Меню

Что такое статический преобразователь переменного тока

Преобразователи частоты

В данной статье мы рассмотрим что такое частотный преобразователь, сферы применения преобразователей частоты, их плюсы и минусы, а также схемы частотников.

  1. Виды преобразователей частоты
  2. Способы управления преобразователем
  3. Режимы управления частотными преобразователями
  4. Преимущества частотных преобразователей
  5. Сферы применения

Преобразователи частоты (или частотники) – электротехническое оборудование для регулирования частоты переменного напряжения. Основная сфера применения этих устройств – изменение частоты вращения и крутящего момента электрических машин асинхронного типа. Принцип действия управления и регулирования основан на зависимости скорости вращения магнитного поля от частоты питающего напряжения.

Асинхронные электродвигатели широко используются в качестве приводов промышленного оборудования, насосных агрегатов, регулирующей арматуры и других устройств. Основным недостатком этих электрических машин являются постоянная скорость вращения, большие пусковые токи. При помощи частотных преобразователей возможно устранить эти недостатки и существенно расширить сферу применения электродвигателей переменного тока.

Виды преобразователей частоты

Частотные преобразователи различаются по конструкции, принципу действия, способу управления. По конструктивному исполнению преобразователи частоты разделяют на две большие группы:

Электромашинные частотники.

Электромашинные или индукционные преобразователи частоты представляют собой двигатели переменного тока, включенные в режим генератора. Применяются такие электротехнические устройства относительного редко, в условиях, где затруднено или невозможно применение электронных частотных преобразователей.

Электронные преобразователи.

Полупроводниковые ЧП состоят из силовой части, выполненной на транзисторах или тиристорах, и схемы управления на базе микроконтроллеров. Это электротехническое оборудование пригодно для трехфазных и однофазных приводов любого назначения. Различают ЧП с непосредственной связью с питающей сетью и устройства с промежуточным звеном постоянного тока.

Непосредственные преобразователи частоты

Такие частотники построены на базе быстродействующих тиристорных преобразователей, включенных по мостовым, перекрестным, нулевым и встречно-параллельным схемам.

Устройства такого типа включаются непосредственно в питающую сеть.

Плюсы непосредственных преобразователей частоты:

  • Возможностью рекуперации электроэнергии в сеть при работе в режиме торможения двигателя. Непосредственное включение обеспечивает двусторонний обмен электричеством.
  • Высоким к.п.д. за счет однократного преобразования частоты.
  • Возможностью наращивания мощности за счет присоединения дополнительных преобразователей.
  • Широким диапазоном низких частот. Непосредственные преобразователи обеспечивают стабильную работу привода на малых скоростях.

Минусы непосредственных преобразователей частоты:

  • Аппроксимированная форма выходного напряжения с наличием постоянных составляющих и субгармоник. Такая форма переменного напряжения на выходе устройства вызывает дополнительный нагрев двигателя, снижает момент, создает помехи.
  • Частота напряжения на выходе преобразователя не превышает аналогичную характеристику сетевого напряжения. Таким образом, при помощи этих устройств можно только снижать скорость вращения двигателей.
  • Основная сфера непосредственных преобразователей – электроприводы на базе асинхронных и синхронных двигателей большой и средней мощности.

Преобразователи частоты с промежуточным звеном постоянного тока.

Частотные преобразователи этого типа выполнены на базе схемы двойного преобразования. Питающее сетевое напряжение преобразуется в постоянное, затем сглаживается и инвертируется в переменное выходное напряжение заданной частоты.

