Сравнение двух-трансформаторной схемы и высоковольтного преобразователя частоты

Под частотно-регулируемым приводом (ЧРП) понимается комплектная система управления, состоящая из преобразователя частоты и электродвигателя, а не отдельно взятый преобразователь частоты (ПЧ).

Двух-трансформаторные схемы с использованием низковольтного преобразователя частоты для организации высоковольтного ЧРП, управляющего электродвигателем с напряжением питания 6-10 кВ нашли применение в 90-х годах прошлого века в качестве бюджетной альтернативы более дорогостоящим высоковольтным ПЧ при мощностях в диапазоне от 250 кВт до 1000 кВт. 

В основе такой схемы лежит двойное последовательное преобразование напряжения с помощью двух трансформаторов: понижающего (Т1) и повышающего (Т2). Схема изображена ниже на рис. 1.

Двух-трансформаторная схема высоковольтного ЧРП

Рис. 1. Двух-трансформаторная схема высоковольтного ЧРП

Трёхфазное синусоидальное напряжение величиной 6 кВ из питающей сети подаётся на трансформатор понижения Т1. Выходное трёхфазное напряжение трансформатора Т1 составляет 400 (660) В и затем оно подаётся на низковольтный преобразователь частоты ПЧ. Следующим этапом становится повышение напряжения переменной частоты до начальных 6 кВ посредством  трансформатора Т2.

Такой способ двойной трансформации является относительно простым и кажется довольно дешевым методом преобразования частоты. Он позволяет использовать в конструкции недорогой низковольтный частотный преобразователь, в то время как высоковольтные преобразователи частоты стоят существенно дороже. Однако, при более детальном рассмотрении выясняется, что на самом деле цена такого устройства выше ожидаемой.

Напряжение на выходе из ПЧ имеет пиковые перенапряжения с частотой следования 5-20 кГц и амплитудой 1-1,5 кВ. Для защиты от пробоев на выходе ПЧ необходимо обязательно ставить синусоидальный трёхфазный фильтр, но это достаточно дорогое и сложное устройство для токов в несколько кА. Также высокие токи требуют кабелей большого сечения, а это значительно увеличивает и массу, и габариты устройства в целом.

Мощность входного трансформатора должна быть выше мощности преобразователя частоты. Это объясняется повышенным током потребления из-за токов заряда конденсаторов в блоке выпрямителя при подключении преобразователя к сети и в моменты пиковых перегрузок.

Двух-трансформаторная схема подключения преобразователя частоты имеет ограниченный диапазон регулирования скорости вращения вала двигателя, что связано с невозможностью понизить выходную частоту без нагрева сердечника и нарушения режима работы Т2. Из этого следует, что хотя номинально диапазон регулирования выглядит большим, на практике, при больших отклонениях от номинала, КПД всего привода заметно снижается, а экономия электроэнергии — один из главных стимулов покупки ЧП — стремится к нулю. Фактически регулирование возможно в пределах nном>n>0,5nном. Для расширения диапазона в конструкции могут быть использованы трансформаторы с большим сечением магнитопровода, однако это повышает габариты, массу и стоимость устройства.

Увеличение частоты чревато лишними потерями в сердечнике Т2, т.к. энергия будет расходоваться на вихревые токи и перемагничивание. При этом Т1, входной трансформатор, представляющий собой индуктивную нагрузку, для создания адекватного коэффициента мощности требует подключения дополнительного конденсатора, который бы корректировал Cos φ.

Из вышесказанного следует, что главные недостатки двух-трансформаторной схемы — это относительно низкий КПД, высокие массо-габаритные характеристики, невысокая надёжность, а также узкий диапазон регулирования (всего 1:2). Номенклатурный ряд мощностей таких ПЧ ограничен мощностью низковольтного преобразователя до 1000 кВт., в зависимости от производителя.  Тем не менее, двух-трансформаторные схемы до сих пор применяются довольно часто и есть энтузиасты этого решения (которые, как правило, не в состоянии предложить инженерное внедрение современного высоковольтного преобразователя частоты).

Тем не менее на современном этапе развития мировой и отечественной приводной техники происходит неуклонное снижение относительной стоимости высоковольтных преобразователей частоты и двух-трансформаторная схема построения регулируемого высоковольтного привода уже не выглядит столь убедительно.

В таблице отражены наиболее существенные отличия в характеристиках низковольтных и высоковольтных ЧРП.

Характеристика Двух-трансформаторная схема с низковольтным ПЧ Преобразователь частоты с многообмоточным трансформатором*
КПД 86 – 90% с учетом потерь на двух трансформаторах и фильтре от 96,5%, отсутствие потерь в двигателе от высших гармоник
Регулирование ограниченный диапазон регулирования частоты вращения двигателя как сверху, так и снизу от номинальной частоты nном>n>0,5nном Во всем диапазоне
Габариты Больше, но трансформаторы могут находиться на удалении от преобразователя частоты. Разводка низковольтной части преобразователя требует кабелей большого сечения с большими радиусами гиба, что увеличивает массогабаритные характеристики и предъявляет дополнительные требования к обустройству кабельных каналов  
Наличие выходного (синусного) фильтра обязательно не требуется
Наличие высших гармоник 5-10% в зависимости от фильтров. Искажения выше допустимых ГОСТ (5%), оказывают негативное влияние на кабели и электродвигатель менее 4 %
Устойчивость к изменению входного напряжения силовой сети Не более +10% – – 10%.  При скачках напряжения выше указанного предела происходит аварийное отключение преобразователя частоты Рабочий диапазон +15% … – 20%,  в отдельных случаях до -30%
Устойчивость к отклонению частоты напряжения питающей сети в диапазоне ±2%  (49 – 51 Гц) ±10%  (45 – 55 Гц)
Ограничения на длину кабеля, ведущего к двигателю Есть (вследствие наличия высших гармоник) Практически нет, есть внедрения с длиной кабеля более 15 км

* Характеристики высоковольтного решения указаны с учетом применения современного преобразователя частоты с многообмоточным трансформатором, на IGBT-транзисторах. Такое решение не требует наличия выходного трансформатора, не разрушает изоляцию двигателя (эффект du/dt) и является наиболее технически совершенным.

X