Высоковольтный преобразователь напряжения (ВЧРП)

Асинхронные и синхронные электродвигатели составляют значительную часть электрических машин, имеющихся во всех отраслях промышленности, сельского и городского хозяйства. Двигатели применяют в качестве приводов подъемников, насосных агрегатов, дробилок и другого оборудования.

Частотное регулирование скорости вращения вала и момента позволяет значительно уменьшить потребление электроэнергии, отказаться от задвижек, заслонок, редукторов и других механических приспособлений, снизить пусковые токи, а также обладает рядом других преимуществ.

Наиболее значительный экономический эффект от частотно-регулируемого привода достигается именно при мощности двигателей от 250 кВт и выше на напряжение 6 или 10 кВ. Рассмотрим основные типы преобразователей частоты свыше 1000 В.

Виды высоковольтных частотников

Преобразователи частоты различают по элементной базе, наличию понижающего и повышающего трансформатора на входе и выходе. Устройства имеют различную топологию, реализованы на различных полупроводниковых приборах.

Двухтрансформаторный преобразователь частоты

До появления высоковольтных полупроводниковых элементов, рассчитанных на значительные токи, преобразователи частоты выше 1 кВ строились на базе двухтрансформаторной схемы.

Оборудование состоит:

• Из входного трансформатора 6-10 кВ / 0,66-0,4 кВ.
• Из частотного преобразователя на 660 или 400 В.
• Из синусного фильтра.
• Из выходного повышающего трансформатора 0,66-0,4 кВ/6-10 кВ.

Сетевое напряжение 6 или 10 кВ, проходя через силовой трансформатор, снижается до 400 или 660 В и поступает на низковольтный ПЧ. Устройство изменяет частоту до заданной величины. Далее напряжение поступает на синусовый фильтр, где сглаживаются электромагнитные помехи, затем на выходной трансформатор 0,66-0,4 кВ/6-10 кВ, далее на высоковольтный двигатель.

В такой схеме используется относительно недорогой низковольтный преобразователь частоты. К достоинствам устройств относятся:

• Возможность выбора питающего напряжения электродвигателя в диапазоне от 6-10 кВ и ниже.
• Отсутствие гармоник высокой частоты.
• Возможность работы в сетях со значительными перепадами напряжения благодаря гальванической развязке цепей.

Допускается также размещение входного и выходного трансформатора на значительном расстоянии от преобразователя частоты.

Двухтрансформаторная схема имеет свои недостатки. Главный минус – значительные габариты и вес. В выходной цепи преобразователя такой конструкции возникают пиковые перенапряжения амплитудой до 1,5 кВ с частотой следования до 20 кГц. Для защиты изоляции первичной обмотки требуется сглаживание высокочастотных составляющих. Это достигается установкой синусного фильтра – устройства со значительными габаритами. Кроме того, высокие токи в низковольтной части требуют разводки кабелями с более толстыми жилами, что дополнительно увеличивает размеры преобразователя.

Диапазон регулировки частоты напряжения таких устройств также ограничен. При снижении частоты или увеличении частоты, уменьшается коэффициент мощности. Для его повышения используют магнитопровод увеличенного сечения, дополнительные конденсаторы. Элементы усложняют схему, увеличивают стоимость и габариты ПЧ.

Тиристорные преобразователи частоты на напряжения выше 1000 В

Схемы на базе тиристорных ключей широко применяют в частотно-регулируемом электроприводе. Главное достоинство устройств – способность выдерживать высокий ток и невысокая цена элементной базы. Тиристоры проводят ток в несколько раз больше номинального без разрушения структуры полупроводниковых кристаллов.

На практике применяется несколько схем ПЧ выше 1 кВ на тиристорах.

Высоковольтные преобразователи частоты позволяют управлять скоростью и моментом на валу двигателя, осуществлять торможение в динамическом режиме. Оборудование с прямой связью с сетью позволяет передавать электроэнергию обратно в сеть при снижении скорости ротора.