Плюсы преобразователей с промежуточным звеном постоянного тока:

  • Возможностью получения выходного напряжения с частотой как выше, так и ниже аналогичного параметра сети питания. Частотники на базе схемы двойного преобразования используют для высоко- средне- и низкоскоростных электроприводов.
  • Чистой синусоидальной формой напряжения на выходе. Схема преобразователя позволяет получать переменное напряжение с минимальным отклонением от синусоидальной формы.
  • Возможностью построения простых и сложных силовых и управляющих схем для приводов с различными требованиями к скорости реагирования, диапазону скоростей.
  • Возможностью адаптации к сетям постоянного тока. Преобразователи данного типа можно приспособить для питания от резервных и аварийных источников постоянного тока без дополнительных устройств. Это позволяет применять такие частотники в приводах ответственного оборудования с резервными источниками электроэнергии.
  • Разнообразием алгоритмов управления. Преобразователи со звеном постоянного тока можно запрограммировать и адаптировать практически ко всем электроприводам, в том числе и претенциозным, где требуется особо точное регулирование скорости и момента.

Минусы преобразователей с промежуточным звеном постоянного тока:

  • Относительно большую массу и габариты, что обусловлено наличием выпрямительного, фильтрующего и инверторного блоков.
  • Повышенные потери мощности. Схема двойного преобразования несколько уменьшает общий к.п.д.

Устройство преобразователей с промежуточным звеном постоянного тока

Состоят такие преобразователи из нескольких основных блоков:

  • Выпрямителя. Для ЧП используются диодные и тиристорные преобразователи постоянного тока. Первые отличаются высоким качеством постоянного напряжения практически с полным отсутствием пульсации, низкой стоимостью и надежностью. Однако диодные выпрямители не позволяют реализовать возможность рекуперации электроэнергии в сеть при торможении двигателя. Выпрямители на тиристорах обеспечивают возможность протекания тока в обоих направлениях и позволяют отключать преобразователь от сети без дополнительной коммутирующей аппаратуры.
  • Фильтра. Выходное напряжение тиристорных управляемых выпрямителей имеет значительную пульсацию. Для ее сглаживания используют реакторы, емкостные или индуктивно-емкостные фильтры.
  • Инвертора. В ЧП используют инверторы напряжения и тока. Последние обеспечивают рекуперацию электроэнергии в сеть и применяются для управления электрическими машинами с частым пуском, реверсом и остановкой, например, крановыми двигателями.
  • Частотники на базе инверторов напряжения выдают на выходе напряжение формы “чистый синус”. Благодаря этому преобразователи такого типа получили наиболее широкое распространение.
  • Микропроцессора. Этот блок осуществляет управление входным выпрямителем, прием и обработку сигналов с датчиков, взаимодействие с автоматизированной системой высшего уровня, запись и хранение информации о событиях, формирует выходное напряжения ЧП соответствующей частоты. А также выполняет функции защиты от перегрузок, обрыва фазы и других аварийных и ненормальных режимов работы.

Способы управления преобразователем

По принципу управления различают 2 основных вида частотных преобразователей:

ЧП со скалярным управлением

Частотники этого типа выдают на выходе напряжение определенной частоты и амплитуды для поддержания определенного магнитного потока в обмотках статора. Частотники с таким принципом регулирования отличаются относительно низкой стоимостью, простотой конструкции. Нижний предел регулировки скорости составляет около 10 % от номинальной частоты вращения. Их можно использовать для управления сразу несколькими двигателями. Скалярные ЧП используют для приводов насосных агрегатов, вентиляторов и других устройств и оборудования, где не требуется поддерживать скорость вращения ротора вне зависимости от нагрузки.

ЧП с векторным управлением

Микропроцессорные устройства преобразователей с векторным управлением автоматически вычисляют взаимодействие магнитных полей статора и ротора. ЧП такого типа обеспечивают постоянную частоту вращения ротора вне зависимости от нагрузки. Они используются для оборудования, где необходимо поддерживать необходимый момент силы при низких скоростях, высокое быстродействие и точность регулирования. Применение векторных ЧП позволяет регулировать частоту вращения, задавать требуемый момент на валу.

ЧП с векторным управлением делятся на преобразователи бездатчикового типа и устройства с обратной связью по скорости. Последние используются для приводов с широким диапазоном регулирования скорости до 1:1000, необходимости позиционирования точного положения вала, регулирования момента при низких скоростях, точного поддержания частоты вращения, пуска двигателя с номинальным моментом. Преобразователи без датчика скорости применяют для приводов с более низкими требованиями.

