Пульсность схемы выпрямления частотного преобразователя

Высшие гармоники 12-пульсных выпрямителей.

При нормальной симметричной работе управляемых или неуправляемых выпрямителей их входной (сетевой) ток содержит гармоники повышенных частот, отношения которых к частоте сети («порядки» гармоник) определяются соотношением:

где k = 1, 2, 3, . — натуральный ряд чисел; m — эквивалентное число фаз (пульсность) выпрямителя.

Относительные значения наиболее низкочастотных гармоник этого ряда, выраженные в долях основной гармоники тока, в первом приближении обратно пропорциональны их порядку:

а относительные величина гармоник более высоких порядков существенно меньше, чем 1/n.

1) наиболее неприятными являются гармоники тока младших порядков, имеющие наибольшую амплитуду и наименьшую частоту, вследствие чего осуществление их фильтрации наиболее затруднительно;

2) увеличение эквивалентного числа фаз выпрямителя является весьма эффективным способом улучшения гармонического состава тока.

Наиболее простой и наиболее распространённой 6-пульсной схемой выпрямителя трёхфазного переменного напряжения является трёхфазная мостовая схема (схема Ларионова). Она легко реализуется без преобразовательного трансформатора. Для построения выпрямителей с большим эквивалентным числом фаз необходимо использовать трансформатор.

Самым простым и самым распространённым вариантом схемы 12-пульсного выпрямителя является параллельное включение двух трёхфазных мостовых схем, питаемых от двух вторичных обмоток преобразовательного трансформатора, соединённых по схеме «звезда» и по схеме «треугольник».

Правильное 12-пульсное выпрямление обеспечивается только в случае равномерного распределения выходного тока нагрузки между двумя параллельными выпрямительными мостами, а это может быть обеспечено только при условии равенства и напряжений, и сопротивлений двух трёхфазных питающих обмоток. Нарушение хотя бы одного из этих равенств вызовет небаланс токов выпрямительных мостов, т. е. нарушение нормального

12-пульсного режима выпрямителя. Одним из следствий этого будет появление в первичном (сетевом) токе выпрямителя гармоник, частота которых характерна для тока 6-пульсных выпрямителей и которая должна отсутствовать в токе 12-пульсных выпрямителей. Значения этих аномальных гармоник зависит от степени небаланса токов выпрямительных мостов, т. е. от точности соблюдения равенства параметров (напряжений и сопротивлений) обмоток, питающих выпрямительные мосты.

Упрощенная схема частотно-регулируемого привода (ПЧ — 710 кВт, 690 В) мультифазного насосного агрегата.

Форма напряжения на входе преобразователя частоты.

Источник

Пульсность схемы выпрямления частотного преобразователя

Рис. 1. Высоковольтный преобразователь частоты

Среди средств автоматизации высоковольтные преобразователи частоты занимают отдельный сегмент. В России большая часть асинхронных электрических машин мощностью от 250 до 8000 кВт эксплуатируется на высоковольтном напряжении 6000 В и 10 000 В. Очевидным является то, что наибольший энергосберегающий эффект достижим на оборудовании именно с такими электродвигателями.

Существует три основные типа высоковольтных преобразователей частоты:

1. Двухтрансформаторная схема высоковольтного преобразователя частоты

Особенность двухтрансформаторной схемы заключается в следующем: напряжение питающей сети сначала понижается, затем преобразовывается в напряжение необходимой частоты, а после повышается и подается на вход электродвигателя.

Такая схема дает возможность применять недорогой низковольтный ПЧ.

Рис. 2. Двухтрансформаторная схема преобразователя частоты

Принцип работы высоковольтного преобразователя частоты построенного по двухтрансформаторной схеме:

Входной трансформатор понижает напряжение сети и подает его на вход низковольтного ПЧ. После чего, с помощью повышающего трансформатора, напряжение повышается, до нужной величины но уже с требуемым значением частоты.

Данный тип высоковольтных частотных преобразователей отличается относительно низкой стоимостью и простотой применения. А среди основных достоинств данной схемы следует отметить следующие:

• гибкость при выборе питающего напряжения двигателя (2-10 кВ);
• гальваническая изоляция системы благодаря наличию трансформаторов;
• отсутствие высокочастотных составляющих тока, воздействующих на обмотку электродвигателя;
• отсутствие подшипниковых токов благодаря фильтру и гальванической изоляции;
• возможность работы в «плавающих» сетях;
• возможность размещения трансформаторов на удалении от преобразователя частоты

Для снижения искажений на выходе преобразователя частоты, при больших мощностях, необходимо применять синусоидальный фильтр, который является достаточно дорогим и сложным устройством. Также высокие токи обязывают применять кабеля большого сечения кабеля, что в свою очередь существенно увеличивает и массу, и габариты.

Также преобразователи, выполненные по этой схеме, имеют ограниченный диапазон регулирования частоты на выходе преобразователя.

