Все многообразие современных схем преобразователей можно сгруппировать в три категории. Рассмотрим их ниже по порядку.
Высоковольтные частотные преобразователи, созданные по двухтрансформаторной схеме
В основе такой схемы лежит двойное последовательное преобразование напряжение с помощью двух трансформаторов: понижающего (Т1) и повышающего (Т2).
Опишем, как работает эта схема подключения частотного преобразователя. Трехфазное синусоидальное напряжение величиной 6 кВ из питающей сети подается на трансформатор понижения Т1. Выходное трехфазное напряжение трансформатора Т1 составляет 400 (660) В и затем оно подается на низковольтный частотный преобразователь ПЧ. Следующим этапом становится повышение напряжения переменной частоты до начальных 6 кВ, что и делает трансформатор Т2.
Такой способ двойной трансформации является относительно простым, но в то же время, на первый взгляд, дешевым методом преобразования частоты. Дело в том, что он позволяет использовать в конструкции очень недорогой низковольтный частотный преобразователь, в то время как его высоковольтные аналоги стоят значительно дороже.
Однако при более детальном рассмотрении выясняется, что на самом деле цена такого устройства будет выше ожидаемого. Во-первых, напряжение на выходе из ЧП будет иметь пиковые перенапряжения с частотой следования 5-20 кГц и амплитудой 1-1,5 кВ. Для защиты от пробоев нужно ставить синусоидальный трехфазный фильтр, но это достаточно дорогое и сложное устройство для токов в несколько кА. Также высокие токи требуют кабелей большего сечения, а это значительно увеличивает и массу, и габариты устройства.
Двухтрансформаторная схема подключения частотного преобразователя имеет ограниченный диапазон регулирования скорости вращения вала двигателя, что связано с невозможностью понизить выходную частоту без нагрева сердечника и нарушения режима работы Т2. Из этого следует, что хотя номинально диапазон регулирования выглядит большим, на практике, при больших отклонениях от номинала, КПД всего привода заметно снижается, а экономия электроэнергии — один из главных стимулов покупки ЧП — стремится к нулю.
Фактически регулирование возможно в пределах nном>n>0,5nном. Для расширения диапазона в конструкции могут быть использованы трансформаторы с большим сечением магнитопровода, однако это повышает и габариты, и массу, и, как следствие, стоимость устройства.
Увеличение частоты чревато лишними потерями в сердечнике Т2, т.к. энергия будет расходоваться на вихревые токи и перемагничивание. При этом Т1, входной трансформатор, представляющий собой индуктивную нагрузку, для создания адекватного коэффициента мощности требует подключения дополнительного конденсатора, который бы корректировал cos φ.
Из вышесказанного следует, что главные недостатки двухтрансформаторной схемы - это относительно низкий КПД, высокие массогабаритные характеристики, невысокая надежность, а также узкий диапазон регулирования (всего 1:2). Номенклатурный ряд мощностей таких ЧП ограничен мощностью низковольтного преобразователя, которая обычно составляет, в зависимости от производителя, от 500 кВт до 1000 кВт.
Тиристорный преобразователь частоты
Главным компонентом таких устройств является многоуровневый частотный преобразователь, в основе которого лежат полупроводниковые тиристорные приборы.
Конструкция состоит из входного трансформатора Т1, работающего на понижение и обеспечивающего конвертирование питаемого трехфазного напряжения величиной 6-10 кВт в 2 или 3 группы (зависит от количества вторичных обмоток) напряжения величиной 1-3 кВт (также трехфазного). Для повышения мощности производится сдвиг фаз друг относительно друга в обмотках.
Для выпрямления напряжений используются диодные выпрямители ДВ, а также сглаживающие конденсаторы, установленные в звене постоянного тока частотного преобразователя. Чтобы уменьшить уровень высших гармоник и вместе с тем улучшения электромагнитной совместимости применяются многопульсные схемы выпрямителей.
