Устройство современных высоковольтных преобразователей частоты

Основным сдерживающим фактором для широкого внедрения ПЧ на среднем напряжении (от 3 до 10 кВ), является до сих пор отсутствующая устойчивая технология производства надёжных полупроводниковых приборов на такие классы напряжения. Поэтому инженерам приходится применять хитрости и как-то выкручиваться, чтобы занять эту еще пока малоконкурентную нишу.

Хотелось бы в этой статье рассмотреть технологии применяемые в высоковольтных электроприводах, для решения задач регулирования скорости на среднем напряжении.

Схема "Трансформатор-ПЧ-Трансформатор"

Не считая тиристорных преобразователей, это одна из первых схем реализации ПЧ на среднее напряжение. Суть её заключается в достаточно простой идее:

Берётся обычный ПЧ на напряжение 400 В или 690 В, к нему подводится сниженное входным трансформатором напряжение до требуемого уровня. Выходное же напряжение с ПЧ снова повышается за счёт второго трансформатора, установленного на выходе частотника. В принципе, рабочая схема, но имеющая несколько существенных недостатков, ограничивающих её дальнейшее использование:

• массо-габаритные размеры: два трансформатора и ПЧ - это достаточно дорогостоящий набор;
• повышающий трансформатор (который стоит на выходе ПЧ) должен иметь специальную конструкцию, для того чтобы уметь трансформировать частоты отличные от 50 Гц с минимальными потерями, что технически реализуется увеличением его габаритов;
• как следствие предыдущей особенности, уменьшается глубина регулирования частоты ПЧ. Как правило она составляет от 0.5f_ном до f_ном;
• для ограничения перенапряжений на выходе ПЧ требуется установка тем более дорогостоящих устройств-фильтров, чем выше мощность ПЧ.

Все эти факторы существенно сказались на распространении в промышленности ПЧ со схемой "трансформатор-ПЧ-трансформатор". Их устанавливали там, где это было действительно технически обосновано.

ПЧ по технологии многообмоточного трансформатора

Главным элементом в этой системе является понижающий трансформатор. Он имеет несколько расщеплённых вторичных обмоток, сдвинутых относительно друг-друга на определённый угол (как правило до 10°).

К каждой из этих вторичных обмоток подключается свой индивидуальный трехфазный выпрямитель. Эти выпрямители последовательно по пять (для 6 кВ) или по 9 (для 10 кВ) соединяются в фазе. Таким образом их количество может быть минимум 15 (для 6 кВ) или 27 (для 10 кВ).

Интеренсный момент - получение сдвига фаз. Получение сдвига фаз зависит от конструкции трансформатора. Существуют три основных конструктивных типа трансформатора:

• трёхстержневой и его производная четырёхстержневой;
• трансформатор с радиальным расположением стержней;
• трансформатор с вращающимся магнитным полем.

Ниже показана табличка трёхстержневого трансформатора. Обратите внимание, как указаны смещения фаз:

Давайте немного разберёмся с тем, как можно смещать фазы в пространстве.

Соединение "Звезда/Треугольник"

Такая схема позволяет получать смещение обмоток в 30°. Для получения шестифазной двеннадцатипульсной схемы выпрямления этого достаточно.

Соединение "Звезда/Зиг-Заг"

Существуют два типа зиг-зага: равноплечий и неравноплечий. Равноплечий (когда соотношение витков ω₂₁ и ω₂₂ равны) имеет фиксированный угол смещения фаз вторичного напряжения относительно первичного.

Неравноплечий зигзаг (когда соотношения витков обмоток ω₂₁ ≠ ω₂₂). В этом случае в зависимости от соотношения витков теоретически можно получить углы в пределах от 0° до 60°.

Соединение "Звезда/Треугольник c продолженными сторонами"

Как и в соединении "зиг-заг", обмотка разделена на две с числом витков ω₂₁ и ω₂₂, но таким образом, что они находятся на одном магнитопроводе, а обмотки разных фаз ω₂₂ еще и соединены как бы во внутренний треугольник.

Нетрудно понять, что при ω₂₂ стремящемся к 0 схема становится треугольником, а при ω₂₁ стремящемся к нулю - схема становится "звездой". Поэтому диапазон углов смещения фаз можно получить в пределах от 0 до 30°.

Что касается трансформатора с радиальным расположением стержней, то получение углового сдвига фаз выполняется так же как и для трёхстержневого, однако, это технически сложнее из-за конструкции магнитопровода, да и сама конструкция достаточно сложна в изготовлении.

