История развития и обзор рынка частотного привода
В промышленно развитых странах техника частотно-регулируемых приводов используется уже более 30 лет. В течение всего этого времени закладывались научные и методические основы, разрабатывались технические и программные средства управления электроприводом, совершенствовались технологические процессы и оборудование, менялась элементная база силовых электронных элементов. Если в начале своего пути преобразователи частоты строились на основе тиристорных устройств, то теперь повсеместно используются транзисторные силовые ключи (т.н. IGBT технология, впервые разработанная компанией «TOSHIBA» в начале 80-х).
В нашей стране существует более чем десятилетний опыт внедрения и эксплуатации систем с частотным регулированием. Проработаны идеологические, организационные и схемотехнические аспекты их применения. Разработаны и апробированы различные методики по определению экономического эффекта от внедрения частотно-регулируемых приводов, по расчету требуемой мощности преобразователя. Кроме того, на рынке России представлено огромное количество преобразователей частоты на напряжение 220-380 В в самом широком диапазоне мощностей, организовано их обслуживание и техническое обучение. Как показывают данные статистики, собранные специалистами нашей компании по итогам проведения многочисленных семинаров и выставок, с каждым годом количество внедряемых систем растет, в центральных областях России уже можно говорить о близком насыщении рынка низковольтных частотных приводов. Вместе с тем, в стране существует большая потребность на высоковольтные преобразователи способные управлять двигателями с более высокими номинальными напряжениями, например, 6 или 10 кВ.
По экспертным оценкам, в различных отраслях промышленности и в ЖКХ РФ находится в эксплуатации более 16 тысяч электродвигателей мощностью 0,3-5 МВт напряжением 6 и 10 кВ. Но лишь незначительная часть из них оборудована регулируемым электроприводом, в основном иностранного производства.
Анализ ситуации в секторе электроприводов большой мощности, выполненный по ряду публикаций в зарубежных и отечественных изданиях, показал, что создание и начало широкого внедрения современных преобразователей частоты для электродвигателей с напряжением 3-10 кВ за рубежом пришлось на начало 90-х годов прошлого века. В 2001 — 2003 гг. об аналогичных разработках сообщили и российские производители.
Высоковольтный преобразователь частоты TMdrive, производимый совместно компаниями «TOSHIBA» и «MITSUBISHI» предназначен для применения в системах автоматического управления мощными трехфазными асинхронными электродвигателями на напряжение 6-10 кВ и с диапазоном мощностей от сотен киловатт до десятков мегаватт. Область использования подобного оборудования чрезвычайно широка. Это могут быть привода насосов станций водоподъема и теплостанций, вентиляторов и дымососов котельных в ЖКХ, механизмов транспортеров и производственных машин, экструдеров и куттеров в химической промышленности, турбонасосов и компрессоров в газо- и нефтеперекачивающем оборудовании топливно-энергетического комплекса и т. д.
Одно из стратегических направлений развития электроэнергетики России на период до 2015 года — техническое перевооружение и реконструкция около половины эксплуатируемых тепловых электростанций с продлением их ресурса и заменой основного и вспомогательного оборудования на новое с улучшенными технико-экономическими характеристиками. Приоритетом при этом является повышение эффективности топливоиспользования, энерго- и ресурсосбережение. Для энергетической отрасли это тем более важно, что уже к 2005 году мощность устаревшего и требующего модернизации парка генерирующего оборудования и, в первую очередь, парогенераторов и турбин составила около 80 млн. кВт.
Около 90% высоковольтных двигателей приводят во вращение механизмы с «вентиляторной» нагрузочной характеристикой. Это насосные агрегаты водоснабжения, транспортировки нефти и других жидкостей, компрессоры сжатого воздуха и газов, вентиляторы, нагнетатели воздуха и т.д. Экономия электроэнергии при эксплуатации этих механизмов может быть получена несколькими путями:
за счет регулирования скорости отдельных двигателей;
за счет уменьшения числа работающих двигателей в выходные дни, во время технологических пауз и снижении нагрузки при управлении группой из нескольких насосных агрегатов.
Включение их в работу для исключения бросков тока и динамических ударов должно выполняться либо с помощью дополнительных Устройств Плавного Пуска, либо, тем же преобразователем частоты с последующим переключением двигателей на коммерческую сеть (так называемый синхронный режим управления несколькими двигателями, реализованный в преобразователях частоты TOSHIBA TMdrive).