Уменьшение частоты значительно снижает КПД преобразователя, т.к. с уменьшением частоты происходит увеличение насыщения сердечника выходного трансформатора. На практике диапазон регулирования ограничен в пределах n_ном>n>0,5n_ном. Используя трансформаторы с увеличенным сечением магнитопровода можно увеличить диапазона регулирования, однако это увеличивает стоимость и массогабаритные характеристики.

При увеличении частоты увеличиваются потери в сердечнике выходного трансформатора. При этом для корректировки Cos φ, входной трансформатор Т1 дополнительно потребует использования конденсатора.

Таким образом недостатками двухтрансформаторной схемы являются:

• необходимость установки дорогостоящего синусоидального фильтра
• необходимость использования кабелей большого сечения.
• Относительно узкий диапазон регулирования: nном>n>0,5nном

У различных производителей ряд мощностей подобной схемы ограничивается максимально мощностью 500 – 1 000кВт.

2. Схема преобразователя частоты с последовательным включением электронных ключей.

Данный тип преобразователей также называют тиристорными. На рис.3. представлена типовая схема 12-пульсного преобразователя.

В состав преобразователя входит:

• понижающий трансформатор Т1, в котором происходит преобразование выходного напряжения 6-10 кВ на 2 или 3 группы напряжения 1- 3 кВ
• диодные выпрямители ДВ, для выпрямления напряжения
• звено постоянного тока ЗПТ, обеспечивающее сглаживание напряжения
• тиристорный инвертор ТИ, для получения требуемого выходного напряжения.

Напряжение на выходе тиристорного инвертора весьма далеко от синусоидальной формы. Поэтому обязательно требуется наличие синусоидального фильтра.

Рис. 3. Схема 12-ти пульсного преобразователя частоты.

Такая схема нашла широкое применение в высоковольтных частотных преобразователях большой мощности

Достоинства схемы преобразователя частоты с последовательным включением электронных ключей

• наилучшие массогабаритные показатели по сравнению с другими типами высоковольтных преобразователей ,
• возможность регулирования частоты в диапазоне 0…300 Гц,
• Высокий КПД — до 97,5%.

Недостатки схемы преобразователя частоты с последовательным включением электронных ключей

• сложность согласования совместной работы электронных ключей,
• большие значения высших гармоник,
• необходимость применения синус-фильтра.

3. Транзисторные преобразователи частоты

Рис.4. Типовая схема транзисторного преобразователя частоты.

Данный тип высоковольтных преобразователей частоты по своим характеристикам схож со схемой тиристорного преобразователя. Отличительной особенностью является наличие силовых ячеек на IGB-транзисторах, а также применения многообмоточного трансформатора.

На входе преобразователя используется специальный многоуровневый трансформатор, обеспечивающий высокий коэфффициент мощности (не менее 0,95) и не требующий применения дополнительных конденсаторов.

• высокое качество выходного напряжения («чистый синус»)
• отсутствие выходного трансформатора
• высокий КПД (около 98%)
• отсутствие высших гармоник
• высокое значение коэффициента мощности
• широкий диапазон регулирования выходной частоты 1 : 50.

• большие габариты
• сложность в эксплуатации

Сравнение двухтрансформаторной схемы с низковольтным частотным преобразователем и преобразователя частоты с многообмоточным трансформатором

Двух-трансформаторная схема с низковольтным ПЧ

Преобразователь частоты с многообмоточным трансформатором*

86 – 90% с учетом потерь на двух трансформаторах и фильтре

от 96,5%, отсутствие потерь в двигателе от высших гармоник

ограниченный диапазон регулирования частоты вращения двигателя как сверху, так и снизу от номинальной частоты nном>n>0,5nном

Больше, но трансформаторы могут находиться на удалении от преобразователя частоты. Разводка низковольтной части преобразователя требует кабелей большого сечения с большими радиусами гиба, что увеличивает массогабаритные характеристики и предъявляет дополнительные требования к обустройству кабельных каналов

Наличие выходного (синусного) фильтра

5-10% в зависимости от фильтров. Искажения выше допустимых ГОСТ (5%), оказывают негативное влияние на кабели и электродвигатель

Устойчивость к изменению входного напряжения силовой сети

Не более +10% — — 10%. При скачках напряжения выше указанного предела происходит аварийное отключение преобразователя частоты

Рабочий диапазон +15% … — 20%, в отдельных случаях до -30%

Устойчивость к отклонению частоты напряжения питающей сети в диапазоне

Ограничения на длину кабеля, ведущего к двигателю

Есть (вследствие наличия высших гармоник)

Практически нет, есть внедрения с длиной кабеля более 15 км

* Характеристики высоковольтного решения указаны с учетом применения современного преобразователя частоты с многообмоточным трансформатором, на IGBT-транзисторах. Такое решение не требует наличия выходного трансформатора, не разрушает изоляцию двигателя (эффект du/dt) и является наиболее технически совершенным.

Источник

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.

Источник