Какое охлаждение должны иметь мощные полупроводниковые преобразователи
Перейти к содержимому

Какое охлаждение должны иметь мощные полупроводниковые преобразователи

  • автор:

Охлаждение трансформатора: виды и принцип работы

Современные силовые трансформаторы имеют достаточно высокий КПД – 97-98%. Но часть мощности теряется из-за сопротивления материала обмоток и сердечника. Эти потери тратятся на нагревание. Чтобы трансформатор работал исправно, производители оборудуют систему охлаждения его рабочей части. Чем мощнее оборудование, тем более интенсивного охлаждения оно требует.

Типы систем охлаждения трансформаторов

Тепло работающего трансформатора может отводиться в воздушную среду или масло. Отсюда и название систем охлаждения: воздушное и масляное.

Воздушное охлаждение трансформатора

При воздушном охлаждении тепло от работающего трансформатора отводится непосредственно в окружающую среду.

Виды воздушного охлаждения:

  • естественное – нагретый воздух движется от трансформатора естественным путем;
  • с дутьем – нагретый воздух принудительно отводится вентилятором.

Такая система не дает интенсивного охлаждения, поэтому применяется для трансформаторов мощностью не более 1600 кВА с номинальным напряжением 15 кВ.

Условные обозначения трансформаторов с воздушным охлаждением (сухих трансформаторов):

С – естественное воздушное охлаждение трансформатора без кожуха;

СЗ – естественное воздушное охлаждение трансформатора с кожухом;

СГ – естественное воздушное охлаждение трансформатора в герметичном исполнении;

СД – принудительное воздушное охлаждение.

Трансформаторы с масляным охлаждением

Масляное охлаждение бывает:

  • естественное;
  • естественное с дутьем;
  • принудительное – с направленным движением масла;
  • принудительное с дутьем;
  • принудительное масляно-водяное.

Естественное масляное охлаждение

В таком трансформаторе обмотки погружены в масляный бак. Все тепло от магнитопровода и обмоток передается маслу. Оно течет по баку и радиаторным трубам и отдает тепло в окружающий воздух.

Чтобы трансформатор охлаждался интенсивнее, производители делают стенки бака гофрированными, добавляют в конструкцию трубы или радиаторы. Системой естественного масляного охлаждения комплектуются трансформаторы мощностью до 16000 кВА. Маркируют такие трансформаторы буквой «М».

Естественное масляное охлаждение с дутьем

При таком типе охлаждения на охладители и радиаторы трансформатора устанавливают вентилятор. Он забирает холодный воздух снизу и обдувает им нагретую часть трансформатора. При этом многие модели снабжены датчиком автоматического отключения дутья, когда нагрузка на трансформатор небольшая. Это тип дает достаточно интенсивное охлаждение, поэтому применяется для оборудования мощностью до 80000 кВА. Обозначаются такие трансформаторы буквами МД.

Принудительное охлаждение с дутьем

Эта система способна эффективно охлаждать оборудование мощностью 63000 кВА и выше. Она представляет собой охладитель – это тонкие трубки, в которые масло загоняет специальный насос. А снаружи на трубки дует вентилятор. Монтируют такую систему на одном фундаменте с трансформатором или на отдельном – рядом с баком. При маркировке трансформаторы с таким типом охлаждения обозначают «ДЦ».

ohlazhdenie_dc.jpg

Схема охладителя системы ДЦ

1 – бак трансформатора, 2 – электронасос, 3 – адсорбный фильтр, 4 – охладитель, 5 – вентиляторы обдува

Принудительное масляно-водяное охлаждение

Масляно-водяное охлаждение имеет то же устройство, что и принудительное масляное с дутьем. Но охладитель состоит из трубок с водой, а между ними движется масло. Вода и масло в системе охладителя не смешиваются благодаря разнице в давлении – давление масла должно быть минимум на 0,02 Мпа больше.

Мы перечислили основные виды охлаждения в трансформаторе от простых до наиболее эффективных. Выбор типа охлаждения напрямую зависит от мощности трансформатора, термостойкости изоляции и нагрузок. Если у вас есть сомнения по поводу выбора системы охлаждения, мы рекомендуем обращаться непосредственно к производителю или к его официальному дистрибьютеру в вашем регионе.