Режимы управления частотными преобразователями

В большинстве моделей современных частотных преобразователей реализована возможность управления в нескольких режимах:

Читайте также:  Реферат область применения реле постоянного тока

1) Ручное управление.

2) Внешнее управление.

3) Управление по дискретным входам или “сухим контактам”.

4) Управление по событиям.

Преимущества частотных преобразователей.

1) Экономия электроэнергии.

2) Увеличение срока службы промышленного оборудования.

3) Отсутствие необходимости проводить техническое обслуживание.

4) Возможность удаленного управления и контроля параметров оборудования с электроприводом.

5) Широкий диапазон мощности двигателей.

6) Защита электродвигателя от аварий и аномальных режимов работы.

7) Снижение уровня шума работающего двигателя.

Сферы применения

Частотно-регулируемые приводы применяют:

  • Для кранов и грузоподъемных машин . Крановые двигатели работают в режиме частых пусков, остановок, изменяющейся нагрузки. ЧП обеспечивают отсутствие рывков и раскачивания груза при пусках и остановках, остановку крана точно в требуемом месте, снижают нагрев электродвигателей и максимальный пусковой момент.
  • Для привода нагнетательных вентиляторов в котельных и дымососов. Общее управление с плавной регулировкой дутьевых и вытяжных вентиляторов позволяет автоматизировать процесс горения и обеспечить максимальный к.п.д . котельных агрегатов.
  • Для транспортеров, прокатных станов, конвейеров, лифтов. ЧП регулирует скорость перемещения транспортного оборудования без рывков и ударов, что увеличивает срок службы механических узлов. Для насосных агрегатов. ЧП позволяют обойтись без задвижек и вентилей, регулирующих давление и производительность, и существенно увеличить общий к.п.д системы водоподачи.
  • Для электродвигателей станков. Использование преобразователя частоты вместо коробки передач позволяет плавно увеличивать или уменьшать частоту вращения рабочего органа станка, осуществлять реверс. ЧП широко используются для станков с ЧПУ и высокоточного промышленного оборудования.

Внедрение частотно-регулируемых приводов дает значительный экономический эффект. Снижение затрат достигается за счет сокращения потребления электроэнергии, расходов на ремонт и ТО двигателей и оборудования, возможности использования более дешевых асинхронных электродвигателей с короткозамкнутым ротором, а также сокращения других производственных издержек. Средний срок окупаемости частотных преобразователей составляет от 3-х месяцев до трех лет.

Источник

Статический преобразователь

Тиристорный статический преобразователь.jpg

Статический преобразователь — устройство, предназначенное для преобразования рода тока, напряжения и частоты в силовых, вспомогательных и низковольтных цепях управления и защиты на электроподвижном составе (ЭПС) и тяговых подстанциях, в устройствах связи и СЦБ, в депо и т. д. Статический преобразователь не содержит подвижных частей, состоит из трансформатора (на переменном токе), управляемых и неуправляемых вентилей, аппаратуры управления, охлаждения, защиты и сигнализации.

Классификация преобразователей

По виду применяемых вентилей статические преобразователи подразделяют на ионные (газотронные, ртутные) и полупроводниковые (кремниевые, селеновые, германиевые и др.); по типу вентилей — на диодные, тиристорные и диодно-тиристорные, с 1990-х годов получают распространение транзисторные преобразователи. На тяговых преобразователях подвижного состава в настоящее время применяются запираемые тиристоры (GTO) и транзисторы IGBT в зависимости от мощности привода.

По выполняемым функциям выделяют выпрямительные преобразователи, инверторные и выпрямительно-инверторные преобразователи; по способу регулирования напряжения — на импульсные (постоянного тока), импульсно-фазовые, зонно-фазовые, частотные, частотно-импульсные, широтно-импульсные и др.

Статические преобразователи могут быть зависимыми от питающего напряжения (для ЭПС переменного тока) и независимыми (для ЭПС постоянного тока); выполняются с охлаждением естественным и принудительным, воздушным и жидкостным (масляным), а также термосифонным.

