Номера

2017

2016

2015

2014

2013

2012

2011

2010

2009

2008

2007

2006

Главная / №6 (24) Ноябрь-Декабрь 2008 / Тема номера

Высоковольтные ПЧ-компании INVT

В сфере промышленной автоматизации уже давно используются низковольтные преобразователи частоты (НВПЧ) для регулировки скорости вращения асинхронных электродвигателей с напряжением питания до 690 В. Ни для кого не секрет, что их использование дает ряд преимуществ: экономия электроэнергии, увеличение срока службы двигателей и исполнительных механизмов, отсутствие пиковых токов при запуске двигателей и т.д. Все эти преимущества доступны и при использовании высоковольтных преобразователей частоты (ВВПЧ) на напряжения от 3 до 10 кВ.

В настоящей статье мы хотим познакомить российского потребителя с ВВПЧ производства компании INVT (Китай).

В основу ВВПЧ положен тот же принцип, что и в НВПЧ: выпрямление переменного напряжения в звене постоянного тока с последующей его коммутацией на нагрузку.

С входа НВПЧ переменное напряжение через трехфазный выпрямительный мост поступает на конденсаторную батарею, служащую для накопления заряда, а также являющуюся сглаживающим фильтром. Напряжение с конденсаторов поступает на вход трехфазного полностью управляемого моста, собранного на IGBT-транзисторах. Изменяя свое состояние, транзисторы формируют на выходе НВПЧ сигнал с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ). В случае НВПЧ этот сигнал, представляющий собой синусоиду с примесью гармоник, подается на обмотки асинхронного электродвигателя.

Отличие структуры ВВПЧ от структуры НВПП вызвано тем, что напряжение, которое может коммутировать IGBT-транзистор, как правило, не превышает 1 кВ. Поэтому приходится искать альтернативные решения.

На данный момент для управления скоростью вращения высоковольтных двигателей применяется два типа преобразователей:

  1. ВВПЧ, построенный по двухтрансформаторной схеме с низковольтным звеном постоянного тока.
  2. ВВПЧ, построенный по схеме с многообмоточным фазосдвигающим трансформатором.

ВВПЧ, построенный по двухтрансформаторной схеме, представляет по сути обычный НВПЧ и два трансформатора напряжения: понижающий и повышающий (см. рис. 1). Основное и, в общем, единственное преимущество этого типа — простота.

При этом у него имеется ряд существенных недостатков:

  1. Низкий КПД, вызванный рассеиванием мощности на трансформаторах.
  2. Ограниченный диапазон регулирования — от номинальной скорости до половины номинальной скорости вращения двигателя. Это ограничение вызвано использованием повышающего трансформатора. При снижении выходной частоты возрастает насыщение сердечника. При увеличении выходной частоты растут потери в сердечнике на перемагничивание и вихревые токи.
  3. Высокий уровень пульсаций выходного напряжения ограничивает максимально допустимое расстояние от ПЧ до двигателя, а также является причиной высокого уровня электромагнитных помех, которые могут вызывать сбои в работе измерительного оборудования. Высокий уровень пульсаций выходного напряжения обусловлен тем, что ПЧ в своей основе имеют двухуровневую ШИМ. Понизить пульсации помогает установка синусного фильтра между выходом ПЧ и повышающим трансформатором, что приводит к существенному удорожанию системы.
  4. Еще один недостаток такой схемы — невысокая надежность. Выход из строя любого IGBT-транзистора приводит к неработоспособности всего преобразователя.

Типовая схема ВВПЧ с многообмоточным трансформатором представлена на рис. 2. 

ПЧ такого типа основан на использовании каскадного включения низковольтных ячеек (580 В), которое дает на выходе высокое напряжение. Каждая ячейка построена по тому же принципу, что и НВПЧ, и содержит звено постоянного тока.

Конструктивно ВВПЧ состоит из четырех модулей:

Первый модуль в простейшем случае представляет собой вводной вакуумный контактор.

Второй модуль — многообмоточный трансформатор, вторичные обмотки которого электрически сдвинуты относительно друг друга. Эти обмотки являются независимыми источниками переменного напряжения (580 В) для низковольтных ячеек.

Использование многообмоточного фазосдвигающего трансформатора обеспечивает более сглаженное потребление электроэнергии, снижает уровень гармоник и улучшает cos(φ).

