Высоковольтные преобразователи частоты - Chastotnik.pro

project@shinoprovod.ru
Перейти к контенту
ПЧ и УПП > Терминология
Высоковольтные ПЧ
Высоковольтный преобразователь частоты
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.
Двухтрансформаторная схема преобразователя частоты
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.
Схема 12-ти пульсного преобразователя частоты
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
Типовая схема транзисторного преобразователя 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.
Назад к содержимому