Принцип работы высоковольтного частотного преобразователя следующий: сначала он получает переменный ток из сети с фиксированной частотой, затем преобразует его в постоянный ток через выпрямительный каскад и выполняет сглаживание мощности с помощью шины постоянного тока. Далее постоянный ток преобразуется обратно в переменный ток с переменной частотой с помощью инвертора с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ), что обеспечивает точное управление скоростью и крутящим моментом двигателя. Этот процесс преобразования переменного тока в постоянный и обратно является фундаментальным механизмом работы всех современных высоковольтных частотных преобразователей, позволяя применять их во всем, от самых маленьких приводных систем 3.3 кВ до крупнейших промышленных систем выше 10 кВ.
В марте 2024 года Лю Вэй, старший инженер-электрик цементного завода в провинции Шаньдун, обнаружил, что ему необходимо применить на практике свои знания о вышедшем из строя приводе двигателя на 6.6 кВ. Индикатор неисправности инвертора мигал. Производство остановилось.
Ремонтная бригада могла заменять аппаратные компоненты путем замены плат, но не смогла понять причины падения напряжения на шине постоянного тока или принцип работы метода переключения IGBT, который управлял вентилятором печи мощностью 3,500 кВт. Из-за этой поломки оборудования завод простаивал 14 часов, что привело к финансовым потерям в размере 42 000 долларов из-за остановки производства.
Это руководство знакомит вас с высоковольтными шкафами преобразователей частоты, поскольку объясняет поток энергии через эти системы. В руководстве показано преобразование электрической энергии на разных этапах, объясняется, почему высоковольтные системы требуют иных компонентов по сравнению с низковольтными системами, и демонстрируется, как современные системы управления защищают как преобразователь, так и двигатель. Программа позволяет читать схемы, что поможет вам находить неисправности при диагностике, а также объясняет принцип работы команде по закупкам с помощью технических деталей, соответствующих вашим требованиям.
В презентации будут рассмотрены три темы, включая трехступенчатую систему преобразования мощности из переменного тока в постоянный и обратно, а также основные компоненты, обеспечивающие преобразование высокого напряжения, системы управления, работающие с ШИМ-переключением, и элементы промышленного дизайна, определяющие успешную работу или неудовлетворительные результаты.
Основные выводы
- Высоковольтный преобразователь частоты использует трехступенчатый процесс преобразования переменного тока в постоянный и обратно: выпрямитель, звено постоянного тока и ШИМ-инвертор, для преобразования фиксированной мощности сети в точно регулируемый выходной сигнал с переменной частотой.
- В высоковольтных схемах с напряжением выше 3.3 кВ вместо простых двухступенчатых переключателей, используемых в низковольтных приводах, применяются тиристорные или активные выпрямители и многоуровневые инверторные схемы.
- Принцип постоянного соотношения В/Гц обеспечивает подачу пропорционального напряжения и частоты к двигателям для поддержания магнитного потока и предотвращения повреждения изоляции.
- Модульные многоуровневые преобразователи и полупроводники на основе карбида кремния (SiC) заменяют традиционные конструкции на основе IGBT, обеспечивая КПД выше 99 процентов при средних нагрузках.
- Надлежащая изоляция, фильтрация DV/DT и подавление гармоник являются обязательными условиями в высоковольтных установках для защиты как оборудования, так и персонала.
Для более подробного технического анализа стандартов высоковольтных преобразователей частоты см.:Ознакомьтесь с нашим полным руководством по приводам среднего и высокого напряжения.)
Что такое высоковольтный частотный преобразователь?
Определение и классификация напряжения
Высоковольтный частотный преобразователь позволяет силовой электронике управлять двигателями переменного тока, изменяя их скорость и крутящий момент за счет регулировки частоты и напряжения в электросети. Эти устройства работают с двигателями, номинальная мощность которых варьируется от 3.3 кВ до 10 кВ и выше, в то время как стандартные приводы работают в диапазоне от 230 В до 480 В. Уровни мощности обычно составляют от 200 кВт до более 50 МВт.
