Однофазные инверторные ячейки являются составной частью средневольтных* частотных преобразователей или инверторов.
* Примечание: Инвертор или частотный преобразователь на выходное напряжение до 10/11кВ правильнее называть - средневольтным.
Каждая ячейка состоит из трехфазного диодного выпрямителя, фильтра и однофазного инвертора на IGBT транзисторах, осуществляющего обратное преобразование постоянного напряжения в переменное с помощью ШИМ (широтно-импульсной модуляции).
ШИМ - это импульсный способ задания аналогового сигнала, где сигнал представляется в виде импульсов. Управляя IGBT транзисторами инверторной ячейки, их включением и выключением, получим импульсное напряжение положительной и отрицательной полярности. Если изменять их скважность (отношение длительности периода к длительности импульса), то можно изменять площадь импульсов, а значит и среднее значение напряжения на выходе. Таким образом получаем псевдосинусоидальную форму выходного напряжения.
В последние годы наблюдается рост тенденции управления мощными ( прим. более 1 МВт) устройствами с помощью высоковольтных инверторов или преобразователей частоты, которые из-за входящих в схему нелинейных элементов (выпрямительных мостов, диодов и т.д.) являются для питающей сети причиной появления гармонических искажений. Согласно установленным ГОСТ 13109-97 предельно допустимый коэффициент искажения напряжения для сетей, например 6кВ, не должен превышать 8% (норма 5%) является обязательными во всех режимах работы систем электроснабжения общего назначения. Поэтому влияние нелинейных потребителей на сеть - один из наиважнейших факторов выбора схемы инвертора, а в частности его пульсности и сложности соответственно. По сути, каждая ячейка инвертора содержит нелинейные элементы, являющиеся причиной искажений и представляет собой 6 полупериодный (пульсный) инвертор переменного напряжения. Соединенные последовательно 3 ячейки в каждой фазе формируют 18 пульсную схему выпрямления.
Гармонические искажения вносимые такими преобразователями частоты малы и не превышают допустимых ГОСТом значений, потому что вторичные обмотки многообмоточного силового трансформатора сконструированы таким образом, чтобы фазные напряжения по отношению к линейным были сдвинуты по фазе на определенный угол. Указанные углы обеспечивают необходимое сложение напряжений в каждом плече фазы. На практике формы сигналов напряжений в различных точках схемы инвертора имеют следующий вид:
Силовые ячейки большинства производителей рассчитаны на выходное переменное напряжение Vu1~640 В. Каскадное соединение трёх таких ячеек в одной фазе приводит к линейному напряжению 3,3 кВ, которое, как известно, в 1,73 раза больше фазного. Похожие рассчёты можно провести и для приводов на 6кВ и 10 кВ, которые содержат в одном плече фазы по 6 ячеек (всего 18) и 9 ячеек (всего 27) соответственно.
Компания TMEIC предлагает свою последнюю разработку - преобразователь частоты TMdrive-MVG2 с улучшенными характеристоками, в которой за счёт использования современных IGBT транзисторов получены силовые ячейки с выходным переменным напряжением Vu1~740 В. Более высокое выходное напряжение силовой ячейки позволяет сократить их количество в фазе, уменьшить количество витков многообмоточного трансформатора, а значит и весогабаритные характеристики всего преобразователя.
В каждой фазе 6 кВ преобразователя частоты TMdrive-MVG2 устанавливается только по 5 последовательно соединенных инверторных ячеек (всего 15 ячеек). 10кВ и 11кВ преобразователи частоты содержат по 8 и 9 ячеек в каждой фазе соответственно (всего 24 и 27 ячеек). Меньшее количество ячеек существенно удешевляет TMdrive-MVG2, делая их более компактными и надёжными.
Форма выходного напряжения на выходе преобразователей частоты практически синусоидальная с небольшими искажениями вызванными работой транзисторов.
Однофазные ячейки TMdrive-MVG2 выполнены в виде отдельных выдвижных модулей, которые оборудованы специальными салазками, чтобы максимально сократить время работы (прим. 30 минут) на их замену. Кроме этого, звено постоянного тока ячейки использует не электролитические конденсаторы, а пленочные, поэтому их замена не требуется в течение всего срока служны оборудования. Входящие в конструкцию ячейки элементная база очень компактна и надёжна, что позволяет увеличить наработку на отказ всего оборудования не менее 100 000 час или 12 лет непрерывной работы, что существенно превышает показатели обычных преобразователей частоты.
Дополнительная техническая информация по TMdrive-MVG2:
