Энергосбережение и высоковольтные преобразователи частоты

Последние несколько лет вопрос энергосбережения во многих отраслях промышленности и коммунальном хозяйстве тесно связан с применением преобразователей частоты. Сейчас уже очевидно, что применение управляемого по скорости привода переменного тока, например, для управления насосами или вентиляторами, дает возможность сэкономить значительную часть энергии и ресурсов.

К настоящему времени в нашей стране накоплен большой положительный опыт применения преобразователей для управления асинхронными двигателями с номинальными напряжениями до 400 В. Вместе с тем, в стране существует большая потребность на преобразователи, способные управлять двигателями с более высокими номинальными напряжениями: например, 3, 6 или 10 кВ. Это насосы станций водоснабжения, насосы и компрессоры для перекачки нефти и газа, мощные дробилки и мельницы в горнорудной промышленности и т.д.

Как правило, преобразователи, используемые в подобных установках, должны иметь мощность свыше 500 кВт. Такое оборудование выпускается всего несколькими компаниями в мире. Среди них в нашей стране наиболее известны Siemens, ABB и Allen-Bredley. Основным фактором, сдерживающим потребления данной техники, является высокая цена.

В последнее время появляется информация и о японских высоковольтных преобразователях, среди которых наиболее широко используется продукция фирмы MITSUBISHI ELECTRIC.

MITSUBISHI выпускает ряд моделей, построенных по различным схемам и на основе различных силовых полупроводниковых элементов, включая IGBT-транзисторы и полностью управляемые высоковольтные тиристоры. Напряжение для различных моделей варьируется от 3 до 10 кВ. По техническому уровню данные изделия, как минимум, не уступают продукции Siemens. Есть надежда, что политика более низких, по сравнению с европейскими и северо-американскими, цен на японскую электронику сохранится и для данного типа изделий.

На рисунке 1 показана структура преобразователя одной из моделей MITSUBISHI ELECTRIC.

MELTRAC-F500HV (напряжение 6кВ)

Ниже приведена его краткая характеристика:

• данная модель построена по однотрансформаторной схеме;
• в качестве силовых ключей используются IGBT-транзисторы;
• способ управления: многоуровневая ШИМ.

В настоящее время такая схема является наиболее современной. Она отличается от старых двухтрансформаторных схем более высокими коэффициентом мощности и КПД.

Схема состоит из входного трансформатора, многоуровневого инвертора и системы управления.

Входной трансформатор

Назначение

Входной трансформатор служит для преобразования входного напряжения (3 фазы, 6 кВ) в выходное напряжение (18 фаз, 578 В), которое после выпрямления питает ячейки инвертирования.

Принцип действия

Первичная обмотка трансформатора выполнена таким образом, что при подаче на нее входного напряжения, она создает круговое вращающееся поле.

Вторичные обмотки разделены на три группы по шесть обмоток в каждой. Фазовый сдвиг между соседними обмотками в группе равен 10. Это достигнуто за счет геометрического смещения в пространстве осей обмоток на 10 единиц. Фазовый сдвиг между первой и шестой обмотками группы равен 50, а между первыми и вторичными – 120. Каждая выходная обмотка трансформатора нагружена на выпрямитель своей ячейки инвертирования.

Трансформатор данной конструкции обладает более высоким КПД по сравнению с обычным трансформатором, что позволяет увеличивает КПД преобразователя до 98% на номинальной частоте и нагрузке. На рисунке 2 показано изменение КПД преобразователя (с учетом трансформатора), в зависимости от скорости двигателя.

Кроме того, конструкция входного трансформатора позволяет более равномерно загружать питающую сеть. Характер потребления тока при этом синусоидальный (рис. 3).

Еще одним положительным аспектом использования такого типа преобразователей является то, что они не требуют дополнительных сетевых фильтров для защиты сети от генерируемых ими помех.

Инвертор

Инвертор на каждую фазу состоит из шести ячеек инвертирования, что позволяет осуществлять на обмотке двигателя амплитудную модуляцию по 13 уровням в сочетании с широтно-импульсной модуляцией. Подобная многоуровневая ШИМ позволяет получать практически синусоидальные токи в обмотках и снижает потери в двигателе.

Система управления

Система управления имеет широкий спектр возможностей:

• управление в ручном и автоматическом режиме;
• возможность включения преобразователей в сети со стандартными промышленными протоколами и построение управляющих и мониторинговых систем;
• встроенное ПИД-регулирование параметра (например, давления или температуры);
• полный комплекс защит преобразователя и двигателя;
• и многое другое.

Краткие технические характеристики