Преобразователи частоты производства ОАО «Электровыпрямитель» для высоковольтного асинхронного электропривода переменного тока

В течение ряда последних лет ОАО «Электровыпрямитель» совместно с НТЦ Электротехники и транспорта (Москва) ведет работы по освоению промышленного производства преобразователей для высоковольтного асинхронного электропривода переменного тока. Преобразователи разрабатываются на основе отечественных материалов и комплектующих, в том числе на силовых приборах, выпускаемых ОАО «Электровыпрямитель», — тиристорах, силовых диодах, ограничителях напряжения, полупроводниковых резисторах, IGBT силовых транзисторах.

Преобразователи частоты для асинхронного электропривода (ВПЧА) предназначены для установки на действующих объектах с асинхронными и синхронными электродвигателями класса напряжений 6 и 10 кВ для обеспечения энергосбережения и повышения эффективности применения за счет плавного регулирования скорости, а также для установки на новых объектах. Кроме энергосбережения использование преобразователей частоты обеспечивает также оптимизацию технологических процессов и ресурсосбережение, устранение пусковых токов двигателей, механических ударов в нагрузке, гидравлических ударов в трубопроводах, увеличение срока службы оборудования.

В состав серии преобразователей для высоковольтного асинхронного электропривода входят преобразователи с выходной мощностью от 500 до 2000 кВт (возможна разработка и более мощных преобразователей).

Преобразователи для высоковольтного асинхронного электропривода выполнены по структуре прямого бестрансформаторного преобразования электрической энергии трехфазной сети 6,3 (10) кВ, 50 Гц в трехфазное напряжение регулируемой частоты 0-55 Гц и содержат следующие основные узлы:

• узел ввода с ограничением перенапряжений;
• тиристорный выпрямитель;
• фильтр звена постоянного тока;
• ШИМ-инвертор на IGBT-приборах;
• фильтр выходного переменного тока.

Преобразователи для высоковольтного асинхронного электропривода обеспечивают плавное регулирование выходной частоты с одновременным регулированием выходного напряжения в диапазоне от 5% до 105% номинальной частоты. Система регулирования преобразователей для асинхронного электропривода осуществляет векторное бездатчиковое управление двигателем и обеспечивает устойчивую работу электропривода при работе на вентиляторы (воздуходувки, насосы и компрессоры) (рис. 1). В переходных режимах амплитуда и частота выходного напряжения формируется по принципу векторного управления, обеспечивая оптимальный режим двигателя в процессе пуска (осциллограммы 1, 2), наброса нагрузки (осциллограммы 3, 4), кратковременного пропадания напряжения питающей сети (осциллограммы 5, 6).

Рис. 1. Структурная схема управления электропривода

Точность поддержания установленного значения частоты из рабочего диапазона не хуже 0,5%.

Синусоидальное (в среднем) напряжение формируется при помощи трехфазного мостового инвертора (на IGBT приборах) с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) с частотой около 1 кГц. Импульсы ШИМ сглаживаются выходным компенсирующим фильтром, поэтому напряжение на выходе преобразователей для асинхронного электропривода чисто синусоидальное (осциллограмма 7). Содержание высших гармоник в нем не выше, чем в сетевом напряжении (не более 5 % во всем диапазоне регулирования частоты), поэтому двигатель в установившемся режиме работает как при питании от сети — без добавочных потерь. Это позволяет использовать преобразователи высоковольтного асинхронного электропривода для регулирования серийных асинхронных и синхронных электродвигателей без снижения их загрузки. Кроме этого при синусоидальном выходном напряжении исключаются ограничения по длине кабеля между преобразователем частоты и двигателем.

Преобразователи для высоковольтного асинхронного электропривода обеспечивает перегрузочную способность до 1,2 на время до 5 минут для обеспечения повышенного пускового и пикового момента.

Преобразователи частоты ВПЧА также обеспечивают:

• режим точной синхронизации частоты и фазы напряжения на электродвигателе с сетью, на питание от которой необходимо переключить электродвигатель;
• бестолчковое переключение электродвигателя на питание от сети из режима точной синхронизации, независимо от характера и величины нагрузки, в том числе переключение насосного агрегата, работающего на открытый коллектор.

В ВПЧА асинхронного электропривода предусмотрены следующие защиты:

• защита от внешних коротких замыканий и перегрузок, при этом мгновенное значение тока короткого замыкания ограничивается допустимым значением;
• защита от внутренних повреждений (электронная защита путем отключения инвертора; отключение от питающей сети выключением внешнего коммутационного аппарата);
• защита от нарушений входной сети (защита от неполнофазных режимов; защита от импульсных перенапряжений — варисторы; защита от длительных перенапряжений — электронная и отключение входного напряжения);
• защита от нарушений функционирования (защита от исчезновения или изменения параметров сети собственных нужд; защита от пропадания сигнала задания частоты через вход 4-20 мА; защита от перегрева, вызванного нарушениями в системе охлаждения); • защита электродвигателя (максимальная токовая защита; защита от перегрузки; защита от работы при обрыве фазы двигателя; защита от работы при несимметрии фазных токов; защита от работы на заклиненный двигатель).

Преобразователи частоты для высоковольтного асинхронного электропривода имеет местное управление и разъем для дистанционного управления.

Питание ВПЧА электропривода осуществляется от трехфазной сети с изолированной нейтралью с номинальным напряжением 6,3 или 10,5 кВ (в зависимости от исполнения). Питание собственных нужд ВПЧА от сети 0,4 кВ, 50 Гц и от сети оперативного постоянного тока 220 В.

Коэффициент полезного действия преобразователей частоты для высоковольтного асинхронного электропривода мощностью до 1000 кВт составляет не менее 0,93; мощностью более 1000 кВт — не менее 0,95.

В настоящее время изготовлены и отгружены заказчикам опытные образцы ВПЧА электропривода мощностью 500 и 1000 кВт на напряжение 6 кВ (ВПЧА-500-6,3/6,0-50; ВПЧА-1000-6,3/6,0-50 — рис. 2), изготовлен и испытан опытный образец ВПЧА мощностью 630 кВт на напряжение 6 кВ (ВПЧА-630-6,3/6,0-50 — рис. 3), изготовлен и испытывается опытный образец ВПЧА электропривода мощностью 2000 кВт на напряжение 6 кВ (ВПЧА-2000-6,3/6,0-50).

Рис. 2. Фотография преобразователя частоты ВПЧД-1000-6,3/6,0-50

Рис. 3. Фотография преобразователя частоты асинхронного электропривода ВПЧА-630-6,3/6,0-50

Основные параметры преобразователя частоты асинхронного электропривода  приведены в таблице.