На рис. 2 показана 12-ти пульсная схема, работающая с двухобмоточным согласующим трансформатором. Это один из вариантов, а вообще на практике встречаются и 18-ти, и даже 24-х пульсные схемы ЧП с количеством вторичных обмоток равным 3 и 4 соответственно.
На рынке присутствуют и недорогие однообмоточные модели на основе 6-ти пульсного выпрямителя. Однако уровень гармоник, наводимых на сеть, просто ужасает, а для компенсации потерь коэффициента мощности требуются дополнительные конденсаторные батареи. Работа таких ЧП невозможна без добавления во входные силовые цепи дополнительных фильтров гармоник.
Чтобы повысить рабочее напряжение тиристорного частотного преобразователя, электронные ключи инвертора нужно соединить последовательно. При этом количество элементов в каждом плече рассчитывается на основе рабочего напряжения с учетом типа силового элемента.
Самая главная проблема такой схемы - необходимость четкого согласования работы электронных ключей. Сложность в том, что полупроводниковые элементы, произведенные даже в одной партии, имеют существенный разброс параметров, а для корректной работы они должны быть строго согласованы. В противном случае, если один из элементов рассинхронизируется с остальными (поздно откроется или преждевременно закроется), он неминуемо выйдет из строя из-за получения полного напряжения.
Такие жесткие требования к конструкции частотных преобразователей на тиристорах обуславливает их невысокую надежность и несколько повышенную стоимость. Кроме того, стоимость увеличивается из-за необходимости установки синус-фильтра для корректировки формы выходного напряжения.
С другой стороны, тиристорный преобразователь частоты имеет хорошие массогабаритные характеристики, большой диапазон выходных частот (0-300 Гц) и высокий КПД (97-98%). До появления современных транзисторных инверторных ячеек такая схема оставалась самой популярной из всех.
3. Транзисторная схема подключения частотного преобразователя
Высоковольтный частотный преобразователь TMdrive (рис. 3), собранный на IGB-транзисторах на основе концепции «чистая синусоида» и предназначенный для напряжений 3, 6 и 10 кВ, объединяет в себе целый комплекс высокотехнологичных решений.
Данный ЧП состоит из транзисторных инверторных ячеек (И) и многообмоточного сухого трансформатора (Т). Эти компоненты соединяются при сборке в одной инверторной панели и не требуют дополнительного монтажа.
Рассматриваемый выше тиристорный преобразователь частоты по своей конструкции похож на транзисторный. Отличие заключается в том, что вместо элементов в последовательных силовых ячейках установлены IGB-транзисторы. Кроме того, в конструкции последнего присутствует особый многообмоточный трансформатор.
Для уменьшения количества модулей IGBT (и повышения надежности всей системы) их номинальное напряжение должно равняться 1700 В. Дополнительно надежность увеличивается путем установки 32-битного микропроцессора Toshiba РР7, созданного специально для применения в силовой электронике.
ЧП TMdrive генерирует небольшое количество гармоник, как в цепь питания электродвигателя, так и в питающую сеть, поэтому может подключаться к электросети напрямую, без использования фильтров. Практически идеальная форма синусоиды тока на выходе также позволяет подключать двигатели без дополнительных защитных устройств.
Все это говорит о том, что, несмотря на присутствие в двигателе высших частот тока, потери практически не ощущаются. Это возможно благодаря низким амплитудам токов и это — главное отличие транзисторной схемы подключения частотного преобразователя от тиристорной и двухтрансформаторной. Такое устройство способно работать как без датчика скорости (при векторном управлении), так и с датчиком (по таходатчику или энкодеру).
Разумеется, в случае использования прибора в энергосберегающем режиме, в вентиляторных и насосных системах такая опция не будет востребована. И все же, до появления транзисторной схемы вышеописанный режим был доступен лишь у низковольтных ЧП, а расширение возможностей и функций - это всегда полезно и приятно.
Также частотный преобразователь TMdrive способен сохранять работоспособность не только в случае кратковременных исчезновений напряжения, но и при длительных (до 10 секунд) просадках с подхватом двигателя «на лету» после возобновления электропитания.
