4, 5] приводятся результаты исследований электромагнитных процессов при переключениях в высоковольтных тиристорных инверторах. Предлагаются способы защиты от перенапряжений при коммутациях.

Общие вопросы теории регулируемого электропривода различных механизмов рассмотрены в работах [1, 3, 4].

Опыт применения, как высоковольтных частотных преобразователей, так и преобразователей низкого напряжения рассмотрен в работах [2, 4]. В основном, в приведенных источниках рассматриваются вопросы энергосбережения. Отмечается, что современные преобразователи частоты позволяют анализировать пусковые и рабочие характеристики электродвигателя, отслеживать изменения в работе исполнительных механизмов в течение срока их эксплуатации, что значительно увеличивает ресурс работы электродвигателей и исполнительных механизмов в целом. В работе [4] изложены положительные результаты опытной эксплуатации преобразователя частоты МИР ПЧ-01 в МУП «Теплокоммунэнерго», г. Омск.

Обзор современного российского рынка преобразователей частоты для электропривода приведен в работах [3, 4]. В странах СНГ производителями высоковольтных преобразователей являются ОАО «Электровыпрямитель», «Триол», Estel Pluss AS.

ОАО «Электровыпрямитель» выпускает новую серию высоковольтных преобразователей частоты, выполненных по двухтрансформаторной схеме с использованием низковольтных ПЧ «Омега». Входной трансформатор преобразует входное напряжение (3 фазы, 6000 В) в пониженное выходное напряжение (3 фазы, 380 В). Силовая часть ПЧ реализована на современных IGBT и диодно-тиристорных модулях, выпускаемых ОАО «Электровыпрямитель». Серия частотно-регулируемых электроприводов РЭН2В на базе двухтрансформаторной схемы (мощность – 160…3200 кВт) предназначена для регулирования частоты вращения асинхронных и синхронных двигателей с напряжением питания 3, 6, 10 кВ. Преобразователи частоты комплектуются входным (сетевым) понижающим и выходным повышающим трансформаторами. Для наращивания мощности преобразователей РЭН2В использовано параллельное соединение группы низковольтных преобразователей. В преобразователях РЭН2В полностью решены специфические вопросы управления и защиты высоковольтной части, равномерного распределения нагрузки между группой низковольтных преобразователей, работы на трансформаторную нагрузку.

Электроприводы с использованием ПЧ Триол АТ09 предназначены для управления мощными производственными механизмами (400 - 2500 кВт), оснащенными высоковольтными асинхронными двигателями. Электроприводы Триол АТ09 выполнены по двухтрансформаторной схеме и в них реализованы оптимизированные алгоритмы высокочастотного ШИМ-управления.

Новое поколение ПЧ Estel Pluss AS для высоковольтного асинхронного и синхронного электропривода содержит три фазные секции, соединенные по схеме «звезда». В каждой секции последовательно включены силовые модули, образующие функциональные узлы выпрямителя и инвертора. Питание каждой секции осуществляется от вторичных обмоток трансформатора, первичным напряжением которого является питающая высоковольтная сеть. Входной выпрямитель работает в режиме ШИМ-преобразования. Инвертор работает в режиме ШИМ-синуса, формируя на выходе практически синусоидальный ток.

На основе анализа известных схем ПЧ авторы статьи [5] считают, что особый интерес представляет «двухтрансформаторная» схема, содержащая последовательно включенные элементы: понижающий трансформатор – низковольтный выпрямитель - инвертор - повышающий трансформатор - электродвигатель. Основным преимуществом подобного решения является возможность применять стандартное оборудование, серийно выпускаемое большим количеством отечественных предприятий. Однако диапазон регулирования двухтрансформаторных схем ограничен соотношением (1:2), поскольку обычные трансформаторы плохо работают на низкой частоте (данный диапазон достаточен для регулирования электроприводов насосов и вентиляторов).

Из отечественных разработок нужно выделить преобразователи ПЧСВ, ПЧСН и ПЧИТ инженерной компании «Технорос» (Санкт-Петербург). Высоковольтные тиристорные преобразователи частоты серии ПЧСВ (рис. 5) предназначены для регулирования частоты вращения механизмов с приводными синхронными двигателями напряжением 6 и 10 кВ и мощностью от 1 до 10 МВт. ПЧСВ построен по схеме вентильного двигателя и включает в себя высоковольтный выпрямитель, инвертор, ведомый сетью и сглаживающий дроссель (ДС) в звене постоянного тока.

Преобразователи частоты тиристорные серии ПЧИТ (рис. 6) предназначены для плавного пуска, торможения и регулирования частоты вращения асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором, управляющих механизмами в различных отраслях промышленности. Данный тип преобразователя частоты обеспечивает частотное управление скоростью двигателя, активное торможение двигателя с рекуперацией энергии в питающую сеть.

Рис. 5. Высоковольтный тиристорный преобразователь частоты серии ПЧСВ инженерной компании «Технорос»:

ВВ – высоковольтный выключатель ячейки КРУ; РТ – реактор токоограничивающий;

Рис. 6. Преобразователь частоты тиристорный серии ПЧИТ инженерной компании «Технорос»:

В – управляемый трехфазный мостовой выпрямитель; АИ – трехфазный мостовой автономный инвертор тока с отсекающими диодами; ДН, ДТ – датчики напряжения и тока; Др – сглаживающий дроссель; РС – регулятор скорости; П1 – преобразователь (устройство) измерения векторов тока и потока двигателя; П2 – преобразователь (устройство) измерения амплитуды Ф и частоты вращения вектора потока; РТ – регулятор тока;

Анализируя приведенную литературу можно сделать следующие выводы:

1. Из приведенных публикаций следует, что в настоящее время большинство ВЧП имеют типовые структуры с инверторами тока или напряжения;

Литература

1. Лазарев Г.Б. Высоковольтные преобразователи для частотно-регулируемого электропривода. Построение различных систем // Новости электротехники.

Статья опубликована в электронном научном журнале «Нефтегазовое дело», 2011, № 3 http://www.ogbus.ru