ПЧ и УПП > Терминология
Высоковольтные ПЧ
Рис. 1. Высоковольтный преобразователь частоты
Среди средств автоматизации высоковольтные преобразователи частоты занимают отдельный сегмент. В России большая часть асинхронных электрических машин мощностью от 250 до 8000 кВт эксплуатируется на высоковольтном напряжении 6000 В и 10 000 В. Очевидным является то, что наибольший энергосберегающий эффект достижим на оборудовании именно с такими электродвигателями.
Существует три основные типа высоковольтных преобразователей частоты:
1. Двухтрансформаторная схема высоковольтного преобразователя частоты
Особенность двухтрансформаторной схемы заключается в следующем: напряжение питающей сети сначала понижается, затем преобразовывается в напряжение необходимой частоты, а после повышается и подается на вход электродвигателя.
Такая схема дает возможность применять недорогой низковольтный ПЧ.
Принцип работы высоковольтного преобразователя частоты построенного по двухтрансформаторной схеме:
Входной трансформатор понижает напряжение сети и подает его на вход низковольтного ПЧ. После чего, с помощью повышающего трансформатора, напряжение повышается, до нужной величины но уже с требуемым значением частоты.
Данный тип высоковольтных частотных преобразователей отличается относительно низкой стоимостью и простотой применения. А среди основных достоинств данной схемы следует отметить следующие:
- гибкость при выборе питающего напряжения двигателя (2-10 кВ);
- гальваническая изоляция системы благодаря наличию трансформаторов;
- отсутствие высокочастотных составляющих тока, воздействующих на обмотку электродвигателя;
- отсутствие подшипниковых токов благодаря фильтру и гальванической изоляции;
- возможность работы в «плавающих» сетях;
- возможность размещения трансформаторов на удалении от преобразователя частоты.
Для снижения искажений на выходе преобразователя частоты, при больших мощностях, необходимо применять синусоидальный фильтр, который является достаточно дорогим и сложным устройством. Также высокие токи обязывают применять кабеля большого сечения кабеля, что в свою очередь существенно увеличивает и массу, и габариты.
Также преобразователи, выполненные по этой схеме, имеют ограниченный диапазон регулирования частоты на выходе преобразователя.
Уменьшение частоты значительно снижает КПД преобразователя, т.к. с уменьшением частоты происходит увеличение насыщения сердечника выходного трансформатора. На практике диапазон регулирования ограничен в пределах nном>n>0,5nном. Используя трансформаторы с увеличенным сечением магнитопровода можно увеличить диапазона регулирования, однако это увеличивает стоимость и массогабаритные характеристики.
При увеличении частоты увеличиваются потери в сердечнике выходного трансформатора. При этом для корректировки Cos φ, входной трансформатор Т1 дополнительно потребует использования конденсатора.
Таким образом недостатками двухтрансформаторной схемы являются:
- необходимость установки дорогостоящего синусоидального фильтра
- необходимость использования кабелей большого сечения.
- Относительно узкий диапазон регулирования: nном>n>0,5nном
У различных производителей ряд мощностей подобной схемы ограничивается максимально мощностью 500 – 1 000кВт.
2. Схема преобразователя частоты с последовательным включением электронных ключей.
Данный тип преобразователей также называют тиристорными. На рис.3. представлена типовая схема 12-пульсного преобразователя.
В состав преобразователя входит:
- понижающий трансформатор Т1, в котором происходит преобразование выходного напряжения 6-10 кВ на 2 или 3 группы напряжения 1- 3 кВ
- диодные выпрямители ДВ, для выпрямления напряжения
- звено постоянного тока ЗПТ, обеспечивающее сглаживание напряжения
- тиристорный инвертор ТИ, для получения требуемого выходного напряжения.
Напряжение на выходе тиристорного инвертора весьма далеко от синусоидальной формы. Поэтому обязательно требуется наличие синусоидального фильтра.
Рис. 3. Схема 12-ти пульсного преобразователя частоты.
Такая схема нашла широкое применение в высоковольтных частотных преобразователях большой мощности
Достоинства схемы преобразователя частоты с последовательным включением электронных ключей
- наилучшие массогабаритные показатели по сравнению с другими типами высоковольтных преобразователей ,
- возможность регулирования частоты в диапазоне 0…300 Гц,
- Высокий КПД - до 97,5%.
Недостатки схемы преобразователя частоты с последовательным включением электронных ключей
- сложность согласования совместной работы электронных ключей,
- большие значения высших гармоник,
- необходимость применения синус-фильтра.
3. Транзисторные преобразователи частоты
Рис.4. Типовая схема транзисторного преобразователя частоты.
Данный тип высоковольтных преобразователей частоты по своим характеристикам схож со схемой тиристорного преобразователя. Отличительной особенностью является наличие силовых ячеек на IGB-транзисторах, а также применения многообмоточного трансформатора.
На входе преобразователя используется специальный многоуровневый трансформатор, обеспечивающий высокий коэфффициент мощности (не менее 0,95) и не требующий применения дополнительных конденсаторов.
Достоинства
- высокое качество выходного напряжения («чистый синус»)
- отсутствие выходного трансформатора
- высокий КПД (около 98%)
- отсутствие высших гармоник
- высокое значение коэффициента мощности
- широкий диапазон регулирования выходной частоты 1 : 50.
Недостатки
- большие габариты
- сложность в эксплуатации.
Сравнение двухтрансформаторной схемы с низковольтным частотным преобразователем и преобразователя частоты с многообмоточным трансформатором
Характеристика | Двух-трансформаторная схема с низковольтным ПЧ | Преобразователь частоты с многообмоточным трансформатором* |
КПД | 86 – 90% с учетом потерь на двух трансформаторах и фильтре | от 96,5%, отсутствие потерь в двигателе от высших гармоник |
Регулирование | ограниченный диапазон регулирования частоты вращения двигателя как сверху, так и снизу от номинальной частоты nном>n>0,5nном | Во всем диапазоне |
Габариты | Больше, но трансформаторы могут находиться на удалении от преобразователя частоты. Разводка низковольтной части преобразователя требует кабелей большого сечения с большими радиусами гиба, что увеличивает массогабаритные характеристики и предъявляет дополнительные требования к обустройству кабельных каналов | |
Наличие выходного (синусного) фильтра | обязательно | не требуется |
Наличие высших гармоник | 5-10% в зависимости от фильтров. Искажения выше допустимых ГОСТ (5%), оказывают негативное влияние на кабели и электродвигатель | менее 4 % |
Устойчивость к изменению входного напряжения силовой сети | Не более +10% — — 10%. При скачках напряжения выше указанного предела происходит аварийное отключение преобразователя частоты | Рабочий диапазон +15% … — 20%, в отдельных случаях до -30% |
Устойчивость к отклонению частоты напряжения питающей сети в диапазоне | ±2% (49 — 51 Гц) | ±10% (45 — 55 Гц) |
Ограничения на длину кабеля, ведущего к двигателю | Есть (вследствие наличия высших гармоник) | Практически нет, есть внедрения с длиной кабеля более 15 км |
* Характеристики высоковольтного решения указаны с учетом применения современного преобразователя частоты с многообмоточным трансформатором, на IGBT-транзисторах. Такое решение не требует наличия выходного трансформатора, не разрушает изоляцию двигателя (эффект du/dt) и является наиболее технически совершенным.