Гораздо более приемлемым решением стало запатентованный фирмой SIEMENS трансформатор на основе вращающегося магнитного поля. Магнитопровод состоит из двух сердечников: внутреннего и внешнего, жестко закреплённых относительно друг друга. Сердечники имеют множество пазов. Первичная обмотка укладывается на внешний сердечник, а вторичная - на внутренний. При наличии напряжения трёхфазной системы на первичной обмотке, вторичные обмотки находятся во вращающемся поле, как от статора электродвигателя. Тем самым достигается равновесие магнитной системы, а фазовый сдвиг вторичных обмоток создаётся геометрическим их смещением на нужный угол относительно первичных обмоток.

А для чего вообще нужно смещать вторичные обмотки? Обмотки смещают для получения многопульсной схемы выпрямления. Чем выше пульсность, тем меньшее коэффициент гармоник от ПЧ. Современные ПЧ вполне достигли уровня гармоник ниже 3%.

Силовые выпрямительные ячейки

Как уже ранее отмечалось, каждый вывод вторичной обмотки преобразовательного трансформатора подключается к индивидуальному трёхфазному выпрямителю, который управляется по оптическому каналу системой управления.

Система управления формирует командные сигналы и управляет выходом выпрямителя, формируя фазовые сдвиги фаз преобразователя частоты. Некоторые системы управления способны даже выводить из работы силовую ячейку, если она вышла из строя, шунтировать её и продолжать работу без потери работоспособности привода.

Компенсация вышедшей из строя ячейки происходит за счёт остальных рабочих ячеек: так как ячейки последовательно соединены и образуют фазы, а к двигателю прикладывается линейное напряжение, то за счёт увеличения угла между фазами до определённой степени система управления способна поддерживать линейное напряжение на двигателе в номинальном режиме.

Сами ячейки делают легко заменяемыми выемными блоками. Для мощных приводов силовые выпрямительные ячейки оснащают жидкостным охлаждением. В остальных случаях ограничиваются обычными вентиляторами.

Так как в составе силовой выпрямительной ячейки имеются ёмкости, то после длительного хранения может потребоваться процедура формовки. Как правило, в таких случаях производители рекомендуют обращаться к представителю в ближайшем регионе, чтобы получить консультацию по выполнению подготовки конденсаторов.

Некоторые производители встраивают в ПЧ специальную схему, которая позволяет выполнять предзаряд конденсаторов перед подачей на них номинального напряжения. Обычно это выполняется от постороннего источника 400 В или от дополнительной обмотки силового трансформатора.

Измерения токов и напряжений

В высоковольтных преобразователях частоты интересным образом реализованы измерения напряжения на входе и выходе. Для этого применяются так называемые "аттенюаторы" - это резистивные делители напряжения. Для 6 кВ, например, их значение составляет 4200 кОм, а для 10 кВ - 7200 кОм. Принимая на вход высокое напряжение, на выходе они выдают напряжение около 5-10 В.

Входной ток почти всегда измеряют трансформаторами тока, а выходной ток - только датчиками Холла из-за наличия гармонических составляющих, которые могут оказать на сталь трансформатора тока намагничивающее действие, влияющее на точность измерения.

Какие операции нужно выполнять с высоковольтным преобразователем частоты во время наладки?

Наладку преобразователей частоты обычно делают представители фирмы-производителя. И по внутренним инструкциям. Они лишь могут попросить произвести проверку изоляции и провести высоковольтные испытания трансформатора. Но бывают случаи, когда ввиду каких-то причин наладку приходится делать без представителей производителя. Один из вариантов - поступить, как представители - выполнить проверку изоляции и высоковольтные испытания, а затем подать напряжение. Представители имеют право так поступать, потому что они несут полную ответственность за оборудование на этапе ввода в эксплуатацию. А в случае пуска без их присутствия лучше всё проверить по узлам, чтобы без подачи напряжения можно было предъявить неисправный узел. Ведь это куда проще доказать, чем после факта подачи напряжения.

