Энергосберегающие преобразователи частоты для асинхронных и синхронных электродвигателей

В рамках совместных воплощенных инженерных решений группы компаний «Русэлт» и компании SYNTRONIC освоен выпуск энергосберегающих высоковольтных преобразователей частоты серии Syn-OX. Данная серия пришла на смену ранее изготавливаемых и поставляемых высоковольтных преобразователей частоты серии РИТМ-В, зарекомендовавшей себя в надежной эксплуатации как на возводимых, так и на функционирующих крупных объектах различных отраслей с 2003 г.

Энергосберегающие высоковольтные преобразователи частоты (ПЧ) предназначены для работы с синхронными или асинхронными электродвигателями. Плавный пуск установки, определенные ее настройки и возможность регулирования вращательной частоты позволяют повысить эффективность электродвигателя и сократить расход электроэнергии до 30%. При номинальных частоте и напряжении коэффициент несинусоидальности остается небольшим и обычно не превышает 1%, а регулируя частоту можно сохранить синусоидальную форму напряжения. Благодаря системам управления высоковольтными ПЧ, не происходит замыканий, не перегружаются важные элементы установки, режим работы проходит полную фазу без перенапряжений или перегрева.

Если говорить о конструктивных особенностях высоковольтных ПЧ, то они представляют собой сборочные единицы, интегрированные в шкафы и выполняющие определенные функции. Для удобства конструкция шкафов разработана с учетом возможности доступа обслуживающего персонала с двух сторон.

По сравнению с другими решениями высоковольтные ПЧ имеют ряд важных преимуществ:

• Прямое подключение установки к сети можно осуществить, применив трансформатор специальной конструкции (имеющий расщепленные вторичные обмотки).
• Приобретать выходной трансформатор не требуется, так как высокое напряжение получают за счет сложения напряжения в инверторных ячейках.
• О каком бы диапазоне частоты ни шла речь, высоковольтные ПЧ демонстрируют максимально высокий коэффициент мощности.
• Мощное ШИМ-управление гарантирует высокую динамику электропривода. КПД последнего не зависит от выходной частоты.

При кратковременном прекращении подачи электричества остановки устройства не происходит. Также допускается небольшое снижение питающего напряжения без вынужденного прекращения работы установки. Если из строя выходят инверторные силовые модули, то ячейки шунтируются.

Для подключения ПЧ с электродвигателем  может быть использован кабель практически любой длины. Нет необходимости  устанавливать специальные фильтры или бетонные реакторы  для повышения входной мощности установки. Управление ПЧ осуществляется с диспетчерского пульта при помощи специального программного обеспечения или напрямую.

ПЧ серии SYN-OX

ПЧ серии SYN-OX номинальной мощностью 200–9400 кВт на напряжения 10, 6, 3 кВ (рис. 1, табл. 1 и 2) включают в себя байпасную систему управления, встроенный многообмоточный трансформатор; 48-импульсный инвертор среднего напряжения имеет синусоидальный выход с регулированием скорости и 150%-ным пусковым моментом. Для ПЧ рассматриваемой серии не требуется дополнительный выходной синус-фильтр.

Рис. 1. Внешний вид ПЧ серии SYN-OX производства «РУСЭЛТ»–SYNTRONIC

В систему ПЧ среднего напряжения серии SYN-OX входят:

• шкаф байпаса (рис. 2);
• трехфазный многообмоточный фазосдвигающий трансформатор (рис. 3);
• шкаф инвертора (преобразователя) с силовыми ячейками (рис. 4);
• шкаф контроллера управления (рис. 5).

Рис. 2. Байпасный шкаф

Рис. 3. Трансформатор трехфазный многообмоточный фазосдвигающий

Рис. 4. Шкаф инвертора с блоком силовых ячеек

Рис. 5. Шкаф контроллера управления

Байпасный шкаф и трансформаторы встроены в ПЧ. Шкаф инвертора состоит из собранных последовательно силовых ячеек по технологии «перекрывания» — т. е., получения выходного напряжения напрямую посредством волны перекрытия. В каждой силовой ячейке есть встроенный байпасный модуль для защиты.