Коэффициент мощности транзисторных ЧП составляет не менее 0,95, что достигается благодаря наличию трансформатора многоуровневой структуры с вращением фаз вторичного напряжения. Это позволяет отказаться от использования дополнительных устройств повышения мощности, как например, конденсаторных батарей. Практика показала, что такой высокий коэффициент сохраняется при вариации выходной частоты в пределах 30% от номинальной.
Заявленный диапазон регулирования TMdrive составляет 1:50, а КПД - около 98%.
Основные критерии выбора
Клиенты часто задают вопрос такого типа: «Сколько стоит киловатт мощности вашего преобразователя?». Однако ни один специалист не сможет внятно ответить на него! Почему?
Во-первых, такая «удельная стоимость» сильно отличается от устройства к устройству и зависит от мощности инвертора. Например, цена ВПЧ мощностью 500 кВт в таком исчислении будет в несколько раз выше, чем для устройства мощностью 2 МВт.
Во-вторых, «удельную стоимость» особенно сложно подсчитать в случаях совместного управления, когда один частотный преобразователь управляет работой сразу нескольких насосов. Например, ВПЧ TMdrive с функцией синхронного байпаса может поочередно управлять любым насосом из восьми подключенных. Так что же делать: складывать мощность и делить на стоимость ЧП? Но это в корне неверно.
В-третьих, при таком способе подсчета невозможно учесть прочие параметры преобразователя: надежность, ремонтопригодность, безотказность. А как на счет величины гарантийного срока? Да и стоимость синус-фильтра, без которого работа фактически невозможна, будет сильно влиять на стоимость — этим и пользуются некоторые производители, указывая «удельную стоимость» «голого» устройства.
Подключение преобразователя частоты
Сложности при выборе модели частотного преобразователя (ЧП) - это еще не все, с чем сталкивается покупатель. Следующая стадия - установка и подключение преобразователя частоты - едва ли не сложнее предыдущей. Сложность сильно зависит от типа устройства. Однако длительная и надежная работа частотного преобразователя зависит, в основном, именно от правильного монтажа.
Установив ЧП, нельзя его сразу включать в работу. Большинство устройств выходят из строя именно на этой стадии, причем гарантийные обязательства в таких случаях, как вы и сами понимаете, не действуют.
Сначала нужно досконально изучить инструкцию и схему подключения преобразователя частоты. Обратить особое внимание на параметры требуемых автоматических выключателей и приобрести только те, которые соответствуют требованиям, имеющимся в инструкции. Занижение номинала может вызвать дребезжание биметаллической пластины, что приведет к хаотичным размыканиям электрической цепи и, как следствие, к повреждению ЧП.
Безотказная работа частотного преобразователя обеспечивается также покупкой проводов требуемого сечения и правильным их подсоединением. Используйте только хорошо обжатые наконечники и обязательно проверяйте надежность контакта.
Подключение преобразователей частоты часто сопровождает еще одна ошибка. Монтажник путает входную и выходную клеммы - а это неминуемо приводит к выходу ЧП из строя и дорогостоящему ремонту впоследствии. Необходимо помнить, что у всех производителей клеммы для подключения к двигателю маркируются «U», «V», «W», а к электросети - «L1» - «L3».
Также нужно помнить, что соединение дискретных входов, как правило, осуществляется «сухими» (внешними) контактами. Это означает, что внешний выключатель замыкает контакты внутри ЧП. Подавать напряжение из электросети (220 или 380 В) на входы управления категорически запрещено, иначе устройство придется отдавать на ремонт.
Коммутация дискретных входов преобразователей частоты обычно осуществляется внешними «сухими» контактами, т.е. данный внешний выключатель коммутирует или замыкает контакты внутри частотный преобразователь. Запрещено подавать на входы управления напряжение питания (220В и 380В), это выводит из строя преобразователь частоты. При выполнении этих элементарных правил, выбранный частотный преобразователь будет служить долго.
По материалам компании Lenze