Примерный план действий наладчика можно описать в такой последовательности:

1. Осмотр оборудования. Не должно быть видимых повреждений корпуса или элементов оборудования. Нужно вскрыть крышки и найти "шок индикаторы", по показанию которых определить имело ли место переворачивание, наклон или встряска рамы при транспортировке и монтаже.
2. Убедиться в том, что все элементы привода собраны и все разъемные соединения подключены, смонтирована система охлаждения.
3. Визуально убедиться в герметичности кабельных вводов и корпуса преобразователя частоты. В наличии фильтрующих элементов на всасывающих окнах.
4. Убедиться в том, что транспортировочные болты, втулки и приспособления удалены. Отсутствует какой-либо мусор, элементы оплёток кабеля или пенопласта внутри оборудования.
5. Отключить вторичные обмотки трансформатора от выпрямительных силовых блоков.
6. Выполнить визуальную проверку схемы и с помощью прозвонки. Проверить правильность маркировки волноводов от системы управления на силовые выпрямительные модули.
7. Проверить элементы термоконтроля трансформатора (термореле или датчики температуры Pt100) и шкафа.
8. Собрать информацию о номинальных данных электрооборудования ПЧ: паспортные данные силового трансформатора; коэффициенты трансформаторов тока; номиналы аттенюаторов; типы, номинальное напряжение и коэффициенты датчиков Холла; данные электродвигателей насосов или вентиляторов охлаждения и нанести направление их вращения; номинальные данные ограничителей перенапряжения и т.д.
9. Произвести испытание силового трансформатора со снятием коэффициентов трансформации и векторных диаграмм вторичных обмоток. С проверкой сопротивления изоляции, прочности и абсорбции.
10. Убедиться в наличии и соответствии проводников защитного заземления и уравнивания потенциалов.
11. Проверить номиналы автоматических выключателей, питающих цепи управления и цепи охлаждения.
12. Подать напряжение цепей управления на систему управления и силовое напряжение на систему охлаждения. Убедиться в том, что чередование фаз верное. Выставить уставки на автоматах, питающих электродвигатели в соответствии с их номинальными значениями.
13. Произвести настройку параметров преобразователя частоты, указав параметры электродвигателя, установленного электрооборудования, способа управления, защитные параметры и прочее.
14. Проверить трансформаторы тока подачей в первичную обмотку образцового тока и фиксацией величины вторичного тока. Снять вольт-амперную характеристику. Проверить протекание до клемм преобразователя системы управления. Убедиться, что задаваемый ток правильно отображается в системе управления.
15. Проверить аттенюаторы подачей на первичные клеммы напряжения и снятием выходного напряжения на входе в систему управления. Убедиться, в том, что система управления правильно воспринимает сигналы напряжения.
16. Произвести проверку ограничителей перенапряжения.
17. Проверить систему охлаждения: убедиться в наличии достаточного давления в жидкостной системе охлаждения и протока, убедиться в правильном вращении вентиляторов. Прикладывая листок бумаги убедиться в том, что там, где должен быть приток, лист бумаги притягивается, а там где выброс - отталкивается. Приток находится внизу, вытяжка - вверху.
18. Проверить реакцию системы управления на аварийные срабатывания электрооборудования: нажатие аварийной кнопки, имитация перегрева обмоток силового трансформатора, имитация аварии системы охлаждения, проверить связь с питающей ячейкой, сигналов перегрева от электродвигателя, и т. д.
19. Проверить, что система управления принимает сигналы пуска, останова и задания от местного поста управления и с локальной панели преобразователя частоты.
20. Установить переключатель отпаек трансформатора на требуемый уровень напряжения. Если он не известен, то лучше установить на максимальное значение +5% или %10%. После подачи напряжения по показанию от аттенюаторов можно будет оценить, куда переставить переключатель.
21. Подать высокое напряжение и убедиться, что система управления видит его наличие. Сравнить токи холостого хода трансформатора с показаниями на питающем фидере, если это позволяют величины.
22. Сбросить все ошибки.
23. Некоторые преобразователи частоты требуют провести процедуру настройки каналов измерения, для чего нужно перевести систему управления в специальный режим, в котором будет производиться подача тока в обмотки двигателя.
24. При векторном управлении потребуется произвести процедуру адаптации.
25. Произвести пробный пуск для проверки направления вращения двигателя. Двигатель должен быть отсоединён от приводного механизма.
26. Запустить двигатель в режиме холостого хода и наблюдать за температурами обмоток двигателя, трансформатора и токами электропривода.
27. Соединить вал с приводным механизмом и произвести пуск с нагрузкой. Во время нагрузки следить за токами и температурами.
28. Снять характеристики регулирования, нагрузки и защит.

Данный алгоритм наладки может дополниться исходя из дополнительных требований или наличия дополнительного оборудования.