Третий модуль — набор низковольтных ячеек. Структура такой ячейки (см. рис. 3) полностью совпадает со структурой НВПЧ. Каждую ячейку можно рассматривать как независимый источник управляемого напряжения. Эти источники соединяются последовательно в звенья, формируя фазы выходного напряжения. Чем больше необходимое выходное напряжение, тем больше количество звеньев в цепи. Получившиеся три фазы выходного напряжения подключаются по схеме «звезда».

Четвертый модуль — система мониторинга и управления.

Использование многозвенной структуры при формировании фазы высоковольтного напряжения и определяет форму выходного сигнала (см. рис. 4). Из рисунка видно, что выходное напряжение формируется ступенчато, а не двухуровневым ШИМ-сигналом, как это происходит в НВПЧ. При этом суммарное время, в течение которого каждая ячейка находилась во включенном состоянии за период, одинаково для всех ячеек.

Изображенный на графике сигнал также называют многоуровневым синусоидальным ШИМ-сигналом. Его отличительной особенностью является низкий уровень гармоник, причем уровень гармоник тем меньше, чем больше количество звеньев (низковольтных ячеек) в цепи, формирующей выходную фазу. Это объясняется тем, что уровень гармоник определяется амплитудой и скоростью нарастания прямоугольного импульса.

А для многоуровнего ШИМ эта амплитуда составляет только часть амплитуды синусоидального высоковольтного сигнала. Таким образом, на выходе ВВПЧ, построенного по схеме второго типа, получается практически чистая синусоида, что снимает ограничение на расстояние между ПЧ и двигателем.

ВВПЧ производства компании INVT представлены серией частотных преобразователей CHH, и поскольку эта серия построена по схеме с многообмоточным трансформатором, то она вобрала в себя все достоинства этой схемы.

Конструктивно ВВПЧ реализован в виде ряда электрошкафов, на одном из которых размещены панель управления и сенсорный экран. Система управления преобразователем построена на базе цифрового сигнального процессора, а связь с исполнительными механизмами (низковольтными ячейками) осуществляется по оптоволоконной линии связи. Это обеспечивает электрическую изоляцию управляющих сигналов и предотвращает влияние на них электромагнитных помех.

На сенсорном экране отображается вся информация о состоянии преобразователя и выводятся все сообщения о возникших неисправностях.

Система управления преобразователем позволяет автоматически поддерживать на заданном уровне выходное напряжение, даже при сильных флуктуациях входного напряжения.

ВВПЧ производства компании INVT обладают высокой надежностью благодаря автоматическому байпасу неисправной ячейки. При выходе из строя одной из ячеек она шунтируется таким образом, что напряжение на каждой фазе падает симметрично. Падение напряжения не превышает 8% от номинального, что позволяет продолжить работу до замены неисправной ячейки. Все ячейки однотипные и имеют легкий доступ, поэтому оперативная замена не представляет сложности.

В преобразователях серии CHH предусмотрена также схема внешнего байпаса, которая обеспечивает практически мгновенное переключение двигателя на питание от сети при выходе из строя ВВПЧ.

Ниже приведены некоторые технические характеристики преобразователей серии CHH:

  • номинальное входное напряжение: 3/6/10 кВ; 
  • диапазон мощностей: 375-4000 кВА;
  • номинальный ток: 36-370 A; 
  • диапазон выходных частот 0-120 Гц;  
  • диапазон рабочих температур -10°C ∼ +40°C. 

Срок поставки частотных преобразователей CHH составляет 12 рабочих недель. Гарантийный срок — 24 месяца с момента ввода в эксплуатацию.

Области применения: химическая промышленность, нефтегазовая промышленность, сталелитейная промышленность, водоснабжение.

Помимо высоковольтных ПЧ, компания INVT производит и низковольтные частотные преобразователи для широкого применения, а также серии для специальных применений:

  • горно-шахтное оборудование 690/ 1140 В (в том числе во взрывозащищенном исполнении);
  • насосное оборудование — частотное регулирование до 4 двигателей;
  • энергосберегающие шкафы с классом защиты IP54 для термопласт-автоматов;
  • перемоточное оборудование — контроль натяжения;
  • подъемно-транспортное оборудование;
  • высокоскоростные преобразователи для шпиндельных двигателей.

Дмитрий САЯПИН,
ведущий специалист
по электроприводам
ООО «ПневмоЭлектроСервис».