Описание силовой ячейки

Силовая ячейка преобразователя (рис. 6, 7) состоит из трехфазного выпрямителя, собранного по схеме моста Ларионова, сглаживающего фильтра звена постоянного тока и однофазного выходного инвертора. Напряжение со вторичных обмоток трансформатора через плавкие предохранители поступает на вход трехфазного выпрямителя, преобразуется в напряжение постоянного тока и сглаживается фильтром. Далее инвертор генерирует выходное напряжение переменной частоты. Каждый силовой блок имеет одинаковые характеристики, что позволяет легко производить их замену. Для повышения надежности работы преобразователь может автоматически отключать один из неисправных блоков.

Рис. 6. Структура силовой ячейки

Рис. 7. Внешний вид силовой ячейки

Все силовые блоки получают сигналы из одного и того же центрального контроллера процесса. Существует разность фаз во вторичных обмотках трансформатора, которые обеспечивают энергией силовую ячейку, при этом большая часть тока гармонической составляющей, вызванная независимой силовой ячейкой, будет устранена, таким образом ток первичной обмотки представляет собой приблизительно синусоидальную волну, ток гармонической составляющей, поступающий в электродвигатель, очень незначителен, даже при номинальной нагрузке, коэффициент гармоник ниже 3%.

Используется блочная структура. Каждая силовая ячейка смонтирована на отдельной полке. Для отключения и подключения достаточно подсоединить пять силовых клемм и два оптоволоконных кабеля. В случае отказа силовой ячейки система управления блокирует неисправный модуль и выводит сообщение на экран панели оператора. После подключения заменяемого модуля система управления производит его тестирование входным напряжением 380 В и, в случае успешного прохождения теста, подключает к силовой цепи.

Система управления обеспечивает защиту преобразователя от короткого замыкания, перегрузки по току, перегрузки, пропадания и дисбаланса фаз (рис. 8). Кроме того, обрабатываются ошибки процессора, перегрев системы охлаждения и т. п. Сообщения об ошибках отображаются на экране панели оператора.

Рис. 8. Осциллограмма. Действие системы защиты

Пример получения напряжения 10 кВ с использованием последовательного соединения силовых ячеек

ПЧ серии SYN-OX на 10 кВ (рис. 9) состоит из 24 силовых блоков переменного тока по 720 В.

Рис. 9. Структурная схема ПЧ серии SYN-OX на 10 кВ

Каждые восемь из них соединены последовательно (рис. 10, 11) для формирования одной фазы (8 × 720 = 5760 В — фазовое напряжение). Трехфазное соединение по схеме «звезда» — 5760 × 1,732 = 9976 В, таким образом, линейное напряжение на выходе ПЧ составит 10 кВ.

Рис. 10. Получение высокого напряжения 10 кВ с использованием последовательного соединения силовых ячеек

Рис. 11. Шкаф инвертора с подключенными последовательно силовыми ячейками

В таблице 3 показано, что выходное напряжение инвертора может быть различным, как и число силовых ячеек, но принцип работы один и тот же.

Рис. 12. Внутренняя архитектура ПЧ серии SYN-OX

Каждый силовой блок запитан от своей обмотки фазосдвигающего трансформатора, которые в сумме компенсируют гармоники, создаваемые полупроводниковой частью ПЧ. В каждой фазе находится восемь силовых ячеек, в сумме выдающих линейное напряжение 10 кВ (рис. 12, 13). Выходное напряжение является практически чистой синусоидой с минимальными гармоническими искажениями.

Рис. 13. Схема внешних интерфейсов ПЧ серии SYN-OX

Особенности и достоинства ПЧ серии SYN-OX

В преобразователях серии SYN-OX используется технология многоуровневой ШИМ. Этот метод снижает скачки напряжения, уменьшает гармоники в выходном напряжении и снижает отношение dv/dt.

Байпасный шкаф обладает функцией «пяти защит», при этом он имеет линию для отключения электродвигателя и, таким образом, может использоваться как альтернативный вариант в качестве распределительного устройства среднего напряжения при подключении ПЧ к линии питания.