Судовые преобразователи электроэнергии. Судовые электроприводы

Понравилась статья? Добавь ее в закладку (CTRL+D) и не забудь поделиться с друзьями:

Прямо сейчас студенты читают про:

Милетская школа Милетская школа (ионийская школа натурфилософии) — философская школа.
Основные понятия о базах данных и СУБД Представление об организации баз данных и системах управления базами данных.
Теория эволюции Ч. Дарвина. Естественный отбор. Формы естественного отбора. Творческая роль естественного отбора в эволюции Эволюционная теория Дарвина представляет собой целостное учение об историческом развитии органического мира.
Реальная и номинальная процентная ставка Процент – это абсолютная величина. Например, если одолжено 20 000, а должник должен вернуть 21 000, то процент равен.
Состав правонарушения Состав правонарушения – это система объективных и субъективных элементов деяния.

Сейчас читают про:

article image

article image

article image

article image

article image

article image

article image

Попытки сочетать мудрость и власть редко были успеш-ными – и даже тогда лишь на короткое время. © Эйнштейн ==> читать все изречения.

Преобразователи частоты

Преобразователи частоты (ПЧ) предназначены для регулирования скорости или момента электродвигателя в широком диапазоне и с максимальным КПД.

Преобразователь частоты обеспечивает полную защиту двигателя: от короткого замыкания на землю и между фазами, тепловую защиту от перегрузки по току и моменту.

Преобразователь частоты измеряет, регистрирует, отображает и передаёт по сети АСУ ТП параметры двигателя: ток, скорость, момент, мощность, напряжение, температуру, потреблённую электроэнергию

  • высокий пусковой момент при низком пусковом токе и низких оборотах двигателя (за счёт эффективного управления электромагнитным полем)
  • высокий перегрузочный момент двигателя
  • длительный плавный разгон или останов двигателя с высокоинерционной нагрузкой
  • эффективное динамическое торможение двигателя
  • управление работой двигателя, как в двигательном, так и в генераторном режиме
  • максимальный КПД двигателя во всех режимах работы
  • управление электромагнитным тормозом (в подъёмниках)
  • ПИД-регулирование переменной процесса
  • работу двигателя с обратной связью по скорости и положению
  • локальное управление технологическим процессом (в ПЧ может быть встроен логический контроллер, расширяемые входы для подключения датчиков и выходы для управления исполнительными устройствами).

Цели внедрения преобразователей частоты

Стабилизация технологического процесса

  • Привод быстрее и точнее отрабатывает задание и возмущения
  • Кривую переходного процесса можно настроить под конкретную задачу.

Энергосбережение

При регулировании технологических параметров (расхода, давления, температуры) традиционным способом (задвижкой, клапаном, шибером) энергопотребление электродвигателя (насоса или вентилятора) изменяется незначительно. Преобразователь частоты регулирует технологические параметры, изменяя скорость вращения двигателя, при этом энергопотребление снижается существенно. Для турбомеханизмов с вентиляторной нагрузкой мощность находится в кубической зависимости от скорости вращения двигателя. Другими словами, если, например, для поддержания требуемого давления насос вращается со скоростью, равной половине номинальной, то энергии он будет потреблять на 87,5% меньше, чем в номинальном режиме.

Замена двигателей постоянного тока

  • Снижаются эксплуатационные расходы, которые в большей степени связаны с обслуживанием коллектора
  • Улучшаются энергетические показатели
  • Стандартные асинхронные двигатели дешевле и доступнее, чем двигатели постоянного тока.

Замена двигателей c фазным ротором

Регулирование скорости двигателя с фазным ротором осуществляется путём изменения реостатного сопротивления в цепи ротора. Такие электроприводы не имеют полноценного режима торможения и не предназначены для обеспечения длительного глубокого регулирования скорости, так как они обладают небольшой продолжительностью включения (порядка 10…30%) на малых скоростях и малым диапазоном регулирования скорости (обычно 1:3). При добавлении сопротивления в цепи ротора, механическая характеристика становится мягкой. КПД таких электроприводов порядка 50%. Данный способ регулирования скорости морально устарел и с успехом заменяется частотным регулированием.

Замена старых тиристорных приводов

Выходные силовые каскады современных преобразователей частоты реализованы на базе IGBT-транзисторов. Старые тиристорные приводы, как правило, ремонтируются «на коленке», специалистов по сервису и запчасти для них найти становится всё сложнее. Современные приводы существенно превосходят своих предшественников, как по экономическим, так и по массогабаритным показателям.

Замена высоковольтных двигателей на низковольтные

  • Низковольтные ПЧ дешевле
  • Обслуживание низковольтной техники проще и дешевле
  • Современные низковольтные двигатели можно подобрать тех же установочных размеров, что и старые высоковольтные двигатели.