Конструктивно статические преобразователи могут быть стационарными и передвижными, на ЭПС внутрикузовными (внутривагонными) и подвагонными.

Статические преобразователи силовых цепей подстанций и ЭПС изготовляют в виде шкафов или панелей, в которых устанавливают вентили. По схеме соединения вентилей различают статические преобразователи 2-, 4-плечевые (мостовые), 6-, 8-, 10-плечевые и другие с последовательно-параллельным включением вентилей.

На ЭПС применяют статические преобразователи в тяговом исполнении (см. рис.) с электрическими вентилями, выполненные с учётом соответствующих технических условий. В маломощных, низковольтных статических преобразователях используют вентили общетехнического изготовления.

На железной дороге распространены также полупроводниковые статические преобразователи, более надёжные по сравнению с ртутными, имеющие меньшие габаритные размеры и массу, больший срок службы, не токсичные при обслуживании и ремонте.

Статические преобразователи для ЭПС должны обеспечивать:

работоспособность ЭПС без ограничений мощности при выходе из строя одного из вентилей (в любом плече) и при повреждениях в цепях управления; удобную и быструю замену повреждённых вентилей;

устойчивую работу при изменении значения и формы питающего напряжения в установленных пределах.

При работе статические преобразователи открываются и закрываются в соответствии с заданным алгоритмом управления, в результате чего в нагрузке возникает ток в определённые периоды времени. На ЭПС устанавливают один или несколько силовых статических преобразователей, от каждого из которых питается один или несколько тяговых электродвигателей. Мощность таких статических преобразователей — до нескольких тысяч кВт, рабочее напряжение — от единиц до нескольких тысяч В; сила тока — от единиц до нескольких тысяч А.

Совершенствование статических преобразователей возможно в направлении улучшения их параметров, снижения габаритных размеров и массы, уменьшения числа вентилей при обеспечении той же мощности, повышения надёжности, упрощения системы обслуживания и ремонта.

История развития и области применения

Первыми на электрическом транспорте получили распространение ртутные (игнитронные) выпрямители, применявшиеся на тяговых подстанциях для преобразования тока промышленной частоты в постоянный. Они использовались также для питания тяговых двигателей на первых электровозах переменного тока. До 1960-х годов ртутные выпрямители оставались единственными аппаратами, имевшими массовое распространение.

Ртутные выпрямители имели ряд недостатков, главными из которых были большие габариты и опасность выделения ртутных паров при повреждении корпуса аппарата. По мере появления кремниевых и германиевых вентилей ртутные выпрямительные установки были заменены полупроводниковыми. Полупроводниковые диодные выпрямители до сих пор широко применяются на тяговых подстанциях постоянного тока, электровозах переменного тока, тепловозах с передачей переменно-постоянного тока.

С 1960-х годов предпринимались попытки создания бестрансформаторных преобразователей постоянного тока и инверторов на основе тиристоров, но преобразователи на их основе имели низкую надежность, высокую стоимость и большие габариты, что сдерживало их массовое применение. Сдерживал их распространение и низкий технический уровень большинства эксплуатационных предприятий. Отдельные полупроводниковые приборы имели малое напряжение пробоя и номинальный ток, что приводило к необходимости применения в силовых преобразователях сборок с большим числом приборов. Предлагались схемы ЭПС, в которых тиристорные преобразователи тягового тока использовались совместно с контактными аппаратами, а иногда и с реостатным регулированием для уменьшения числа ступеней и повышения плавности регулирования, однако они не получили массового применения.

Основными областями применения тиристорных преобразователей были управляемые выпрямители на тяговых подстанциях, где требования к массогабаритным характеристикам менее жесткие, а также преобразователи собственных нужд и регуляторы поля тяговых двигателей на подвижном составе, так как в этих цепях коммутируемые токи сравнительно малы.