Высоковольтные асинхронные двигатели для указанного выше оборудования разрабатываются производителем для длительных режимов работы. Такой режим работы ограничивает число пусков за период эксплуатации. Это обусловлено тем, что большие пусковые токи (6-8-кратные) помимо создания глубоких просадок питающего сетевого напряжения, приводят также к опасным для двигателей переходным процессам динамических нагрузок. Ударные моменты, возникающие при прямых включениях двигателя в сеть, зависят от угла сдвига момента подачи питания относительно нуля синусоиды. В самом неблагоприятном случае — при замыкании контактов в начале синусоиды — ударный момент может в 3-4 раза превысить каталожный критический момент двигателя и в 7-10 раз — его номинальный момент. Чем это может кончиться для двигателя — судите сами. Кроме того, известно много случаев, когда в процессе прямого включения в сеть двигателей насосных агрегатов и компрессоров срезались шпонки переходных муфт, выходили из строя турбины. Поэтому желание эксплуатационного персонала останавливать такие энергоемкие агрегаты, например в ночное время, может привести к серьезным авариям.
Преимущества применения преобразователей частоты
Применение высоковольтных преобразователей частоты позволяет:
устранить гидроудар и динамические перегрузки в трубопроводах при пуске и остановке насосного агрегата;
экономить электроэнергию в насосных, компрессорных и других агрегатах, работающих с переменной нагрузкой за счет исключения дросселирования потока механическими регуляторами (величина энергосбережения может доходить до 50%, в зависимости от режима и условий работы оборудования);
значительно снизить энергопотребление, ремонтные и эксплуатационные затраты при поддержании прежней производительности машин и механизмов;
увеличить срок службы электродвигателя и приводного механизма за счет его плавного пуска и оптимизации его работы в широком диапазоне изменения нагрузок;
создавать замкнутые системы асинхронного электропривода с возможностью точного поддержания заданных технологических процессов, требующих переменной скорости вращения двигателя.
Теперь, когда необходимость применения высоковольтных преобразователей частоты для управления существующим парком перечисленного выше оборудования ясна, давайте рассмотрим предложения по данного рода технике, присутствующее на нашем рынке. ПЧ производства таких зарубежных фирм, как «Allen Bradley», «General Electric», «Ansaldo» и «Danfoss», выполнены преимущественно на GTО-тиристорах, «ABB» — на IGCT-тиристорах, «Siemens» и «Toshiba» / «Mitsubishi» — на IGBT-транзисторах. При этом IGBT-транзисторы способны работать с более высокой частотой переключений по сравнению с GTO и IGCT-тиристорами, что позволяет получить наиболее близкое к синусоидальной форме напряжение на выходе ПЧ.
Обзор существующих схем построения высоковольтных преобразователей частоты
Все типовые схемы существующих высоковольтных преобразователей частоты можно разбить на три категории:
Высоковольтные преобразователи частоты, реализованные по двухтрансформаторной схеме (рис. 1).
Данная схема, как, собственно и видно из ее названия, строится на двойной трансформации напряжения с помощью понижающего (Т1) и повышающего (Т2) высоковольтных трансформаторов.