В отрасли используются классификации напряжений, определенные стандартом IEC 61800. Диапазон низкого напряжения простирается до 1,000 В переменного тока. Диапазон среднего напряжения начинается с 1,000 В и простирается до 36 кВ переменного тока. Термин «высокое напряжение» в терминологии приводной техники обозначает верхний диапазон среднего напряжения, который начинается с 6 кВ, поскольку требует иного выбора компонентов и методов проектирования топологии.
Для более подробного технического анализа стандартов частотно-регулируемых приводов среднего напряжения, (См. наше руководство по частотно-регулируемым приводам среднего напряжения.)
Чем он отличается от низковольтных преобразователей?
Принцип работы принципиально одинаков для всех классов напряжения. Оба используют преобразование переменного тока в постоянный и обратно.
Разница заключается в номинальных характеристиках компонентов, топологии переключения и архитектуре безопасности. Для привода на 480 В может использоваться простой диодный мост и двухуровневый IGBT-инвертор. Для привода на 6.6 кВ необходимы многоимпульсные тиристорные выпрямители и многоуровневые инверторные топологии, поскольку ни один полупроводниковый переключатель не может безопасно блокировать полное напряжение шины постоянного тока на этом уровне.
Высоковольтные преобразователи также требуют более сложных систем охлаждения, разделительных трансформаторов и мер электромагнитной совместимости. Последствия отказов более серьезны, поэтому логике защиты, схемам предварительной зарядки и защите от дугового разряда уделяется гораздо больше внимания со стороны инженеров.
Если вы сравниваете классы напряжения для предстоящего проекта, наше руководство поможет вам в этом. низковольтные и средневольтные частотно-регулируемые приводы Анализирует компромиссы между стоимостью и производительностью на каждом уровне.
Этап 1: Выпрямитель — преобразование переменного тока в постоянный
Выпрямитель является начальной точкой в цепи преобразования энергии. Он преобразует переменный ток фиксированной частоты и напряжения из сети в постоянный ток, которым может управлять инверторный каскад. В высоковольтных преобразователях частоты этот каскад сложнее, чем простые диодные мосты, используемые в низковольтных приводах.
Тиристорные и тиристорные выпрямители
Для высоковольтных преобразователей частоты необходимы тиристорные выпрямители, которые обычно называют кремниевыми управляемыми выпрямителями (SCR). Тиристоры выдерживают более высокие напряжения и токовые нагрузки по сравнению со стандартными диодами, поскольку они могут переключать электричество между различными состояниями посредством фазового управления. Выпрямитель использует управление фазовым углом для поддержания коэффициента мощности при минимизации пускового тока во время запуска.
Для систем среднего напряжения, работающих при напряжении выше 3 кВ, разработчикам необходимо выбрать один из двух вариантов: диодные мосты без управления и тиристорные мосты с управлением. Диодные мосты представляют собой более простое и доступное решение, но не обеспечивают коррекции коэффициента мощности. Тиристорные выпрямители с управлением поддерживают уровень постоянного напряжения, что повышает коэффициент мощности на входе до уровня выше 0.95 и снижает затраты на реактивную мощность при промышленном электроснабжении.
Современные активные выпрямители (АФВ) заменяют тиристоры на IGBT-транзисторы. В конструкциях с АФВ потребляется синусоидальный ток из сети с коэффициентом мощности, близким к единице, и даже возможна регенерация энергии в сеть во время замедления двигателя. Компромисс заключается в затратах на создание устройства, которое оказывается сложным в использовании. АФВ увеличивают стоимость преобразователя на 20-30 процентов, при этом исключается необходимость в тормозных резисторах в системах, которые часто работают в режиме остановок и пусков.