С 1974 года серийно строились электровозы ВЛ80 р , на которых тиристорный преобразователь использовался не только для плавного регулирования тока тяговых двигателей, но и был способен работать в режиме инвертора, обеспечивая рекуперацию. На городском транспорте СССР массовое применение тяговых статических преобразователей на основе тиристоров началось только с середины 80-х годов.

Читайте также:  Трансформатор тока сколько меди содержится

Начиная с 2000-х годов в России массово строится подвижной состав ГЭТ и метрополитена с тяговыми преобразователями на основе IGBT-транзисторов, как изменяющих напряжение постоянного тока на коллекторных двигателях, так и автономных инверторов для питания асинхронных тяговых двигателей.

На железной дороге в 1990-х и 2000-х годах испытывались и эксплуатировались опытные образцы и малые серии (например, ЭП10) подвижного состава с преобразователями зарубежного производства на основе вентилей GTO, но массовое применение тяговых статических преобразователей на современной элементной базе начато только с серийным производством электровозов 2ЭС10 в 2012 году.

  • «Энциклопедия железнодорожного транспорта», научное издательство «Большая Российская энциклопедия», 1995 год.

Источник



Статические преобразователи электрической энергии

Все необходимые на судах преобразования электрической энергии могут быть обеспечены трансформаторами и электронными устройствами, в которых в отличие от электромеханических преобразователей преобразование энергии осуществляется без использования вращающихся машин и других подвижных элемен­тов. Отсюда название таких преобразователей — статические преобразователи.

Статические электронные преобразователи строятся на электро­вакуумных, ионных и полупроводниковых элементах. На судах преимущественное применение получили полупроводниковые пре­образователи.

Основными элементами полупроводниковых преобразователей являются полупроводниковые вентили — диоды и тиристоры. Силовые кремниевые вентили, выпускаемые отечественной про­мышленностью, обеспечивают весьма высокие параметры по току и напряжению: величины тока — до единиц килоампер (ударный ток до 10—20 кА), величины напряжения — до единиц киловольт. Рабочие параметры вентилей остаются стабильными при темпера­турах до 125—140 °С. Это позволяет строить статические преобразо­ватели на мощности от долей ватта до тысяч киловатт, что вполне перекрывает существующие на судах потребности в преобразова­ниях электрической энергии.

Выпрямители однофазного тока применяются только в установ­ках малой мощности (до единиц киловатт); схема с нулевым выво­дом (рис. 2.15, б) используется, например, в системах катодной защиты корпуса судна; мостовая схема (рис. 2.15, б) — в системах возбуждения электрических машин, в электроприводе постоянного тока.

Более широкое применение на судах получили выпрямители трехфазного тока (табл. 2.7), имеющие высокие технико-экономи­ческие показатели. Преимущественное распространение имеет мостовая схема (рис. 2.15, г), отличающаяся наилучшим использо­ванием трансформатора Тр и вентилей V. В установках с низким выходным напряжением и большим током предпочтение отдается шестифазной схеме с уравнительным реактором (рис. 2.15, д). Низкое содержание высших гармоник потребляемых тока и напря­жения и малый уровень пульсаций выходного напряжения обес­печивает более сложная двенадцатифазная схема (рис. 2.15, ё). На рис. 2.15 представлены схемы неуправляемых выпрямителей. Схемы управляемых выпрямителей имеют совершенно аналогич­ную структуру, но в них вместо неуправляемых вентилей (диодов) используются управляемые вентили (тиристоры). За счет измене­ния угла включения тиристоров а, обеспечиваемого специальным блоком управления, осуществляется управление величиной выход­ного напряжения выпрямителя (рис. 2.16). В управляемых выпря­мителях может также обеспечиваться стабилизация выходного напряжения (в условиях непостоянства питающего напряжения и изменения нагрузки выпрямителя), ограничение выходного тока в определенных пределах и реверсирование (изменение знака) выходного напряжения.

Помимо основных элементов или блоков — трансформатора / и блока вентилей 2, осуществляющих основную функцию преобра­зования напряжения, и блока управления 4 в случае управляемого выпрямителя, выпрямительное устройство может содержать допол­нительные блоки (рис. 2.17). Так, для уменьшения пульсаций выходного напряжения служит сглаживающий фильтр 3. Защита выпрямителя в аварийных режимах обеспечивается блоком защиты и сигнализации 5.

