Целесообразность применения различных схем преобразователей частоты в зависимости от мощности привода

Основное техническое решения серийных ПЧ – преобразование напряжения сети в переменное напряжение заданной частоты.

Высоковольтный ПЧ, исходя из схемных решений, может представляться в виде:

трехуровнего инвертора напряжения (IGBT, GTO);

многоуровнего инвертоа напряжения (IGBT);

многоуровнего инвертора напряжения с низковольтными ячейками и многообмоточным трансформатором (IGBT, HV-IGBT);

инвертора тока на запираемых тиристорах (GTO и их модификации);

инвертора тока с естественной коммутацией для СД на тиристорах;

2-х трансформаторной схемы включения низковольтного ПЧ.

Работа любого ПЧ существенно влияет на гармонический состав питающей сети, амплитуда и частота которого зависит от пульсности схемы выпрямителя. Если выпрямитель имеет 6-и пульсную схему выпрямления, то необходимо наличие, как минимум, трансформатора или реактора на входе. Для 12-пульсной схемы требуется трансформатор с двумя вторичными обмотками. Этих недостатков лишены ПЧ с активными выпрямителями и многопульсными многоуровневыми инверторами с низковольтными ячейками.

Работа инвертора в ПЧ связана с ШИМ, который влияет на качество выходной синусоиды. Поэтому на многих ПЧ требуется установка выходных синусоидальных LC-фильтров, компенсирующих высшие гармоники. Без них высокочастотные токи неизбежно приведут к перегреву подшипников, локальному перегреву деталей двигателя, пробою изоляции от перенапряжений.

С другой стороны применение синусоидальных фильтров приводит к увеличению цены преобразователя, а так же дополнительным потерям мощности в силовой цепи вследствие падения напряжения, которое составляет от 4 до 6%.

Влияние ШИМ преобразователя на двигатель можно снизить, применив схему с многоуровневыми инверторами. В них пульсации напряжения незначительны по сравнению с амплитудной выходной синусоиды.

Для ПЧ с 6-пульсным выпрямителем на входе обязательно следует установить трансформатор или реактор. Для 12-пульсной схемы преобразователя требуется установка на входе двухобмоточного трансформатора (или двух трансформаторов с разными вторичными обмотками). Выходные LC-фильтр, или dU/dt–фильтр, требуются при использовании серийных двигателей.

Трехуровневый инвертор используется в основном на рабочее напряжение до 4,16кВ. Схема выпрямления обычно многопульсная (пульсность - 12, 18, 24). Обязателен входной трансформатор, который, как правило, не входит в комплект поставки.

Инвертор преобразователя выполнен на IGBT транзисторах класса 17 – 60 или GTO тиристорах. При работе с серийными двигателями на выходе преобразователя требуется установка сглаживающего LC-фильтра. Трехуровневый инвертор выпускается для мощностей от 630кВт до 10МВт.

Многоуровневый инвертор представляет собой расширенную схему трехуровневого инвертора. В последнее время выпускаются ПЧ по схеме многоуровневого инвертора с активным выпрямителем.

Многоуровневый инвертор напряжения с низковольтными ячейками и многообмоточным трансформатором представляет собой последовательный набор нескольких ячеек (уровней). Каждая ячейка имеет собственный выпрямитель и инвертор.

Питание ячеек осуществляется от многообмоточного трансформатора, который входит в состав ПЧ. Пульсность тока сети - 18 и выше. Выходное напряжение содержит меньше высших гармоник по сравнению с трехуровневым инвертором. Выходной LC-фильтр не требуется при работе с любыми серийными двигателями.

Двухтрансформаторная схема с низковольтным ПЧ (Рис 16) является устаревшим техническим решением в связи с низким КПД. Мощность повышающего трансформатора в такой схеме примерно в 1,5-2 раза превосходит мощность двигателя.

Рис.14 Компоновка высоковольтного преобразователя частоты: 1 – асинхронный электродвигатель; 2 – преобразователь частоты; 3, 4 – согласующие трансформаторы

Обязательное применение синусоидального фильтра накладывает определенные ограничения на выбор преобразователя частоты. Это связано с тем, что большинство LC-фильтров предназначены для работы на несущей частоте 6кГц, в то время как ПЧ большой мощности обеспечивают такую несущую частоту со снижением номинального тока на 60-70%.

Глубина регулирования таких приводов не более 30%. Общая мощность схемы ограничена мощностью низковольтного ПЧ, а стоимость во многом зависит от выбора трансформаторов.

Применяется двухтрансформаторный ПЧ на установках напряжением 6 – 10кВ.

В некоторых случаях при установке ПЧ требуется его шунтирование для вывода в ремонт или пуска других двигателей. Процесс коммутации шунтирующей ячейки может привести к срабатыванию защит вызванное ударными токами, поэтому ПЧ должен иметь не только функцию синхронизации с сетью для исключения этих режимов, но и возможность подключения электродвигателя к сети без отключения преобразователя частоты. Функционально такой особенностью обладают многоуровневые преобразователи.

Для регулируемых электроприводов мощностью до 630кВт целесообразно применение низковольтных преобразователей с понижающим трансформатором. На мощности от 630 до 1000 кВт целесообразно применение ПЧ с активными выпрямителями на GTO или многоуровневых схем на IGBT. На мощности от 1 МВт и выше можно рекомендовать многоуровневые преобразователи с многообмоточными трансформаторами.

Потери скольжения, одновременно, являющиеся и потерями в роторе и рассчитываются как:

.

Так как двигатель работает на линейном участке характеристики, существует пропорциональность между током ротора и моментом, тогда, с достаточной степенью точности,можно считать, что

, ,.так как .,

потери в роторе будут иметь вид

.

При снижении скорости потери в обмотке ротора резко уменьшатся (рис. 15). В регулируемых по частоте электроприводах потери в роторе достигают максимального значения при максимальной скорости вращения насоса:

.Ѕ_ном.

Рис. 15 Зависимость потерь скольжения в частотно-регулируемом электроприводе в функции скорости

Потери в преобразователе определяются по формуле

.

Значительная часть высоковольтных преобразователей частоты строятся по схеме, в которой используются два согласующих трансформатора, выпрямительные и инверторные блоки выполнены на низком (до 1000 В) напряжении (рис.4.24). Такая компоновка увеличивает надежность, но снижает КПД преобразователя.

В схемах с двойным преобразованием энергии и существенным падением напряжения на преобразовательных элементах суммарные потери могут быть значительными.

В современных многоуровневых преобразователях (Рис) потери на преобразовательных элементах меньше и КПД выше соответственно.

Выгодной особенностью частотного регулирования является существенное снижение тока статора при снижении частоты вращения за счет снижения фазного напряжения, следовательно, уменьшается постоянная составляющая потерь статора , соответственно снижается потери на регулирование.