Конфигурации с 6, 12 и 18 импульсами
Число импульсов определяет, сколько раз выпрямитель проводит ток за один цикл переменного тока. Большее количество импульсов снижает гармонические искажения входного тока, что важно, поскольку энергоснабжающие компании все чаще наказывают предприятия с низким качеством электроэнергии.
Шестиимпульсный выпрямитель использует стандартный трехфазный мост и представляет собой простейшую конфигурацию. Он экономически эффективен, но генерирует значительные токи пятой и седьмой гармоник. Двенадцатиимпульсный выпрямитель использует два шестиимпульсных моста, питаемых фазосдвигающим трансформатором, что подавляет большую часть гармоник низшего порядка. В 18-импульсной конструкции добавляется третий мост, что еще больше снижает гармоники, часто соответствуя требованиям IEEE 519 без внешних фильтров.
Когда Чжан Мин, инженер по энергетическим системам на сталепрокатном заводе в провинции Хэбэй, в 2023 году модернизировала приводы насосов на своем предприятии, работающих на напряжении 3.3 кВ, местный оператор электросети пригрозил ей штрафами за гармонические искажения, основанными на измерениях качества электроэнергии. Ее команда заменила шестиимпульсные выпрямители на двенадцатиимпульсные. Пятая гармоника тока снизилась с 28 процентов до менее 6 процентов. Модернизация окупилась за 11 месяцев за счет предотвращения штрафов со стороны энергоснабжающей компании и снижения нагрева трансформаторов.
Этап 2: Цепь постоянного тока — фильтрация и накопление энергии
После выпрямления постоянный ток становится неровным и нестабильным. Он содержит пульсации, кратные входной частоте. Звено постоянного тока фильтрует эти пульсации и накапливает энергию, благодаря чему инвертор может получать чистый и стабильный ток даже при резких изменениях нагрузки.
Конденсаторные батареи и стабилизация шины постоянного тока
Шина постоянного тока функционирует как система, использующая значительные конденсаторные батареи для стабилизации колебаний напряжения и обеспечения непрерывной работы шины постоянного тока. Высоковольтные преобразователи частоты требуют, чтобы их конденсаторы работали в условиях напряжения от сотен до тысяч вольт. Для достижения необходимых параметров напряжения конструкторы используют последовательное соединение конденсаторов вместе с балансировочными резисторами.
Напряжение шины постоянного тока в инверторе напряжения работает при напряжении, в 1.35 раза превышающем входящее переменное напряжение сети, используемое в диодных и тиристорных выпрямителях. Система шины постоянного тока работает при напряжении 8.9 кВ при входном напряжении 6.6 кВ. Конденсаторная батарея должна быть рассчитана на работу с пульсациями тока, поглощение энергии от двигателя во время замедления и обеспечение устойчивости при кратковременных провалах напряжения.
На этом этапе цепи предварительной зарядки имеют решающее значение. Процесс запуска требует прямого подключения конденсаторов к выходу выпрямителя, что вызывает пусковой ток, превышающий тысячи ампер и выводящий из строя компоненты. Резистор предварительной зарядки ограничивает начальный ток, и как только конденсаторы достигают примерно 80 процентов номинального напряжения, контактор обходит резистор для нормальной работы.
Топологии источников напряжения и источников тока
Высоковольтные частотные преобразователи используют две основные архитектуры звена постоянного тока. Инверторы напряжения (VSI) поддерживают стабильное напряжение постоянного тока и подают на двигатель переменное напряжение и частоту. Это доминирующая топология в современных приводах, поскольку она обеспечивает превосходную динамическую характеристику и работает со стандартными асинхронными двигателями переменного тока.
Инверторы с источником тока (CSI) используют большой индуктор постоянного тока для поддержания постоянного тока, а не постоянного напряжения. Конструкции CSI естественным образом ограничивают ток короткого замыкания и могут работать с кабельными трассами двигателей протяженностью более одного километра без выходных фильтров. Они широко распространены в приложениях очень высокой мощности, превышающей 10 МВт, особенно в нефтегазовой и горнодобывающей отраслях.
Выбор между преобразователем напряжения (VSI) и преобразователем тока в цепи (CSI) влияет на всю конструкцию преобразователя, от выбора выпрямителя до совместимости с двигателем. Большинство промышленных покупателей сталкиваются с конструкциями, использующими источники напряжения, если только их применение специально не требует надежного ограничения тока, характерного для топологии CSI.
Этап 3: Инвертор — преобразование постоянного тока в переменный ток с регулируемой мощностью
Инвертор — это место, где происходит настоящее волшебство. Он преобразует стабильный постоянный ток из линии связи в переменный ток с переменной частотой и напряжением, который точно регулирует скорость вращения двигателя. В высоковольтном частотном преобразователе на этом этапе требуются самые современные полупроводниковые технологии.
Основы переключения IGBT и ШИМ
Биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT) являются основными рабочими элементами современных инверторных каскадов. IGBT работает как высокоскоростной переключатель. Включаясь и выключаясь тысячи раз в секунду, он преобразует постоянное напряжение в импульсы. Широтно-импульсная модуляция (ШИМ) изменяет ширину этих импульсов для создания среднего напряжения, приблизительно соответствующего синусоидальной волне.
Частота переключения в высоковольтных IGBT-транзисторах обычно составляет от 500 Гц до 2 кГц. Это ниже, чем 4–16 кГц, характерные для низковольтных приводов, поскольку высоковольтные IGBT-транзисторы переключаются медленнее и выделяют больше тепла. Более низкая частота переключения означает, что выходной сигнал содержит больше гармоник, поэтому в высоковольтных приложениях необходимы выходные фильтры.
Для точного управления ШИМ требуется точное измерение временных параметров. Контроллер рассчитывает необходимую последовательность импульсов в реальном времени на основе целевой частоты, напряжения и параметров двигателя. В современных приводах используется пространственная векторная модуляция (SVM), усовершенствованная технология ШИМ, которая обеспечивает примерно на 15 процентов более высокую эффективность использования шины постоянного тока, чем традиционная синусоидальная ШИМ. Система генерирует дополнительное выходное напряжение от существующей шины постоянного тока, что приводит к улучшению крутящего момента двигателя при работе на высоких скоростях.
Многоуровневые инверторные топологии для высокого напряжения
Двухуровневый инвертор переключает выходное напряжение между нулем и полным напряжением шины постоянного тока. При напряжении 6.6 кВ это создает огромные скачки напряжения, которые создают нагрузку на изоляцию двигателя и генерируют электромагнитные помехи. Высоковольтные частотные преобразователи решают эту проблему с помощью многоуровневых топологий, которые создают множество скачков напряжения между нулем и полным напряжением шины постоянного тока.
Три наиболее распространенные многоуровневые конструкции:
- Зажим нейтральной точки (NPC)В инверторах NPC используются ограничительные диоды для создания трех уровней выходного напряжения. Инверторы NPC компактны и широко используются в диапазоне напряжений от 2.3 кВ до 6.6 кВ. Они обеспечивают меньшие гармонические искажения, чем двухуровневые схемы, но сталкиваются с проблемами балансировки напряжения конденсаторов при более высоких уровнях мощности.
- Каскадный H-мост (CHB): Соединяет несколько H-мостовых ячеек последовательно, каждая со своим изолированным источником постоянного тока. Каждая ячейка переключается при низком напряжении, а последовательное соединение обеспечивает высоковольтный выход с множеством небольших ступенчатых изменений напряжения. Конструкции CHB обеспечивают чрезвычайно чистый синусоидальный выходной сигнал и имеют встроенное резервирование. В случае отказа одной ячейки привод может продолжать работу с пониженной мощностью.