Повышение надёжности работы и увеличение срока службы основного технологического оборудования

  • При работе насосов и вентиляторов на пониженных скоростях увеличивается срок эксплуатации подшипников, замедляется износ оборудования из-за трения
  • Плавные пуски и остановы насосов предотвращают прорывы труб из-за гидроударов
  • Контроль токов и моментов исключает поломки агрегатов из-за механических напряжений, заклинивания и т.п.
  • Преобразователи частоты при правильной эксплуатации не требуют обслуживания в отличие, например, от механических задвижек с электроприводом
  • Автоматический пропуск резонансных частот исключает разрушение агрегата из-за механического резонанса
  • Подхват вращающегося двигателя в обоих направлениях при восстановлении питания.

Увеличение производительности

  • За счёт улучшения управляемости технологическим процессом и повышения точности регулирования
  • При определённых условиях двигатель можно разогнать выше номинальной скорости
  • Повышенные пусковые моменты и интенсивное торможение за счёт более эффективного рассеивания тепла в самом двигателе и на внешнем тормозном резисторе позволяют увеличить производительность автоматической линии.

Снижение простоя оборудования

Например, производительность центробежного сепаратора и крупность выделяемого им материала зависит от скорости воздушного потока, которая регулируется изменением угла наклона лопастей. Такая переналадка занимает много времени. Преобразователь частоты регулирует скорость в непрерывном режиме.

Снижение стоимости установленного оборудования

  • Работа на разных скоростях, реверс (не нужен контактор)
  • Полная защита двигателя (не нужно тепловое реле, реле контроля фаз)
  • Cos ф≈1 (не нужны компенсаторы реактивной мощности двигателей)
  • Защита насоса от сухого хода (без датчика сухого хода)
  • Защита от обрыва ремня вентиляторов (не нужны дополнительные датчики)
  • Логическая обработка входных дискретных сигналов
  • Встроенные ПИД-регуляторы процесса, скорости (не нужны внешние регуляторы)
  • Встроенный каскадный контроллер (для турбомеханизмов)
  • Встроенные часы реального времени.

Автоматизация

  • ПЧ может архивировать в своей памяти, отображать на своём дисплее и передавать для дальнейшей обработки по полевой шине все электрические параметры двигателя, информацию от датчиков, подключенных к ПЧ, рабочие и аварийные сообщения
  • Снижение человеческого фактора.

Как выбрать преобразователь частоты

Конфигурация «Выпрямитель — Инвертор»

  • В одном корпусе ПЧ находится и выпрямитель, и инвертор
  • Выпрямитель и инверторы выполнены в разных корпусах, при этом несколько инверторов подключаются к шине постоянного тока одного выпрямителя «стенка-к-стенке». Такая конфигурация более экономична в многодвигательных приводах:
    • выпрямитель имеет функцию рекуперации энергии обратно в сеть
    • приводы работают одновременно в разных режимах — двигательных и генераторных
    • длина «батареи» приводов физически ограничена размерами помещения.

    Конфигурация выпрямителя

    Все преобразователи частоты являются источниками гармонического искажение тока сети. Чем выше пульсность выпрямителя, тем меньше это искажение. Мощные ПЧ выпускаются с 12-ти и 18-пульсными выпрямителями.

    • 6-пульсные выпрямители генерирует гармоники 5, 7, 11, 13, 17, 19, 23, 25 и т.д.
    • 12-пульсные выпрямители генерирует гармоники 11, 13, 17, 19, 23, 25 и т.д.
    • 18-пульсные выпрямители генерирует гармоники 17, 19, 23, 25 и т.д.

    Тип охлаждения

    • Воздушное
    • Жидкостное (для мощных ПЧ)
    • Через заднюю стенку (для приводов небольшой мощности). В этом случае ПЧ может устанавливаться в герметичный шкаф, с наружной стороны которого крепится радиатор. Тепло проходит через стенки ПЧ и шкафа и рассеивается на радиаторе. Такая технология называется «Холодная плита» (Cold Plate).

    Тип нагрузки

    • С постоянным моментом (конвейер) или переменным моментом (насос, вентилятор)
    • Инерционная или малоинерционная
    • Активная или пассивная
    • Крановая.

    Тип двигателя

    • ПЧ работают с асинхронными двигателями с короткозамкнутым ротором. При подключении двигателя с фазным ротором фазные сопротивления необходимо закоротить
    • Некоторые ПЧ могут работать с синхронными двигателями или с серводвигателями с постоянными магнитами
    • Низковольтный ПЧ может работать с высоковольтным двигателем через повышающий трансформатор.

