Перетворювачі частоти - це пристрої, які призначені для контролю обертів асинхронних та синхронних електродвигунів. На сьогоднішній день високовольтні частотні перетворювачі використовуються повсюдно, починаючи від звичайної побутової техніки, наприклад, кухонних комбайнів і закінчуючи складними промисловими роботами або портовими кранами.
Величезна кількість видів електродвигунів і необхідність їх регулювання призвело до появи різних видів частотників, які виконуючи, в принципі одну і ту ж задачу, можуть дуже відрізнятися за внутрішнім пристроєм, принципом роботи та управління.
Станом на 2016 рік ринок перетворювачів частоти України вважається насиченим. Для вирішення практично будь-якого завдання управління електродвигуном зараз можна знайти високовольтні перетворювачі частоти від іменитих брендів, як Scheneider Electric, Siemens або ABB, так і не дорогих, наприклад, від Азіатських брендів. При цьому конкуренція тут є досить високою. Європейські бренди постійно намагаються знизити вартість, зберігши при цьому якість виробів, а китайські, корейські інші бренди з роками випускають все більш надійні рішення.
У нашій країні існує велика потреба у перетворювачах частоти для електродвигунів середньої та високої напруги. Темою цієї статті є високовольтні частотні перетворювачі для управління середньо- та високовольтними електродвигунами.
Високовольтні перетворювачі частоти: основні типи
Типові схеми високовольтних перетворювачів частоти
Двотрансформаторна схема.
Принцип роботи полягає в тому, що вхідна напруга в 6-10 кВ за допомогою вхідного трансформатора знижується до 400-660В, далі за допомогою звичайного частоти низьковольтного відбувається модуляція вихідної напруги. Після цього вже модульована вихідна напруга підвищується за допомогою вихідного трансформатора до необхідних 6-10 кВ.
Дана схема має безліч мінусів і в основному не використовується в якісних рішеннях. Хоча деякі імениті бренди, наприклад, Schneider Electric намагається просувати такі рішення, як основні.
Практично єдиний плюс від такого рішення - ціна, вона в середньому в кілька разів нижча за аналоги.
З мінусів можна відзначити таке:
- пікові перенапруги на виході частотника можуть доходити до 1кВ, це загрожує виходом з ладу вихідного трансформатора, що підвищує. Через це потрібне встановлення захисного синусоїдального фільтра, який є дорогим пристроєм.
- Високовольтний перетворювач частоти, виготовлений за двотрансформаторною схемою, через особливості конструкції мають суттєве обмеження діапазону регулювання оборотів. В основному вона знаходиться в діапазоні від 0,5 до 1nном
- Також при зниженні частоти значно знижується ККД керованого електродвигуна
- Розміри та вага пристрою. Такий високовольтний перетворювач частоти значно більший і важчий за частотники, побудовані за іншими схемами.
- Поява великої реактивної потужності. Через особливості конструкції дані пристрої мають низький коефіцієнт потужності, що значно знижує якість напруга в мережі живлення, якщо не виробляти його корекцію за допомогою установок компенсації реактивної потужності.
Теристорні перетворювачі частоти
За основу терісторних частотних перетворювачів береться 3-5 рівневі перетворювачі частоти високовольтних терісторних приладах.
Теристорні високовольтні перетворювачі частоти в основному складаються з понижуючого трансформатора, який перетворює трифазну напругу 6-10 кВ у дві-три групи по 1-3 кіловольтної напруги.
Далі напругу виправляють діоди. Для зниження вищих гармонік використовуються 18-ти, 24-х пульсні схеми перетворювачів, Число вторинних обмоток трансформаторів у цих схемах дорівнює 3 і 4 відповідно.
В Україні існує кілька підприємств, які виготовляють на індивідуальне замовлення теристорні перетворювачі частоти. Наприклад, Запорізький завод "Перетворювач", але на жаль, якість виробів від однієї партії до іншої може суттєво відрізнятися.
З мінусів цієї схеми можна назвати:
- величезну реактивну потужність, яку необхідно зменшувати з допомогою пристроїв компенсації реактивної потужності.
- Необхідність у суворому узгодженні роботи електронних ключів, оскільки напівпровідникові елементи, виготовлені навіть у однієї партії, мають розкид параметрів, тому дуже гостро стоїть завдання узгодження їх роботи за часом.
- Надійність. Використання високоточних теристорів, які повинні відкриватися та закриватися з високою синхронністю, потребує великого часу налаштування системи та низьку ремонтно-придатність.
- Обов'язкова наявність синус-фільтра
З плюсів варто зазначити:
- висока ККД до 97%
- Широкий діапазон вихідної частоти від 0 до 300 Гц
- малі габаритні розміри
- В Україні це найбільш поширена схема побудови високовольтних перетворювачів частоти
Високовольтні перетворювачі частоти на транзисторах IGB
Частотні перетворювачі виготовлений за даною технологією на даний момент є найбільш сучасними з вироблених у промислових масштабах. Концепція чистої синусоїди включає низку інноваційних рішень
Частотник складається з сухого вхідного трансформатора і транзисторних інверторних осередків, об'єднаних в єдиний блок. Ці 2 блоки вже поставляються у вигляді єдиного збирання і не вимагають додаткового монтажу. Принцип побудови перетворювачів на даній схемі схожий на територну схему, відмінність тільки в транзисторах IGB замість тирристоров.
Для керування роботою трансзисторів використовуються сучасні мікроконтролери.
Все разом дозволяє значно збільшити надійність систем та значно зменшити габарити установки. З плюсів так само варто відзначити невелику кількість гармонік, це не потребує встановлення додаткового захисного обладнання.
Слід зазначити також майже ідеальну синусоїду на виході, що дозволяє відмовитися від синусоїдального фільтра і підключати практично будь-які види електродвигунів.
Відмова від вихідного трансформатора та синусного фільтра дозволяє використовувати частотник у векторному режимі з або без датчика зворотного зв'язку.
Ще одним плюсом є широкий діапазон регулювання вихідної частоти до 1:50
На жаль, не всі компанії мають достатню виробничу та наукову базу для виготовлення високовольних перетворювачів частоти на транзисторах IGB. З представлених в Україні брендів, напевно, можна відзначити Siemens і корейський концерн LS Industrial Systems.