- Модульный многоуровневый преобразователь (MMC)В нем используются сотни небольших субмодулей с плавающими конденсаторами. Топологии MMC масштабируются до самых высоких напряжений и уровней мощности, включая крупномасштабные приложения HVDC. В промышленных электроприводах конструкции MMC появляются для применений с напряжением выше 10 кВ и мощностью выше 20 МВт.
Последовательно соединенные IGBT-транзисторы и фильтрация выходного сигнала
Когда многоуровневые топологии нецелесообразны, разработчики последовательно соединяют отдельные IGBT-транзисторы, чтобы распределить блокирующее напряжение. Каждый IGBT-транзистор в цепочке должен одновременно включаться и выключаться в течение наносекунд. Специализированные драйверы затвора с активной балансировкой напряжения гарантируют, что ни одно устройство не будет передавать больше напряжения, чем ему положено.
Даже при многоуровневой конструкции выходной сигнал всё ещё содержит высокочастотные коммутационные составляющие. Выходные реакторы и синусоидальные фильтры поглощают эти гармоники до того, как они достигнут кабеля двигателя. Без надлежащей фильтрации резкое повышение напряжения (dv/dt) на каждом фронте переключения создаёт отражённые волны в длинных кабелях двигателя, которые могут удвоить напряжение на клеммах двигателя, разрушая изоляцию обмоток со временем.
Для приложений, требующих специализированных частотных выходов, выходящих за рамки стандартных 50 Гц или 60 Гц, наши Преобразователь частоты 400 Гц Эти системы обеспечивают одинаковую архитектуру AC-DC-AC, оптимизированную для авиационной и испытательной среды.
Системы управления и соотношение В/Гц
Силовая электроника без интеллекта — это всего лишь дорогостоящие переключатели. Система управления превращает набор полупроводников в прецизионный привод двигателя. В высоковольтном частотном преобразователе контроллер должен управлять временем переключения, защищать от неисправностей и оптимизировать производительность во всем диапазоне скоростей.
Принцип постоянной частоты V/Hz для защиты двигателя
Магнитный поток в двигателе переменного тока зависит от отношения напряжения к частоте. Если уменьшить частоту без пропорционального уменьшения напряжения, магнитный сердечник насытится, ток резко возрастет, и двигатель перегреется. Если увеличить частоту без повышения напряжения, поток ослабнет, и крутящий момент упадет.
Принцип постоянного напряжения V/Hz поддерживает это соотношение во всем диапазоне скоростей. При 50 Гц и 400 В соотношение составляет 8 В/Hz. При 25 Гц привод выдает 200 В. При 10 Гц он выдает 80 В.
Эта простая взаимосвязь защищает двигатель от перегрузки, обеспечивая при этом плавное регулирование скорости от почти нулевой до базовой.
При превышении базовой скорости привод переходит в режим ослабления поля. Напряжение не может превышать предел напряжения питания, поэтому частота увеличивается, а напряжение остается неизменным. Соотношение В/Гц падает, магнитный поток ослабевает, и двигатель жертвует крутящим моментом ради увеличения скорости. Именно поэтому стандартный двигатель с частотой 50 Гц может безопасно работать на частоте 75 Гц или 100 Гц, когда этого требует область применения.
Векторное управление и прямое управление крутящим моментом
Базовое управление по частоте (В/Гц) хорошо подходит для насосов и вентиляторов, где точная реакция на крутящий момент не имеет решающего значения. Для применений, требующих быстрого ускорения, точного позиционирования или высокого пускового момента, используются более совершенные методы управления.
Полеориентированное управление (FOC)Векторное управление, также называемое векторным управлением, математически разделяет ток двигателя на составляющие, создающие поток и крутящий момент. Контроллер регулирует их независимо, обеспечивая время отклика крутящего момента менее 5 миллисекунд. Векторное управление позволяет стандартному асинхронному двигателю работать как сервопривод в сложных условиях эксплуатации, таких как металлургические заводы и крановые подъемники.
