Преобразователи частоты: все типовые схемы существующих высоковольтных преобразователей

Преобразователи частоты: все типовые схемы существующих высоковольтных преобразователей

Двухтрансформаторная схема

Терристорные преобразователи частоты

Высоковольтные преобразователи частоты на IGB транзисторах

Преобразователи частоты - это устройства, которые предназначены для контроля оборотов асинхронных и синхронных электродвигателей. На сегодняшний день высоковольтные частотные преобразователи используются повсеместно, начиная от обычной бытовой техники, например кухонных комбайнов и заканчивая сложными промышленными роботами или портовыми кранами.

Огромное количество видов электродвигателей и необходимость их регулирования привело к появлению различных видов частотников, которые выполняя, в принципе одну и ту же задачу, могут очень сильно отличаться по внутреннему устройству, принципу работы и управления.

По состоянию на 2016 год рынок преобразователей частоты Украины считается насыщенным. Для решения практически любой задачи управления электродвигателем сейчас можно найти высоковольтные преобразователи частоты от именитых брендов, как например Scheneider Electric, Siemens или ABB, так и не дорогих, например от Азиатских брендов. При этом конкуренция здесь довольно высока. Европейские бренды постоянно пытаются снизить стоимость, сохранив при этом качество изделий, а китайские, корейские другие бренды с годами выпускают всё более и более надежные решения.

В нашей стране существует большая потребность в преобразователях частоты для электродвигателей среднего и высокого напряжения. Темой данной статьи являются высоковольтные частотные преобразователи для управления средне и высоковольтными электродвигателями. 

Высоковольтные преобразователи частоты: основные типы

Типовые схемы высоковольтных преобразователей частоты

Двухтрансформаторная схема.

Принцип работы заключается в том, что входящее напряжение в 6-10 кВ с помощью входного трансформатора снижается до 400-660В, далее с помощью обычного низковольтного частотника происходит модуляция выходного напряжения. После этого уже модулированное выходное напряжение повышается с помощью выходного трансформатора до необходимых 6-10 кВ.

Данная схема имеет огромное количество минусов и в основном не используется в качественных решениях. Хотя некоторые именитые бренды, например Schneider Electric пытается продвигать такие решения, как основные.

Практически единственный плюс от такого решения - цена, она в среднем в несколько раз ниже аналогов.

Из минусов можно отметить следующее:

  • пиковые перенапряжения на выходе частотника могут доходить до 1кВ, это угрожает выходом из строя повышающего выходного трансформатора. Из-за этого требуется установка защитного синусоидального фильтра, который является дорогостоящим устройством.
  • Высоковольтный преобразователь частоты, изготовленный по двухтрансформаторной схеме, из-за особенностей конструкции имеют существенное ограничение по диапазону регулирования оборотов. В основном она находится в диапазоне от 0,5 до 1nном
  • Так же при снижении частоты значительно снижается КПД управляемого электродвигателя
  • Размеры и вес устройства. Такой высоковольтный преобразователь частоты значительно больше и тяжелее частотников, построенных по другим схемам.
  • Появление большой реактивной мощности. Из-за особенностей конструкции данные устройства обладают низким коэффициентом мощности, что значительно снижает качество напряжение в питающей сети, если не производить его коррекцию с помощью установок компенсации реактивной мощности.

Терристорные преобразователи частоты

За основу теристорных частотных преобразователей берется 3-5 уровневые преобразователи частоты на высоковольтных теристорных приборах.

Теристорные высоковольтные преобразователи частоты в основном состоят из понижающего трансформатора, который преобразует трехфазное напряжение в 6-10 кВ  в две-три группы по 1-3 киловольтного напряжения.

Далее напряжение выправляют диоды. Для снижения высших гармоник используются 18-ти, 24-х пульсные схемы преобразователей, Число вторичных обмоток трансформаторов в этих схемах равно 3 и 4 соответственно. 

В Украине существует несколько предприятий, изготавливающих по индивидуальному заказу теристорные преобразователи частоты. Например Запорожский завод "Преобразователь", но к сожалению, качество изделий от одной партии к другой может существенно отличаться.

Из минусов данной схемы можно отметить:

  • огромную реактивную мощность, которую так же необходимо уменьшать с помощью устройств компенсации реактивной мощности.
  • Необходимость 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.
  • Надежность. Использование высокоточных терристоров, которые должны открываться и закрываться с высокой синхронностью требует большого времени настройки системы и низкую ремонтнопригодность.
  • Обязательное наличие синус-фильтра

Из плюсов стоит отметить:

  • высокое КПД до 97%
  • Широкий диапазон выходной частоты от 0 до 300 Гц
  • малые габаритные размеры
  • В Украине это наиболее распространенная схема построения высоковольтных преобразователей частоты

Высоковольтные преобразователи частоты на IGB транзисторах

Частотные преобразователи изготовленный по данной технологии на данный момент являются наиболее современными из производимых в промышленных маштабах. Концепция чистой синусоиды включает в себя ряд инновационных решений

Частотник состоит из сухого входного трансформатора и транзисторных инверторных ячеек объединеннных в единый блок. Эти 2 блока уже поставляются в виде единой сборки и не требуют дополнительного монтажа. Принцип построения преобразователей на данной схеме похож на терристорную схему, отличие только в IGB транзисторах вместо тирристоров.

Для управления работой трансзисторов используются современные микроконтроллеры.

Всё вместе позволяет значительно увеличить надежность систем и значительно уменьшить габариты установки. Из плюсов так же стоит отметить малое количество гармоник, это не требует установки дополнительного защитного оборудования. 

Следует отметить так же почти идеальную синусоиду на выходе, что позволяет отказаться от синусоидального фильтра и подключать практически любые виды электродвигателей.

Отказ от выходного трансформатора и синусного фильтра позволяет использовать частотник в векторном режиме с или без датчика обратной связи.

Еще одним плюсом является широкий диапазон регулирования выходной частоты до 1:50

К сожалению, не все компании имеют достаточную производственную и научную базу для изготовления высоковольных преобразователей частоты на IGB транзисторов. Из представленных в Украине брендов, наверное можно отметить Siemens и корейский концерн LS Industrial Systems.