Входное трехфазное синусоидальное напряжение питающей сети 6 кВ подается на понижающий силовой трансформатор Т1, который преобразует его в трехфазное напряжение 400 (660) В. Данное напряжение подается на низковольтный преобразователь частоты (ПЧ). Далее трехфазное напряжение переменной частоты с выхода ПЧ поступает на повышающий трансформатор Т2 для получения высокого (6 кВ) напряжения. Двойная трансформация позволяет использовать для регулирования частоты относительно недорогой низковольтный преобразователь частоты, что, казалось бы, значительно снижает общую стоимость высоковольтного преобразователя. Однако, при более внимательном подходе к рассмотрению требуемого для нормальной работы данной схемы оборудования и общих ограничений такой схемы, цена вопроса значительно возрастает. Во-первых, в выходном напряжении низковольтного преобразователя частоты присутствуют пиковые перенапряжения, чья амплитуда может доходить до 1-1,5 кВ, а частота следования до 5-20 кГц. Чтобы защитить от пробоя изоляцию первичной обмотки повышающего трансформатора, на выходе ПЧ устанавливается трехфазный синусоидальный фильтр, довольно сложное и дорогое устройство, учитывая, что протекающие токи могут составлять несколько килоампер. Вследствие повышенных токов, разводка низковольтной части преобразователя требует кабелей большого сечения, что заметно увеличивает массогабаритные характеристики такого рода оборудования. Преобразователи, выполненные по этой схеме, имеют ограниченный диапазон регулирования частоты вращения двигателя как сверху, так и снизу от номинальной частоты. Это связано с тем, что при снижении частоты на выходе преобразователя увеличивается насыщение сердечника, что приводит к его нагреву и нарушению расчетного режима работы выходного трансформатора Т2. Таким образом, при снижении частоты, заметно снижается и КПД данного высоковольтного преобразователя частоты, делая невозможным общее энергосбережение в системе двигатель-насос. Поэтому, как показывает практика, диапазон регулирования ограничен в пределах nном>n>0,5nном. Для расширения диапазона регулирования используют трансформаторы с увеличенным сечением магнитопровода, но это увеличивает и стоимость, и массу, и габариты. При увеличении же выходной частоты, растут потери в сердечнике трансформатора Т2 на перемагничивание и вихревые токи. Входной же трансформатор Т1 для питающей сети представляет собой индуктивную нагрузку, поэтому для получения удовлетворительного коэффициента мощности данного высоковольтного преобразователя частоты, требуется использовать дополнительные конденсаторы коррекции Cos ?.
Таким образом, основными недостатками двухтрансформаторных преобразователей являются высокие массогабаритные характеристики, меньшие по отношению к другим схемам КПД и надежность, а также весьма малый рабочий диапазон регулирования (1:2). Ряд мощностей подобной схемы ограничивается максимально возможной мощностью используемого низковольтного ПЧ, которая составляет у разных производителей 500-1 000 кВт.
Тиристорные высоковольтные преобразователи частоты (рис. 2).
Основой указанных электроприводов является трех-пяти-уровневый преобразователь частоты (ПЧ), выполненный на высоковольтных полностью управляемых полупроводниковых тиристорных приборах. Тиристорные высоковольтные преобразователи частоты состоят из входного понижающего трансформатора Т1, обеспечивающего преобразование входного трехфазного напряжения 6-10 кВт в 2-3 группы трехфазного напряжения 1-3 кВ (зависит от числа вторичных обмоток) со сдвигом фаз напряжения в обмотках относительно друг друга для повышения коэффициента мощности преобразователя.
Эти напряжения выпрямляются на диодных выпрямителях ДВ и сглаживающих конденсаторах в звене постоянного тока ЗПТ преобразователя частоты. Для снижения уровня высших гармоник и улучшения электромагнитной совместимости используют многопульсные схемы диодных выпрямителей. На рис. 2. изображена 12-ти пульсная схема с двухобмоточным согласующим трансформатором. На практике существуют 18-ти, 24-х пульсные схемы преобразователей, Число вторичных обмоток трансформаторов в этих схемах равно 3 и 4 соответственно. Существуют и дешевые однообмоточные модели с 6-пульсным выпрямителем, у которых уровень наводимых на сеть гармоник просто ужасающ, а коэффициент мощности требует компенсации с помощью дополнительных конденсаторных батарей. Эксплуатация подобных преобразователей невозможна без дополнительных фильтров гармоник во входных силовых цепях.
Для повышения рабочего напряжения преобразователя частоты электронные ключи тиристорного инвертора ТИ соединяют последовательно. Число элементов в каждом плече определяется величиной рабочего напряжения и типом силового элемента. Основная проблема для этой схемы состоит в строгом согласовании работы электронных ключей, поскольку полупроводниковые элементы, изготовленные даже в одной партии, имеют разброс параметров, поэтому очень остро стоит задача согласования их работы по времени. Если один из элементов откроется с задержкой или закроется раньше остальных, то к нему будет приложено полное напряжение плеча, и он выйдет из строя. Такие требования к прецизионному управлению несколько снижают надежность описываемого типа высоковольтных преобразователей.
Преобразователи имеют одни из лучших удельные массогабаритные показатели, диапазон изменения выходной частоты от 0 до 250-300 Гц, КПД преобразователей достигает 97,5%. Недостатком данных моделей, влияющим на общую стоимость, является обязательное наличие синус-фильтра на выходе преобразователя, обусловленное весьма далекой от синуса формой выходного напряжения тиристорных инверторов. Тем не менее, до появления транзисторных инверторных ячеек, данная схема являлась наиболее распространенной для высоковольтных преобразователей большой мощности.