К недостаткам относятся:

• Значительная реактивная мощность до 1,5 раза больше номинальной.
• Ограниченный пусковой момент.
• Сильные электромагнитные помехи.
• Относительно низкая скорость переключения тиристоров.

Для снижения негативного воздействия нужна установка дорогостоящих фильтров ЭМИ. Кроме того, значительная реактивная составляющая требует увеличения сечения жил питающих силовых кабелей и мощности трансформатора.

Сфера применения таких устройств – приводы мощного оборудования с высокими требованиями к надежности.

Транзиторные высоковольтные преобразователи частоты с многообмоточными трансформаторами

Многоуровневые схемы на базе нескольких силовых ячеек – самые распространенные схемы современных частотных преобразователей. Устройства такой конструкции представляют собой трансформатор с несколькими обмотками и последовательно включенными силовыми ячейками «выпрямитель – звено постоянного тока-инвертор».

Количество ячеек зависит от требований к форме выходного напряжения. Чем чище должен быть «синус», тем больше количество элементов задействовано. Самые распространенные топологии – 36- 48- 54-пульсные с соответствующим количеством силовых модулей.

Каждая ячейка представляет собой схему, состоящую:

• Из выпрямителя на диодах или тиристорах.
• Из звена постоянного тока с индуктивным и емкостным элементом.
• Из транзисторного инвертора.

Таким образом, в каждом модуле осуществляется преобразование частоты до заданного значения. Синхронизацию работы ячеек осуществляет схема управления, результирующее напряжение на выходе имеет заданную амплитуду и частоту.

Высоковольтные преобразователи такой конструкции:

• Имеют высокий к.п.д. (до 98%) и коэффициент мощности (до 0,95).
• Обеспечивают широкий диапазон регулирования частоты вращения вала, как в большую, так и в меньшую сторону.
• Обладают высокой ремонтопригодностью, при необходимости поломанный элемент легко заменить.
• Не требуют установки фильтров, входная цепь и сеть гальванически разделены, форма напряжения на выходе максимально приближенна к синусоидальной.

Преимущества схемы с многообмоточным трансформатором можно оценить, изучив приведенную таблицу.

	Схема 2 трансформаторами с частотным преобразователем до 1000 В.	ПЧ с многообмоточным трансформатором.
Коэффициент полезного действия	От 86 до 90% благодаря потерям на 2 трансформаторах и синусовом фильтре.	От 96,5 до 98%, отсутствие потерь в двигателе от высших гармоник.
Интервал регулирования	Ограничен nном>n>0,5nном в большую и меньшую сторону за счет увеличения насыщения сердечника выходного трансформатора на низкой частоте и высоких потерях в сердечнике на высокой частоте.	Во всем диапазоне.
Размеры	Больше, за счет 2 трансформаторов, кабелей с жилами большого сечения, сердечника выходного трансформатора больших габаритов.
Наличие выходного (синусного) фильтра	Требуется.	Не требуется.
Составляющая высших гармоник	5-10% в зависимости от параметров выходного фильтра.	Не больше 4 %.
Устойчивость к колебаниям напряжения сети	Не более 10% в большую и меньшую сторону. При изменениях напряжения выше предела преобразователь отключается.	Допустимы колебания питающего напряжения до 15-20%, в отдельных случаях до 30%.
Допустимые отклонения частоты напряжения на входе	±2% (49-51 Гц).	±10% (45-55 Гц).
Допустимая длина кабеля двигателя	Ограничена из-за высших гармоник	Допустимо подключение кабелем более 15 м.

Вывод

Наиболее совершенны по характеристикам – высоковольтные многоуровневые преобразователи частоты на базе многообмоточного трансформатора и транзисторных силовых ячеек. ПЧ такой конструкции обеспечивает высокое качество напряжения на выходе и высокую надежность за счет возможности шунтирования неисправных ячеек и функции прямого подключения двигателя к сети при выходе частотного преобразователя из строя.