    Выходной ток преобразователя частоты

    Частотные преобразователь выбирается так, чтобы его номинальный выходной ток был не меньше тока полной нагрузки двигателя (или суммы токов полной нагрузки двигателей, подключенных в параллель к одному ПЧ). ПЧ одинаковой мощности разных производителей могут иметь разные номинальные токи. Так и разные двигатели одинаковой мощности могут быть рассчитаны на разные токи.

    Перегрузочный момент

    Необходимо также учесть кратковременные пусковые перегрузки и выбрать ПЧ с подходящей перегрузочной способностью по току (для насосов и вентиляторов, например, бывает достаточно 110%, а для конвейеров — 150%).

    Входной ток преобразователя частоты

    Входной ток можно уменьшить, если выбрать ПЧ с фильтром гармоник. Соответственно меньше нагружается питающий трансформатор, сечение питающего кабеля можно уменьшить, выбрать предохранители или автоматический выключатель на меньший ток, т.е. сэкономить.

    Выходное напряжение преобразователя частоты

    Преобразователь частоты сначала выпрямляет сетевое напряжение, а затем преобразует его в трёхфазное напряжение. ПЧ может иметь однофазный или 3-х фазный вход. Стандартные ПЧ не могут повышать напряжение. Выход у ПЧ всегда трёхфазный, поэтому подключить к ПЧ мы можем только 3-х фазный асинхронный двигатель, номинальное напряжение питания которого равно выходному номинальному напряжению ПЧ.

    Переразмеривание

    • Работы ПЧ в более широком температурном диапазоне
    • Работы ПЧ с перегрузочным моментом больше допустимого для данной модели привода
    • Установки ПЧ выше 1000 метров над уровнем моря
    • Повышения частоты коммутации силовых ключей.

    Класс защиты корпуса IP

    • IP00 или IP20, если ПЧ предназначен для установки в шкаф (который сам имеет необходимую защиту)
    • IP21, если ПЧ устанавливается в специальном помещении
    • IP54 или IP55, если ПЧ устанавливается в производственном помещении
    • IP66, если ПЧ поливается из шланга (моется) вместе со всем технологическим оборудованием.

    Для работы в условиях повышенной влажности или агрессивной окружающей среды дополнительно рекомендуются ПЧ со специальным компаундным покрытием электронных плат.

    Длина моторного кабеля

    При выборе модели ПЧ необходимо учитывать максимально допустимую длину моторного кабеля (между ПЧ и двигателем). Некоторые производители рекомендуют использовать выходные фильтры для увеличения длины моторного кабеля. Допустимая длина моторного кабеля зависит как от модели ПЧ, так и от типа кабеля (для экранированных кабелей длина уменьшается из-за увеличения утечек тока на землю). При параллельном подключении нескольких двигателей к одному ПЧ допустимая длина моторного кабеля рассчитывается как сумма длин кабелей всех двигателей.

    Электро-магнитная совместимость (ЭМС)

    • Радиопомех, которые передаются как по сети, так и по воздуху
    • Гармонических искажений тока и напряжения
    • Возможно, понадобится радио-фильтр (RFI)
    • Возможно, понадобится входной фильтр гармоник (сетевой фильтр).

    Силовые опции для защиты ПЧ и двигателя

    • Для защиты ПЧ рекомендуется использовать быстродействующие полупроводниковые предохранители
    • Для защиты привода от бросков в сети можно установить сетевой дроссель или выбрать ПЧ со встроенным фильтром гармоник
    • Для защиты двигателя, не предназначенного для работы от ПЧ, необходимо подобрать выходной фильтр du/dt или синусный фильтр.

    Торможение

    • AC/DC-торможение без использования тормозного резистора
    • Динамическое торможение с использованием тормозного резистора, для подключения которого у ПЧ должен быть тормозной ключ (чоппер); тормозной резистор подбирается по нагрузочному циклу
    • Рекуперация энергии в сеть

    Многие ПЧ умеют управлять механическим тормозом через свои встроенные релейные выходы.