Классификация инверторов и схема автономного инвертора, получившая распространение на судах, представлены на рис. 2.18.

Амплитуда и частота выходного напряжения инвертора, ведо­мого сетью, определяются источником переменного тока (сетью), совместно с которым данный инвертор работает на общую нагрузку переменного тока. Такие инверторы находят применение в вало-генераторных установках, системах аварийного питания, вентиль­ных электроприводах.

Более широкое применение на судах получили автономные инверторы, прежде всего в составе преобразователей частоты в ре­гулируемых приводах переменного тока. Автономный инвертор не связан с сетью переменного тока, и его параметры (амплитуда и частота) могут быть произвольными, в частности может обеспе­чиваться изменение выходных парамет ов инвертора по требуе­мому закону. Достоинством схемы автономного инвертора, пред­ставленной на рис. 2.18, б, является ее способность устойчиво работать в широком диапазоне изменения частоты и нагрузки. Кроме того, емкость конденсаторов С1С6, служащих для вы­ключения тиристоров, меньше, чем в других схемах.

Инверторы помимо основного инвертирующего блока / обычно содержат и другие блоки (рис. 2.19). Управление режимами ра­боты инвертора осуществляется блоком управления 2. Для улуч­шения качества напряжения на выходе инвертора служит фильтр 4. Защита схемы обеспечивается блоком защиты 3.

Различают два вида преобразователей частоты: с промежуточ­ным звеном постоянного тока и непосредственные. Преобразова­тели с промежуточным звеном постоянного тока (рис. 2.20) пред­ставляют собой последовательное соединение выпрямителя 1 и инвертора 2. Выпрямитель и инвертор могут быть как неуправ­ляемыми, так и управляемыми. В последнем случае может обеспе­чиваться регулирование в широком диапазоне частоты и ампли­туды выходного напряжения преобразователя.

В непосредственном преобразователе частоты функции выпрям­ления и инвертирования реализуются в едином полупроводнико­вом блоке. Обладая лучшими массогабаритными показателями и более высоким КПД, эти преобразователи значительно уступают преобразователям с промежуточным звеном постоянного тока в диапазоне регулирования выходных параметров.

В СЭЭС широко используются трансформаторы, являющиеся статическими электромагнитными преобразователями напряжения одного уровня в напряжение другого уровня при постоянстве частоты. На судах используются однофазные и трехфазные транс­форматоры с номинальной частотой 50 или 400 Гц. Диапазон значений основных параметров трансформаторов наиболее рас­пространенных судовых типов показан в табл. 2.8.

ГЛАВА 3 ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СТАНЦИИ

Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет

Источник

Применение статических преобразователей в промышленных высоковольтных испытательных системах

Высоковольтные испытания электротехнического оборудования — важная составляющая часть процесса разработки и производства. С каждым годом ужесточаются требования как заказчиков, так и соответствующих стандартов. Возрастает роль испытательной лаборатории как критически важного узла производства и конкурентного преимущества на рынке.

Суть большинства высоковольтных испытаний сводится к проверке электрической прочности изоляции. Для выполнения данной проверки проводятся испытания повышенным напряжением, приложенным от отдельного источника. В зависимости от типа оборудования отличаются условия испытаний, но так или иначе задача сводится к одному — подать на объект напряжение с заданными характеристиками.

Если рассматривать вопрос на примере трансформаторного оборудования, то при испытаниях напряжением переменной частоты (МЭК60076-1,2,3 ГОСТ 1516-3) необходим источник напряжения, удовлетворяющий следующим требованиям:

  1. «хорошее» качество синусоиды (коэффициент негармонических искажений — менее 5%);
  2. широкий диапазон по уровню испытательного напряжения (для всей линейки оборудования);
  3. частота испытательного напряжения — 50-60 Гц для испытаний приложенным напряжением и до 200 Гц для испытаний индуцированным напряжением;
  4. низкий уровень собственных шумов частичных разрядов (ЧР).