Прямой контроль крутящего момента (DTC) Устраняет необходимость в отдельных регуляторах тока и ШИМ-модуляторах. Он напрямую управляет потоком и крутящим моментом двигателя, выбирая оптимальные состояния переключения инвертора на основе прогнозов модели двигателя в реальном времени. DTC обеспечивает самую быструю реакцию крутящего момента среди всех методов управления асинхронным двигателем, обычно менее 2 миллисекунд, и является предпочтительным выбором для обеспечения высокой динамической производительности в высоковольтных приложениях.
Особенности работы с высоковольтным оборудованием.
Для объяснения принципа работы необходимо рассмотреть факторы, отличающие высоковольтные преобразователи частоты от их низковольтных аналогов. Уровень напряжения определяет все аспекты требований безопасности, систем охлаждения и электромагнитной конструкции.
Требования к изоляции, заземлению и охлаждению
Высоковольтные преобразователи работают при уровнях потенциала, создающих электрические дуги, которые могут распространяться в воздушном пространстве и вызывать опасные контактные токи. Электронные компоненты системы защищены разделительными трансформаторами, которые отделяют их от силовой цепи. Система обеспечивает надежную работу при высоком напряжении благодаря сочетанию усиленных изоляционных систем, испытаний на частичные разряды и требований к расстоянию утечки.
Методы заземления, используемые в высоковольтных системах, отличаются от методов, применяемых в низковольтных системах. Специальные заземляющие сетки, используемые высоковольтными приводами, должны поддерживать уровень импеданса ниже 1 Ом. Вся система должна быть заключена в металлические корпуса для обеспечения соединения с заземляющей сеткой. Исследования дугового разряда определяют безопасные рабочие расстояния, а в распределительных устройствах должны быть предусмотрены дугогасительные барьеры, соответствующие максимальной допустимой токовой нагрузке короткого замыкания.
Процесс управления тепловыми процессами стал критически важной проблемой для инженерных целей. Преобразователь мощностью 10 МВт, работающий с КПД 98%, всё равно рассеивает 200 кВт тепла. Системы жидкостного охлаждения, использующие деионизированную воду или смеси воды и гликоля, стали стандартной практикой в системах мощностью более 5 МВт.
Для систем воздушного охлаждения необходимы обширные системы радиаторов, а также принудительная вентиляция с очисткой приточных компонентов. Герметичные шкафы с жидкостным охлаждением представляют собой единственное эффективное решение для горнодобывающей и цементной промышленности, где наблюдается чрезвычайно высокая запыленность окружающей среды.
Фильтры dv/dt и подавление гармоник
В ШИМ-инверторах резкие импульсы переключения создают скорость нарастания напряжения (dv/dt) от 3,000 до 10,000 вольт в микросекунду. Стандартная изоляция двигателя рассчитана на 500 В/мкс или менее. Без мер по снижению этих перенапряжений, резкие импульсы проникают в изоляцию обмоток и приводят к преждевременному выходу из строя.
Фильтры dv/dt замедляют повышение напряжения на выходе преобразователя. Они состоят из индукторов и конденсаторов, настроенных на поглощение высокочастотной энергии без влияния на основную форму выходного сигнала. Для кабельных трасс длиной более 100 метров становятся обязательными синусоидальные фильтры или оконечные цепи для двигателей.
Снижение гармоник выходит за рамки подсчета импульсов выпрямителя. Активные гармонические фильтры, настроенные пассивные фильтры и широкополосные фильтры электромагнитных помех предотвращают воздействие кондуктивных и излучаемых помех на расположенные рядом системы управления и коммуникационное оборудование. Соответствие стандартам IEC 61800-3 и IEEE 519 является стандартной практикой для промышленных установок.
Современные инновации в проектировании высоковольтных преобразователей
Принцип работы высоковольтных преобразователей частоты на протяжении десятилетий оставался принципиально неизменным: переменный ток - постоянный ток - переменный ток, однако компоненты, реализующие этот принцип, быстро развиваются. Новые полупроводниковые материалы и топологические инновации переписывают стандарты эффективности и надежности.
Полупроводники на основе карбида кремния и модульные многоуровневые преобразователи
МОП-транзисторы на основе карбида кремния (SiC) обеспечивают скорость переключения, в пять раз превышающую скорость переключения кремниевых IGBT-транзисторов, при этом потребляя вдвое меньше энергии, чем устройства на основе кремния. Модуль SiC на 10 кВ достигает частоты переключения 5 кГц, что превосходит показатели кремниевых IGBT-транзисторов, переключающихся только на частоте 1 кГц. Более высокая частота переключения приводит к уменьшению размера фильтра, что обеспечивает лучшие выходные сигналы и снижает риск повреждения двигателя.
Повышение эффективности значительное. Высоковольтные частотные преобразователи на основе SiC достигают КПД 99.2% при 50% нагрузке, в то время как конструкции на основе кремниевых IGBT достигают КПД от 97 до 98%. Улучшение на 1-2% приводит к экономии энергии от 160 000 до 320 000 кВт·ч для системы мощностью 20 МВт, работающей 8,000 часов в год.
Другой важный технологический прорыв связан с электронными модульными многоуровневыми преобразователями (MMC). В конструкциях MMC используются сотни небольших субмодулей для создания синусоидального выходного сигнала, что исключает необходимость в выходных фильтрах и предотвращает проблемы последовательного соединения. В настоящее время в системах передачи HVDC стандартными являются топологии MMC, а в промышленных системах управления электродвигателями напряжением выше 10 кВ эти системы также используются.
На очистных сооружениях в провинции Гуандун в 2024 году будут использованы модульные конструкции на основе SiC для замены четырех устаревших приводов на основе IGBT с напряжением 6.6 кВ. Новые преобразователи полностью исключили фильтры синусоидального выходного сигнала, уменьшили занимаемую площадь шкафа на 35 процентов и снизили потребление электроэнергии на охлаждение на 40 процентов. Руководитель предприятия Чен Хуэй отметил, что наиболее неожиданным преимуществом стало снижение уровня шума, поскольку высокая частота переключения создавала звуки, которые не слышат люди, тем самым устраняя тот самый шум, который мешал работникам в течение многих лет.
Силовые электронные трансформаторы (СЭТ) представляют собой следующий рубеж. Эти устройства заменяют традиционные трансформаторы 50/60 Гц высокочастотными разделительными каскадами, что позволяет создавать более компактные и легкие устройства. В настоящее время технология СЭТ разрабатывается для промышленных электроприводов, а также проходит испытания в системах тяги и системах возобновляемой энергии, где требуется малый вес трансформаторов.
Заключение
Высоковольтный преобразователь частоты работает по простому и базовому методу передачи энергии. Выпрямительный каскад преобразует переменный ток из сети в постоянный ток, который поступает в систему. В энергосистеме используется звено постоянного тока для фильтрации и стабилизации электрического тока.
Инверторный каскад использует точные полупроводниковые переключатели для преобразования входного сигнала в переменный ток с изменяющейся частотой и напряжением. Усовершенствованная система управления поддерживает правильное соотношение напряжения и частоты, одновременно защищая двигатель и обеспечивая оптимальную производительность для выполнения заданных задач.
Разница между хорошим и отличным преобразователем заключается в деталях его реализации. Реализация начинается с выбора между тиристорным и активным выпрямлением на входе, выбора между двухуровневыми и многоуровневыми инверторными схемами, оценки конденсаторов звена постоянного тока и алгоритмов системы управления. В высоковольтных системах с напряжением выше 3.3 кВ каждое проектное решение имеет решающее значение, поскольку последствия неправильного выбора топологии или неадекватной фильтрации приводят к повреждению оборудования и простоям производства.
Для инженеров и закупочных групп, оценивающих высоковольтные преобразователи частоты, ключевым моментом является соответствие топологии и выбора компонентов реальному применению. Насос, работающий с постоянной скоростью 90 процентов времени, предъявляет иные требования, чем намоточная машина сталелитейного завода, меняющая направление вращения каждые 30 секунд. Необходимо понимать принцип работы, задавать правильные вопросы о топологии и защите, а также выбирать производителя с подтвержденным опытом работы с вашим уровнем напряжения и мощности.
Если вам необходима техническая консультация по выбору высоковольтного частотного преобразователя, топологии или индивидуальной конфигурации для вашего промышленного применения, свяжитесь с нашей командой инженеровМы проектируем и производим системы преобразования переменного тока в постоянный и обратно в переменный ток в диапазоне от 3.3 кВ до 11 кВ, разработанные с учетом специфических требований горнодобывающей, цементной, нефтегазовой и энергетической отраслей по всему миру.
Часто задаваемые вопросы (FAQ)
Как пошагово работает высоковольтный преобразователь частоты?
Высоковольтный преобразователь частоты работает в три этапа. Во-первых, выпрямитель преобразует поступающую переменную мощность сети в постоянный ток с помощью тиристорных мостов или активных входных переключателей. Во-вторых, звено постоянного тока фильтрует и накапливает эту энергию в конденсаторных батареях. В-третьих, инвертор переключает постоянный ток обратно в переменный с контролируемой частотой и напряжением, используя IGBT или SiC MOSFET с ШИМ-модуляцией.
В чём разница между высоковольтным и низковольтным преобразователем частоты?
Принцип работы идентичен, но в высоковольтных преобразователях используются другие компоненты и топологии. В низковольтных приводах обычно применяются простые диодные мосты и двухуровневые IGBT-инверторы на напряжении от 230 до 480 В. Высоковольтные преобразователи выше 3.3 кВ требуют многоимпульсных тиристорных выпрямителей, многоуровневых инверторных топологий и усовершенствованной фильтрации выходного сигнала для работы с повышенным напряжением и проблемами гармоник.
Зачем высоковольтным преобразователям частоты нужны многоуровневые инверторы?
В системах с напряжением 6.6 кВ или 10 кВ ни один полупроводниковый переключатель не может безопасно блокировать все напряжение шины постоянного тока. Многоуровневые инверторы распределяют напряжение между несколькими каскадами переключения, создавая меньшие шаги напряжения. Это снижает электрическую нагрузку на отдельные компоненты, уменьшает гармонические искажения и обеспечивает более чистую форму выходного сигнала, что безопаснее для изоляции двигателя.
Что такое отношение В/Гц и почему оно важно?
Соотношение В/Гц — это отношение выходного напряжения к выходной частоте в частотном преобразователе. Поддержание постоянного соотношения В/Гц обеспечивает постоянный магнитный поток в двигателе. Если частота падает без пропорционального снижения напряжения, сердечник двигателя насыщается и перегревается.
Если частота увеличивается без повышения напряжения, крутящий момент снижается. Контроллер автоматически поддерживает это соотношение для защиты двигателя во всем диапазоне скоростей.
Полупроводники на основе карбида кремния (SiC) лучше, чем IGBT-транзисторы, для высоковольтных преобразователей?
МОП-транзисторы на основе карбида кремния (SiC) обеспечивают более высокую скорость переключения, меньшие потери при переключении и более высокую термостойкость, чем кремниевые IGBT-транзисторы. Для новых установок преобразователи на основе SiC могут обеспечить повышение эффективности на 1–2% и исключить некоторые фильтрующие компоненты. Однако в настоящее время устройства на основе SiC стоят дороже, чем IGBT-транзисторы, поэтому выбор зависит от общей стоимости жизненного цикла, целевых показателей эффективности и времени работы.