    Особенности работы двигателя с преобразователем частоты

    • При длительной работе от ПЧ на низких оборотах с номинальным моментом двигатель может греться, поэтому необходимо предусмотреть его принудительное охлаждение
    • Если класс изоляции (сопротивление обмоток) двигателя не рассчитан для работы с ПЧ, необходимо предусмотреть фильтр между ПЧ и двигателе
    • При работе с ПЧ рекомендуется использовать двигатель с термисторами для контроля температуры обмоток двигателя
    • Категорически не допускается включение между ПЧ и двигателем компенсаторов реактивной мощности. ПЧ сам компенсирует реактивную мощность подключенного к нему двигателя. Если компенсаторы необходимы для компенсации реактивной мощности других потребителей, то они могут быть включены только со стороны входа ПЧ
    • ПЧ сам полностью защищает двигатель (кроме случая параллельного подключения нескольких двигателей к одному ПЧ).

    Скорость вращения

    ПЧ может увеличить скорость вращения двигателя выше номинальной. Насколько — это уже зависит от двигателя (см. каталог на двигатели). В ПЧ легко настроить ограничение минимальной скорости вращения насоса. Преобразователи частоты с векторным управлением потоком и обратной связью по скорости могут удерживать неподвижный вал двигателя с номинальным моментом.

    Точность и диапазон регулирования

    • Скалярный
    • Скалярный с компенсацией скольжения
    • Управление вектором напряжения
    • Управление вектором тока
    • Управление вектором потока
    • Работа с обратной связью (по технологическому параметру, по скорости)

    Диапазон регулирования 1:100 означает, что ПЧ может изменять скорость двигателя от 100% до 1% от номинальной.

    Скалярный или векторный

    Векторный привод динамичнее и точнее, но дороже скалярного. Векторные приводы бывают разные: с регулированием вектора напряжения, вектора тока или вектора потока.

    • ПЧ не может построить математическую модель двигателя (старый перемотанный двигатель)
    • К ПЧ параллельно подключены несколько двигателей
    • Мощность двигателя намного меньше мощности ПЧ
    • Между ПЧ и двигателем установлен синусный фильтр.

    Регулирование момента или скорости

    Некоторые векторные ПЧ могут регулировать момент и без энкодера. При регулировании скорости можно запрограммировать реакцию ПЧ на выход за граничные значения по моменту.

    Функции локального управления

    • ПИД-регуляторы процесса с автоматической настройкой и возможностью реализации подчинённого (каскадного) управления
    • ПИД-регуляторы скорости
    • Логические контроллеры
    • Контроллеры синхронизации и позиционирования
    • Интерфейсы для подключения различных датчиков обратной связи.

    Насосные и вентиляторные функции

    • Каскадное управление несколькими турбомеханизмами
    • Защита от сухого хода насоса
    • Защита от обрыва приводного ремня
    • Автоматический пропуск резонансных частот
    • Защита от протечек в трубе
    • Попеременная работа с двумя насосами для выравнивания моторесурса
    • Регулирование перепада давления (ПЧ сам рассчитывает разность давлений)
    • Спящий режим
    • Режим энергосбережения
    • Регулирование расхода по давлению.

    Панель оператора

    • Встроенные или съёмные
    • Цифровые, текстовые или графические
    • С поддержкой русского языка
    • С отображением справочной информации (Help) с описанием параметров
    • С кнопками для переключения межу режимами: ручным (Manual) и автоматическим (Auto)
    • С кнопками «JOG» и «Реверс»
    • С ручкой потенциометра для изменения задания скорости
    • С памятью для хранения нескольких наборов параметров для нескольких ПЧ
    • С возможностью управления несколькими ПЧ от одной панели
    • С возможностью программирования от ПК без подключения к ПЧ
    • С возможностью выносного монтажа на двери шкафа
    • Со встроенными часами реального времени

    Программирование преобразователя частоты

    • От ПК через встроенный в ПЧ порт USB с помощью стандартного компьютерного кабеля
    • От ПК через встроенный в ПЧ порт RS485 или RS232 с помощью специального адаптера интерфейсов
    • Через панель оператора
    • Настройки можно переписать в ПЧ с карты памяти, предварительно запрограммированной через ПК.

    Интеграция в АСУ ТП

    Для подключения к полевой коммуникационной шине преобразователь частоты должен обладать подходящим интерфейсом или сетевой картой: свободно-программируемый RS485, Modbus RTU, PROFIBUS DP, PROFINET, DeviceNet, Ethernet/IP, Lon, CANOpen, BACNet и др.

    Бесперебойную работу сети и передачу по ней диагностической информации во время сбоя питания можно обеспечить, если в ПЧ есть возможность запитать плату управления, панель оператора и коммуникационную карту от внешнего ИБП.