Для реализации такой испытательной системы продолжительное время использовались электромашинные преобразователи (ЭМП) — электродвигатель, соединенный валом с электрическим генератором. Такой источник напряжения обладает рядом необходимых качеств:

  • получение на выходе почти идеального синусоидального напряжения, требуемой частоты, без шумов, связанных с работой других потребителей сети;
  • возможность получения на выходе трехфазного напряжения от однофазной сети;
  • фильтрация бросков тока за счет инерции ротора.
Читайте также:  Бьюсь током когда выхожу из машины

Однако, подобное решение также обладает рядом существенных недостатков:

  • сравнительно низкий ресурс по причине наличия движущихся частей, необходимость периодического вывода в ремонт и технического обслуживания (смазка подшипников, чистка коллекторов, замена щеток в коллекторных машинах);
  • длительный срок ремонта (необходимо физически разбирать устройство)
  • большая масса, вибрация и шум;
  • низкий КПД, как правило, 50–70%, из-за двойного преобразования энергии;
  • повышенная пожароопасность.

Следует отметить, что при проведении для испытаний трансформатора индуцированным напряжением, потребуется второй источник испытательного напряжения повышенной частоты (200 Гц). При необходимости испытывать оборудование, предназначенное для работы на частоте, отличной от 50 Гц, может понадобиться еще один, дополнительный.

Электромашинный преобразователь — габаритное и шумное оборудование. Оно требует установки на фундаменты в отдельном машинном зале. В пересчете на единицу массы, удельная мощность подобной системы составляет порядка 0,125 МВА на тонну веса. Тем не менее, большое количество предприятий до сих пор оснащено именно электромашинными преобразователями, поскольку они долгое время являлись единственным подходящим источником напряжения для высоковольтных испытательных систем.

Несмотря на то, что полупроводниковая силовая преобразовательная техника с момента появления развивалась очень быстро, долгое время индустрия не могла предложить достойной альтернативы электромашинным преобразователям для использования при высоковольтных испытаниях.

В середине девяностых годов, компания SIEMENS AG одной из первых решилась модернизировать свою испытательную лабораторию в ФРГ и заменить мотор-генераторы (ЭМП) собственного производства тиристорными преобразователями компании HIGHVOLT. Затем подобные системы ввиду их удобства и универсальности стали внедряться другими крупными производителями — ABB, SMITH, MITSUBISHI. Современные статические преобразователи частоты стали значительно мощнее, компактнее и, что немаловажно — дешевле.

Система для проведения испытаний трансформаторов должна быть пригодна для широкой линейки изделий; требования должны выдерживаться при разных характеристиках объекта испытаний и испытательных напряжениях. Как источник испытательного напряжения, статический преобразователь практически лишен недостатков: он работает в широком диапазоне частот (40–200 Гц) и, соответственно, заменят собой несколько генераторов, к тому же он значительно компактней — порядка 0,5 МВА на тонну веса (в комплексе с системой управления и распредустройством). Благодаря электронному управлению, в случае пробоя объекта испытаний, скорость отключения преобразователя составляет до 10 мкс, что значительно быстрее, чем существующие системы на базе ЭМП. Следствие высокой скорости отключения — минимальные повреждения объекта, что облегчает определение места пробоя, и само по себе более безопасно.

С технической точки зрения имеются две основные проблемы применения полупроводниковых преобразователей, решение которых является, можно сказать, ноу-хау производителей.

Первая — это «качество» испытательного напряжения. Ограничение суммарного значения коэффициента нелинейных искажений испытательного напряжения имеет решающее значение для проведения испытаний согласно стандарту МЭК.