Транзисторные высоковольтные преобразователи частоты (рис. 3).
Высоковольтный преобразователь частоты TMdrive на IGB-транзисторах для уровня напряжений в 3, 6 и 10 кВ с концепцией «чистой синусоиды» сконцентрировал в себе комплекс высокотехнологичных современных решений.
Как видно из рис. 3 и 4, данный преобразователь частоты состоит из входного многообмоточного трансформатора сухого типа и транзисторных инверторных ячеек, собранных воедино в одной панели инвертора. Все внутришкафные соединения силовых элементов с обмотками входного трансформатора уже выполнены и не требуют дополнительного монтажа.
Схема построения транзисторных высоковольтных преобразователей частоты (рис. 4) схожа с предыдущей схемой тиристорного преобразователя, за исключением замены элементов последовательно включенных силовых ячеек на IGB-транзисторы, а также применения специального многообмоточного трансформатора. Использование в ячейках модулей IGBT с номинальным напряжением 1700 вольт позволило уменьшить их количество и повысить общую надежность силовой цепи. Использование для управления 32 битного микропроцессора (модель Toshiba РР7), специально сконструированного для применения в силовой электронике, также уменьшает число компонентов и увеличивает надежность системы управления.
Преобразователь частоты TMdrive генерирует малое количество гармоник и в питающую сеть и в цепи питания электродвигателя, в связи с чем, не требует специальных технических мероприятий для подключения к системе электроснабжения (фильтров гармоник и синус-фильтров). Практически идеальная форма синусоиды выходного тока основной гармоники делает возможным подключение к преобразователю частоты любых электродвигателей без дополнительных защитных схем (синус-фильтров). Таким образом, увеличение потерь в электродвигателе из-за присутствия высших частот тока практически не происходит, так как их амплитуды сведены к минимуму, в отличие от преобразователей предыдущих поколений. Отсутствие на выходе преобразователя частоты повышающего трансформатора и синус-фильтра позволяет ему работать в режиме векторного управления двигателем как без датчика скорости, так и с датчиком скорости (по энкодеру или таходатчику). Конечно, подобная опция не нужна для энергосберегающего режима работы с насосно-вентиляторной нагрузкой, но, тем не менее, ранее подобный режим был доступен только у низковольтных преобразователей частоты, а расширение возможной области применения всегда полезно. Преобразователь частоты TMdrive сохраняет работоспособность при кратковременных пропаданиях напряжения, а также глубоких просадках до 10 секунд с подхватом вращающегося двигателя после возобновления входного питания.
Благодаря использованию на входе многоуровневого трансформатора с вращением фаз вторичного напряжения, коэффициент мощности остается на уровне не менее 0,95. Таким образом, не требуется применения конденсаторных батарей для повышения коэффициента мощности. Преобразователи показывают сохранение коэффициента полезного действия и коэффициента мощности на номинальном уровне при регулировании частоты выходного напряжения до 30% от номинальной частоты. КПД преобразователя частоты TMdrive составляет около 98%, а диапазон регулирования выходной частоты 1:50.
Критерии правильного выбора
Специалистам нашей компании часто приходится сталкиваться с вопросами клиентов вроде «А какова стоимость вашего высоковольтного преобразователя в исчислении рублей за киловатт?». Подобный вопрос может поставить в тупик специалиста любого уровня. Во-первых, подобная «удельная стоимость» сильно разнится в зависимости от номинальной мощности модели инвертора, например стоимость ВПЧ на 500 кВт в подобном исчислении в несколько раз больше, чем «удельная стоимость» преобразователя на 2 МВт. Во-вторых, как именно подсчитывать «удельную мощность», если один высоковольтный преобразователь управляет группой насосов (ВПЧ TMdrive, в котором реализован так называемый синхронный байпас, может поочередно разгонять и останавливать любой двигатель из группы в 8 насосов)? Суммировать мощности насосных агрегатов и делить на стоимость преобразователя? В-третьих, каким образом при подобном подсчете будут учтены технические возможности преобразователя или его характеристики по надежности и ремонтопригодности? Заложено ли сюда гарантийное и сервисное обслуживание? Кроме того, многие производители ПЧ вольно или невольно лукавят, включают в «удельную стоимость» только стоимость самого преобразователя частоты, забывая, что возможность его использования без синус-фильтра или фильтра гармоник весьма сомнительна. |