    Свои «лишние» входы-выходы некоторые ПЧ могут предоставить в распоряжение в качестве децентрализованной периферии центральным ПЛК, с которыми они общаются по промышленной шине, для управления технологическим процессом в месте установки привода.

    Функции безопасности

    В опасных для жизни персонала приложениях (прессы, роботы) необходимо использовать оборудование соответствующей категории безопасности. Многие производители предлагают ПЧ со встроенными функциями безопасности (Safety).

    Какое охлаждение должны иметь мощные полупроводниковые преобразователи

    Авторы и источники / Правообладателям

    Полупроводниковые преобразователи с управляемыми ключами применяются на объектах энергетики довольно давно, например, в таких устройствах, как статические системы возбуждения генераторов, сервоэлектроприводы клапанов паровых турбин и т.д. Благодаря стремительному росту силовых показателей полупроводниковых ключей стало возможным применять их и в первичных цепях энергосистем. Из всего соответствующего спектра применений для настоящего доклада выбрано три:

    • ЛЭП и вставки постоянного тока (ЛПТ);
    • устройства параллельной компенсации реактивной мощности;
    • генераторы с меняющейся частотой вращения.

    Для ЛПТ можно выделить два основных приложения, отличающихся и технологией исполнения, и по основному предназначению:
    1 – передача большой энергии на дальние расстояния;
    2 – согласование взаимной работы энергосистем переменного тока, часто имеющих разные технические показатели.

    1. Передача большой энергии на дальние расстояния

    Первое приложение связано в основном с мировым ростом потребления электроэнергии, стремлением уменьшить зависимость производителей электроэнергии от роста цен на газ, уголь и нефть, ограничениями на выброс в атмосферу продуктов горения и, как следствие, приоритетным развитием на базе возобновляемых источников электроэнергии – воды, ветра, солнца.

    Рост средней потребляемой мощности в России до 2020 г. оценивается в диапазоне от 15000 МВт до 25000 МВт, соответственно должно возрасти и производство электроэнергии. До последнего времени предусматривалось приоритетное развитие атомной и гидрогенерации. Практика показывает, что отношение к атомной энергетике может существенно меняться в зависимости от инцидентов на атомных станциях. Примером негативного отношения являются результаты референдума в Италии, в результате которого были заморожены планы строительства национальных АЭС. Развитие гидроэнергетики представляется более надёжно прогнозируемым.

    Основные гидроэнергетические ресурсы России расположены в Сибири, а основные потребители – в европейской части страны, на расстоянии нескольких тысяч километров. В этих условиях главной становится задача транспортировки электроэнергии к потребителю. На сегодня транспорт электроэнергии осуществляется по ЛЭП переменного тока.

    Однако у электропередачи постоянного тока есть ряд важных достоинств:

    • низкие потери при передаче электроэнергии на большие расстояния;
    • возможность безопасного соединения энергосистем переменного тока;
    • полный контроль потока мощности и качества электроэнергии;
    • повышение устойчивости примыкающих энергосистем переменного тока;
    • поддержка восстановления энергоснабжения в примыкающих энергосистемах после тяжелых аварий;
    • меньшая площадь, требующаяся воздушным ЛЭП постоянного тока в сравнении с воздушными ЛЭП переменного тока той же мощности.

    При транспортировке электроэнергии на большие расстояния (более 1000 км) линии постоянного тока становятся экономически более эффективными по сравнению с традиционными ЛЭП переменного тока.

    В табл. 1 приведены примеры сравнения показателей электропередачи мощности 12000 МВт на расстояние 2000 км на разных уровнях напряжения.

    Таблица 1

    Зависимость экономически оптимального уровня напряжения ВПТ от мощности дальних (более 1000 км) ЛЭП приведена в табл. 2.

    Таблица 2

    Из вышеизложенного видно, что для России нельзя исключать в 5–10 летней перспективе появления задачи передачи мощности 10000 МВт и более. Как следует из табл. 2, оптимальным уровнем напряжения для дальней передачи таких мощностей является уровень 1000 кВ и более.

    Максимальными техническими показателями, освоенными на сегодня, являются:
    • уровень напряжения 800 кВ;
    • расстояние передачи порядка 2500 км;
    • уровень мощности 6400 МВт.

    Например, электропередача постоянного тока в Бразилии «Итайпу» позволяет транспортировать мощность 6300 МВт под напряжением 600 кВ постоянного тока. Электропередача введена в эксплуатацию в конце 80-х годов и содержит 2 линии постоянного тока, связывающие энергосистему Бразилии (60 Гц) с ГЭС на реке Парана (50 Гц).

    Электропередача «ГЭС Xiangjiaba – Шанхай» длиной 2100 км предназначена для транспортировки 6400 МВт под напряжением 800 кВ (введена в эксплуатацию в 2010 г.).

    Этот уровень напряжения является на сегодня максимальным из освоенных. На рис.1 показано основное силовое оборудование, использованное в этом проекте.

    Рис. 1
    Силовое оборудование подстанции для линии постоянного тока 800 кВ.

    Следующим «барьером» является уровень в 1000 кВ. Капитальные затраты на строительство электропередачи постоянного тока мощностью 8000 МВт длиной 2000 км оказываются примерно одинаковыми для уровней напряжения 800 и 1000 кВ, но потери мощности в ходе эксплуатации на линии 1000 кВ примерно на 20% ниже.

    Особой проблемой в подобных проектах является организация изоляции высоковольтных компонентов, расположенных на стороне постоянного тока. Распределение потенциалов в стационарном режиме определяется распределением сопротивлений изоляционных материалов, в переходных режимах – распределением их ёмкостей. Необходимо учитывать возможное влияние условий окружающей среды, в первую очередь температуры и влажности.

    Освоение нового уровня напряжения предъявляет повышенные требования к силовым устройствам. Основное техническое решение в части построения силовых преобразователей заключается в увеличении числа последовательно соединённых тиристорных модулей. Требуется координация их работы – в первую очередь одновременное открывание. Современные мощные тиристорные ключи позволяют коммутировать токи до 5 кА, обеспечивая передачу мощности до 10 МВт (при напряжении 1000 кВ), и в целом не являются основным ограничивающим компонентом. Серьёзные проблемы связаны с достижением надёжной изоляции силовых высоковольтных компонентов – выключателей, трансформаторов, элементов конструкции преобразователей, решениями, обеспечивающими устойчивость к повышенным электрическим, механическим и тепловым нагрузкам.

    2. Согласование качества совместной работы энергосистем

    Эту задачу решают и традиционные преобразователи на основе тиристорных ключей. Однако наилучшим образом с ней справляются вставки постоянного тока (ВПТ), выполненные по так называемой технологии HVDC-Light, с преобразователями на базе полностью управляемых БТИЗ (IGBT) модулей.

    Обобщённая схема управления HVDC-Light представлена на рис.2.

    Рис.2 Структура HVDC-Light.

    Фактически HVDC-Light являются преобразователями частоты, применяющимися для электрических машин, работающих в генераторном режиме, электроприводом с обратным потоком мощности. Контролируется мощность либо напряжение электропередачи. Используется, в частности, теоретическая и практическая база, созданная за десятки лет эксплуатации транзисторных преобразователей частоты в электроприводе.

    В начале 90-х годов силовые параметры IGBT достигли уровня, позволяющего применять их в энергетике для сравнительно небольших мощностей. Характерным текущим приложением таких устройств является подключение электростанций на возобновляемых источниках энергии с большими колебаниями частоты генерируемой мощности к энергосистеме.

    Силовые параметры IGBT быстро растут, и их сегодняшние возможности в части применения в энергетике демонстрирует проект «Дорпен-Северное море» в Западной Германии. В рамках проекта связываются ветрогенераторы, установленные на так называемой ветроферме в Северном море (155 кВ) и подстанция в г.Дорпен (380 кВ), принадлежащая энергосистеме Германии. По линии постоянного тока может быть передана мощность 800МВт ± 260МВАр под напряжением 320 кВ на расстояние 165 км.

    По мере снижения стоимости силовых устройств все более интересной становится возможность применения систем типа HVDC-Light и традиционных мощных преобразователей частоты, в которых предусмотрена двусторонняя передача энергии, для связи генераторов ГЭС с энергосистемой. Важным дополнительным преимуществом такого применения является гарантия устойчивости генератора, а также существенное упрощение либо даже исключение регулятора скорости турбины. Достигнутый уровень мощности позволяет применять эту технологию практически для любых генераторов ГЭС.

    3. Устройства компенсации реактивной мощности (УКРМ)

    УКРМ обычно применяются для улучшения возможностей ЛЭП:

    • повышения пропускной способности ЛЭП по активной мощности;
    • стабилизации напряжения на всей длине электропередачи;
    • повышения запасов статической устойчивости;
    • снижения потерь;
    • подавления гармоник мощности.