В части трансформаторного оборудования в МЭК 60076-1 и 60076-3 предельное значение коэффициента нелинейных искажений определено как «менее 5%». Как получить «идеальную» синусоиду — военный секрет каждого конкретного производителя. Однако, пример, который приводился HIGHVOLT на тематических конференциях, иллюстрирует, что даже при экстремально нелинейном испытательном токе, динамические характеристики преобразователя позволяют сохранить стабильную синусоиду напряжения:

Вторая проблема — шум частичных разрядов. При проведении испытаний, источников Ч Р, собственно, два: «шум», приходящий по сети и из окружающей среды, и сам преобразователь, который также является источником помех. Причем, шумы преобразователя могут быть значительны. От помех избавляются следующими способами: применяя специальные схемы управления преобразователями, устанавливая фильтры с низкой и с высокой стороны испытательной системы, отсекая тем самым как внешние, так и собственные шумы. Отметим, что стандарты в части ЧР ужесточились в разы за последние несколько лет, и следует ожидать дальнейшего снижения разрешенного уровня. Практический предел снижения шумов ЧР испытательной системы на базе статического преобразователя — 1–2 пКл. Подобные системы существуют и эксплуатируются в достаточных количествах.

Есть и другие, не столь критичные, но важные отличия: преобразователи разных производителей отличаются мощностью, продолжительностью непрерывной работы, температурным режимом, размерами и исполнением.

Еще одним важным преимуществом статического преобразователя по сравнению с ЭМП является возможность (за счет подстройки испытательной частоты) достичь так называемой «точки самокомпенсации».
Как известно, катушка индуктивности представляет собой колебательный контур с характерной частотой резонанса. На частотах много ниже частоты собственного резонанса импеданс катушки индуктивный, при частотах вблизи резонанса в основном активный, на частотах выше — емкостный. При проведении испытаний индуцированным напряжением на частоте, близкой к «точке самокомпенсации», значительно снижаются требования к реактивной составляющей мощности испытательной системы (и/или конденсаторной батареи, служащей для ее компенсации). Благодаря этому, комплектные испытательные системы на базе статического преобразователя для испытаний небольших трансформаторов мощностью до 5000 кВА могут быть выполнены компактным модулем по размеру соответствующему 10 футовому контейнеру.

Заключение

Применение силовой электроники в области высоковольтных испытаний позволило значительно усовершенствовать испытательное оборудование: улучшить технические характеристики, повысить безопасность и упростить применение. Статические преобразователи доказали свою эффективность, надежность в эксплуатации и значительный потенциал к дальнейшему совершенствованию. Производители испытательного оборудования ведут интенсивные разработки в этом направлении, хоть и с различной степенью успеха. Но очевидно, что старые технологии отживают свой срок, и будущее индустрии испытаний на ближайшие десятилетия будет тесно связано именно с развитием статических преобразователей, как гибкого, надежного и недорогого решения.

Литература

[1] A. Winter and A. Thiede, A New Generation of On-site Test Systems for power Transformers, International Symposium on Electrical Insulation 2008, Vancouver, Canada, 2008. [2] W. Hauschild; A. Thiede; T. Leibfried; F. Martin, Static frequency converter for high voltage test of power transformer, Stuttgarter Hochspannungssymposium 2006, Stuttgart, Germany, 2006. [3] W. Hauschild u.a., the technique of AC on-site testing of HV cables by frequency-tuned resonant test system, Cigre Report 33-304, 2002.
[4] IEC 60060-1: 2011: High-voltage test techniques, Part 1: General definitions and test requirements.
[5] IEC 60060-2: 2010: High-Voltage Test Techniques Part 2: Measuring systems.
[6] IEC 60060-3: 2006: High-voltage test technique. Part 3: Definitions and requirements for on-site testing. [7] IEC 60076-1, Power transformers – Part 1: General, 1997-06. [8] IEC 60076-3, Power Transformer, Part 3: Insulation levels, dielectric tests and external clearances in air, 2000-03. [9] A. Winter and A. Thiede, New Technologies for On-Site Testing of Large Power Transformers, VII международной научно-технической конференции «Силовые трансформаторы и системы диагностики», Moscow, 2010.

Павел ХОТАРЕВ,
технический директор ООО «РИТ»
Статья размещена в журнале «Электротехнический рынок», №4 (58)

Источник