Принципиальная схема синхронного переключения ЭД приведена на рис. 14. Начальные условия — Q1, Q2, KM1 открыты. Алгоритм работы системы следующий:

1. KM1 закрывается.
2. Q1 закрывается.
3. Частотно-регулируемый привод (на схеме VFD) повышает частоту и амплитуду выходного напряжения до напряжения питающей шины (~6000 В, 50 Гц), и скорость вращения электродвигателя M1 увеличивается до номинального значения.
4. Система управления ПЧ пытается синхронизировать выходное напряжение с входным по амплитуде, частоте и фазе (углу).
5. После синхронизации входного и выходного напряжения ПЧ система управления выдает сообщение «синхронизация завершена», внешняя система управления направляет команду «закрытие Q2» и затем «открытие KM1». В течение очень короткого времени (200–300 мс) электродвигатель питается от двух источников: от ПЧ и напрямую от сети электропитания (силовой шины). Затем (когда KM1 открыт) система управления ПЧ прекращает отправку управляющих импульсов в модули БТИЗ, выходное напряжение становится равным 0 В в течение очень короткого времени.
6. ПЧ переходит в состояние «готов», электродвигатель питается только от сети электропитания.

Рис. 14. Схема для реализации синхронного переключения ЭД

Достоинства ПЧ серии SYN-OX:

• Низкий коэффициент гармоник на входе и высокий коэффициент мощности, обычное значение коэффициента мощности 0,95 по всему диапазону скоростей вращения и даже выше, нет необходимости компенсации коэффициента мощности.
• Незначительное число гармоник на выходе ПЧ, в результате чего электродвигатель не производит чрезмерного шума или избыточного тепла.
• Модульная конструкция силовых ячеек, взаимозаменяемость и легкость в техническом обслуживании и ремонте.
• Применены новейшие компоненты, главный управляющий процессор DSP F28335 и ALTERA’s FPGA EP3C в целях реализации высокой обрабатывающей способности; AD-дискретизация (AD7606) с 16 битами для обеспечения точности управления системой.
• Связь по оптоволокну между системой управления и силовыми ячейками предотвращает паразитное влияние электромагнитных помех и обеспечивает изоляцию от высокого напряжения, что, в свою очередь, обеспечивает высокую надежность и помехоустойчивость системы.
• Новое поколение IGBT позволяет увеличить перегрузочную способность, а значит, обеспечить своевременную защиту от перегрузки, короткого замыкания, перенапряжения, перегрузки по току и т. д. В случае выхода из строя одной из силовых ячеек в течение 1 мс срабатывает обходная система, которая выравнивает число работающих ячеек ПЧ со снижением выходной мощности.
• Система самотестирования позволяет точно обнаружить любую неисправность за счет усовершенствованных диагностических процедур контроллера.
• Инвертор может работать даже в случае наличия неисправности в части силовых блоков. Если неисправности возникают в инверторе, система может переключиться на силовую частоту через байпасную функцию.
• Гибкие методы регулирования, включая ПИД-регулятор, позволяют построить требуемый алгоритм управления электродвигателем.
• Возможность реализации дистанционного управления, эксплуатации с дистанционной системой управления и со связью с диспетчерским постом управления. Поддержка всех видов коммуникационных интерфейсов (по выбору заказчика): Profibus, Modbus, RS-232, RS-485 и пр.).
• КПД преобразователя достигает 96–98%. Это значительно выше, чем КПД преобразователей, построенных по двухтрансформаторной схеме. Высокий КПД позволяет уменьшить нагрев системы управления и упрощает ее охлаждение.

Приборы соответствуют международным стандартам GB 3797–2005, GB/T 15139-94/12668–2006/2900.18–2008/3859.1–1993, IEE 519–1992, IEC 60076/61000:2002.

ПЧ серии SYN-OX могут быть использованы для всех видов нагрузок со стандартным электродвигателем высокого напряжения. В результате применения достигаются:

• плавный пуск двигателя;
• бесступенчатая регулировка скорости;
• уменьшение энергопотребления двигателя и, соответственно, затрат на электроэнергию;
• увеличение срока службы оборудования;
• простота обслуживания.

Рис. 15. Схема компоновки БК с ПЧ 1600 кВ

Преобразователи могут быть размещены в специальном блок-контейнере (предлагается производителем в исполнении «Север») (рис. 15).