    Достоинства УКРМ с полупроводниковыми преобразователями заключаются в том, что все эти операции выполняются плавно, в широком диапазоне мощностей, что в конечном итоге улучшает качество электроэнергии. Благодаря высокому быстродействию преобразователя дополнительно могут решаться задачи подавления колебаний мощности в сети (качаний).

    Так же как и в передачах постоянного тока, в УКРМ применяются два типа полупроводниковых ключей – тиристоры и БТИЗ. Схожие технологии обеспечивают схожие технические возможности в части рабочих мощностей.

    Пример схемы УКРМ на тиристорных преобразователях для электропередачи Виннипег-Миннеаполис (1994 г.) приведён на рис. 3.

    Рис. 3
    В состав схемы входят:
    • нерегулируемые источники реактивной мощности MSC (2х300 МВАр);
    • понижающий трансформатор;
    • устройства для генерации реактивной мощности TSC;
    • устройства для потребления реактивной мощности TSR;
    • фильтры для подавления гармонических составляющих мощности.

    Регулирование реактивной мощности осуществляется с помощью ШИМ-управления тиристорными преобразователями.

    Подобные установки занимают довольно большую площадь, например, вышеописанная – около 2 гектаров (рис. 4).

    Рис. 4
    Компоновка УКРМ:
    1 – силовой трансформатор; 2 – разъединитель; 3 – трансформатор тока; 4 – реактор; 5 – батарея конденсаторов; 6 – выключатель; 7 – ограничитель перенапряжений; 8 – трансформатор напряжения; 9 – тиристорный преобразователь; 10 – система охлаждения.

    Пример применения УКРМ на подстанции крупного угольного предприятия показан на рис.5. В состав устройства включены три фильтра, настроенные на частоты

    5-й, 7-й и 11-й гармоник. Фильтры одновременно являются генераторами реактивной мощности. Регулирование мощности производится за счёт управления реактором. Схема обеспечивает стабилизацию и нормативный гармонический состав напряжения в условиях мощной нелинейной нагрузки.

    Рис. 5

    УКРМ на базе IGBT получили название STATCOM и имеют ряд преимуществ по сравнению с традиционными тиристорными УКРМ:
    • более высокое быстродействие;
    • большая нечувствительность регулятора напряжения, в том числе в несимметричных режимах;
    • меньшая занимаемая площадь;
    • меньший уровень помех;
    • более высокая степень заводской готовности.

    Принципиальная схема устройства изображена на рис. 6. С помощью ШИМ-модуляции регулируется апмлитуда переменного напряжения на выходе преобразователя VSC. Высокочастотный фильтр HP необходим для сглаживания высокочастотных составляющих ШИМ-напряжения.

    Рис. 6

    В схеме имеется нерегулируемый источник реактивной мощности MSC. Примерами достоинств применения технологии Light являются:
    — тяговая железнодорожная сеть во Франции (рис. 7).

    Рис. 7

    Компенсатор мощностью ±16 МВАр обеспечивает баланс напряжений в фазах при несимметричном потреблении токов и фильтрует гармонические составляющие мощности, вносимые в сеть электроприводами подвижных составов:
    — мощная конверторная печь в Финляндии. Компенсатор мощностью 160 МВАр обеспечивает практически синусоидальный ток сети (рис. 8).

    Интересна идея применения УКРМ на электростанциях с целью увеличения доступной активной мощности генераторов при сохранении коэффициента мощности.

    Применение устройств силовой электроники на объектах электроэнергетики стало возможным благодаря стремительному росту силовых показателей полупроводниковых ключей. Однако в течение нескольких предшествующих десятилетий полупроводниковые преобразователи, системы управления, учитывающие свойства вентилей, изучались и применялись прежде всего в электроприводе. Огромный накопленный багаж знаний является весьма полезным при создании устройств управления полупроводниковыми ключами в электроэнергетике. Для создания силовых устройств становятся серьёзными ранее почти не проявлявшиеся проблемы.

    Основные направления совершенствования полупроводниковых ключей для объектов электроэнергетики:

    • снижение себестоимости производства и цены;
    • дальнейший рост быстродействия и мощности ключей;
    • снижение габаритов;
    • повышение надёжности;
    • развитие системы изоляции преобразователей;
    • развитие алгоритмов управления преобразователями;
    • снижение уровня гармоник и помех;
    • развитие испытательного оборудования.

    Для подготовки статьи использованы материалы компании АББ.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *