Регулируемые преобразователи частоты для питания высоковольтных электроприводов переменного тока от промышленной сети

№ 2’2007
В статье вниманию читателей предлагаются рациональные схемотехнические решения для регулируемых преобразователей частоты, предназначенных для питания высоковольтных двигателей переменного тока от промышленной сети. К таким электродвигателям относятся, например, электроприводы погружных центробежных и винтовых насосов для добычи нефти. Решения позволяют минимизировать массу и габариты станции управления двигателем, а также приблизить к единице коэффициент потребляемой из сети мощности.

В статье вниманию читателей предлагаются рациональные схемотехнические решения для регулируемых преобразователей частоты, предназначенных для питания высоковольтных двигателей переменного тока от промышленной сети. К таким электродвигателям относятся, например, электроприводы погружных центробежных и винтовых насосов для добычи нефти. Решения позволяют минимизировать массу и габариты станции управления двигателем, а также приблизить к единице коэффициент потребляемой из сети мощности.

При относительно большом удалении электродвигателя переменного тока от преобразователя частоты (регулируемого вторичного источника питания) его якорную обмотку выгодно рассчитывать на повышенное напряжение. Так, например, электроприводы погруженных центробежных и винтовых насосов для добычи нефти имеют напряжение питания до 2,4 кВ (при удаленности до 3 км и более).

Обычные схемотехнические решения при реализации станций управления такими электродвигателями из-за дефицитности, дороговизны и низкой надежности высоковольтных полупроводниковых ключей (IGBT-транзисторов на напряжение 3кВ при токе до 100 А и частоте 4 кГц) предполагают наличие повышающего низкочастотного трансформатора на выходе регулируемого преобразователя частоты. При рабочей частоте питания двигателей в диапазоне от 20 до 200 Гц удельная масса такого трансформатора (при мощности порядка 100 кВт и масляном охлаждении) составляет не менее 6 кг/кВА. С учетом современных требований к сохранению качества сетевого напряжения, к загрузке сети реактивной мощностью и к ее КПД коэффициент мощности на входе станции управления ? = P/S (кВт/кВ·А) должен быть близок к единице.

В качестве основных задач перспективной модернизации подобных преобразователей частоты сформулированы следующие две:

  • исключение громоздкого выходного низкочастотного трансформатора, но без применения дефицитных, дорогих и малонадежных высоковольтных транзисторов;
  • повышение коэффициента мощности со стороны питающей сети путем активной его коррекции [1–3].

К дополнительным, попутно решаемым задачам можно отнести еще две:

  • повышение ресурса электродвигателя и питающего кабеля;
  • снижение энергопотребления.

Наиболее рациональной структурой регулируемого преобразователя частоты представляется следующая: три комбинированных однофазных модуля, состоящих из ШИМ-корректора мощности (КМ) с трансформаторным конвертором (ТК), а также активный фильтр напряжения (АФН) или тока (АФТ) и высоковольтный трехфазный инвертор квазисинусоидального (ступенчатого или ступенчатого с ШИМ-регулированием) напряжения (ТИН) или прямоугольного тока (ТИТ) соответственно.

Варианты структур преобразователей частоты соответствуют типам приводных электродвигателей и выбранным высоковольтным силовым ключам.

I и II варианты с ТИН

Эти варианты являются универсальными для двигателей трех типов:

  • синхронные (СД) с магнитоэлектрическим (МЭД) или электромагнитным возбуждением с контролем синфазности, управляемые по сигналу активного или пассивного датчика положения ротора, который передается по специальному (например, коаксиальному) кабелю управления (КУ) — так называемые бесколлекторные двигатели постоянного тока (БДПТ);
  • синхронные с контролем синхронизации скорости (либо непрерывным — по оценке форм тока и напряжения, либо периодическим — по измерению частоты ЭДС двигателя в повторно-кратковременных паузах всего 3-фазного питания);
  • асинхронные (АД) в режиме амплитудночастотного управления (с косвенным контролем скольжения и момента).

В I варианте в схеме с ТИН используются высоковольтные (до 3 кВ) запираемые (двухоперационные) и однооперационные тиристоры, а во II — серийные относительно низковольтные (до 1,7 кВ) IGBT-транзисторы.

III вариант c ТИТ

Этот вариант (на базе IGBT-транзисторов) при непосредственном подключении нагрузки без емкостного фильтра переменного тока не пригоден для питания асинхронных двигателей. Его основное преимущество проявляется при питании МЭД в режиме БДПТ без датчика положения ротора, с управлением путем фиксации нулей в кривой ЭДС в регулярных токовых паузах. В отличие от I варианта, он не подвержен возникновению колебаний из-за воздействия пульсаций выпрямленного напряжения (с частотой 300 Гц) на контур, образованный кабельной емкостью и суммарной индуктивностью кабеля и якорной обмотки двигателя. К его недостаткам относятся существенные масса и габариты емкостного фильтра, а также большие тепловые потери в обмотках якоря и в подводящих проводах из-за высших гармоник тока (снижение КПД и ресурса изоляции).

На рис. 1 приведены принципиальная схема для I варианта преобразователя частоты — с высоковольтным трехфазным инвертором квазисинусоидального (двухуровневого) напряжения на базе запираемых (двухоперационных ) и однооперационных тиристоров.

Рис. 1. Регулируемый преобразователь частоты (РПЧ) с трехфазным корректором мощности (КМ), активным фильтровым звеном постоянного напряжения (АФН) и высоковольтным трехфазным двухуровневым инвертором напряжения (в/в ТИН) на высоковольтных запираемых тиристорах для управления высоковольтными двигателями переменного тока (АД, СД, БДПТ)

На входе преобразователя имеются три однофазных модуля В-КМ-ТК1,2,3, схема первого из которых раскрыта относительно подробно. Линейное или фазное сетевое напряжение выпрямляется мостовым выпрямителем (В) и через радиофильтр в форме |sin ωt| поступает на вход однофазного ШИМ-корректора мощности с выходным трансреактором (TV-L). Две вторичные обмотки (N2 и N2

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *