Экономим миллионы. Delta Electronics выходит на рынок среднего напряжения

22.01.2012 21:55
Преобразователи частоты в подавляющем числе приложений существенно снижают сумму счета за электроэнергию и продлевают срок службы оборудования. Сегодня это доказано сотнями публикаций и тысячами актов эксплуатации.

Затраты, которых можно было бы избежать, нелинейно растут с увеличением мощности двигателя.

С целью уменьшения потерь в меди, мощные асинхронные и синхронные двигатели (в диапазоне мощностей от 0.4 МВт до 40 МВт и выше, до 100МВт) работают уже напрямую от сетей среднего напряжения (обычно 6  или 10 кВ).

В тоже время революция в силовой микроэлектронике позволила создать массовый, недорогой и надежный преобразователь частоты низкого напряжения, тогда как качественный частотный привод среднего напряжения умели делать немногие, а если и умели, то делали это за большие деньги, которые медленно окупались.

Поэтому до сих пор , в лучшем случае,  применяется громоздкая, дорогая и неэффективная схема: понижающий трансформатор->преобразователь частоты низкого напряжения->синусный фильтр->повышающий трансформатор->двигатель, тогда как 97% установленных двигателей среднего напряжения работают на постоянной скорости,  производительность которых регулируется неэффективными механическими устройствами - направляющими аппаратами, заслонками, шиберами, расходующими огромное количество энергии.

Рис.1. Назначение преобразователей частоты

Однако за дело берется Delta Electronics, транснациональная корпорация с 80 тыс. работающими в 31 стране мира и с оборотом 6.6 млрд долларов, №1 по производству источников питания. Три года назад Delta Electronics открывает выделенное подразделение ( бизнес юнит) и строит новый завод для преобразователей частоты среднего напряжения.

Рис. 2. Области применения преобразователей частоты серии MVD Delta Electronics

Передовая концепция

Новый преобразователь частоты среднего напряжения Delta Electronics реализует самую современную концепцию каскадных многоуровневых инверторов напряжения (силовых ячеек), состоящую в следующем.

Рис.3. Концепция преобразователей частоты Delta Electronics

Преобразователь частоты состоит из входного сухого фазосдвигающего трансформатора, преобразующего трехфазное входное напряжение  в 18-ти фазное выходное напряжение.

Вторичные обмотки трансформатора разделены на 3 группы по 6 трехфазных обмоток в каждой. Фазовый сдвиг между обмотками в группе составляет 10градусов,, а между первой и 6-й обмотками группы - 50 градусов.

Такая конструкция фазосдвигающего трансформатора приводит к тому, что гармоники, генерируемые силовыми ячейками, попадают в первичную обмотку в противофазе и эффективно подавляются. Этот недорогой и красивый метод обеспечивает гальваническую развязку и избавляет от необходимости применять громоздкий входной фильтр, поскольку коэффициент нелинейных искажений входного тока составляет всего 1%, а уровень гармоник легко умещается в допустимые границы по стандарту международного электротехнического комитета МЭК 519.

Вторичные обмотки входного фазосдвигающего трансформатора подаются на  силовые ячейки, или инверторы напряжения.

На входе каждого инвертора напряжения стоит трехфазный выпрямитель, а на выходе - H мост. Каждый H мост, состоящий из стандартных модулей  IGBT с напряжением 1700В управляется с помощью широтно-импульсной модуляции с управлением положением пространственного вектора ( SVPWM - Space Vector Pulse Width Modulation). Выходы инверторов соединены последовательно в три группы и суммируются. Возможна установка резервной ячейки N+1.

Благодаря этой технологии Delta Electronics удалось получить выходное напряжение в виде точно аппроксимированной, практически идеальной  синусоиды, которая является одной из лучших сегодня на рынке по чистоте ( коэффициенту гармоник). Так, коэффициент гармоник выходного напряжения - менее 0.25%, выходного тока - менее 0.5%.

Таким образом как выходное напряжение, так и выходной ток имеет вид синусоиды,  иногда даже более чистой, чем в питающей сети.

Рис.5. Преимущества преобразователей частоты среднего напряжения Delta Electronics

Поэтому с преобразователями Delta Electronics хорошо работают старые двигатели, прошедшие капитальные ремонты и имеющие предельно допустимые параметры по потерям и качеству изоляции. Не предъявляется каких-либо требований и к моторным кабелям, длина которых определяется только падением напряжения на них, нет необходимости в установке моторных дросселей, а так же нет необходимости в снижении номинальной мощности двигателя ( motor derating).

Преобразователи частоты имеют высокий коэффициент мощности 96-97% во всем диапазоне частот вращения, КПД 97% , включая потери в трансформаторе, просадки напряжения сети до 30% не вызывают отключения, есть режим автоматического рестарта при вращающемся двигателе.

Конструкция

Преобразователи частоты Dleta Electronics имеют модульную конструкцию, предусматривающую простое масштабирование под различные выходные напряжения, удобную в доставке и монтаже.

Типичный состав привода:

• Шкаф управления с цветной графической панелью управления
• Шкаф силовых ячеек
• Шкаф сухого фазосдвигающего трансформатора
• Шкаф ручного или автоматического байпаса

Рис. 6. Модульная конструкция преобразователей частоты среднего напряжения Delta Electronics

Высокую надежность и помехоустойчивость гарантируют  оптоволоконные линии связи между системой управления и силовыми ячейками.

Характеристики

Основные особенности преобразователей частоты:

• Форсирование выходного момента
• Программируемые кривые разгона и торможения
• Автоматическая регулировка выходного напряжения
• Встроенный PID контроллер
• Прохождение просадок входного напряжения без отключения и подхват “на лету” вращающегося двигателя
• Защита от пропадания входных и выходных фаз
• Пропуск резонансных частот
• Электромагнитная блокировка дверей по требованиям безопасности
• Система самодиагностики
• Опция синхронного пуска

Серия MVD имеет трехуровневую систему сигнализации и защит.

Силовые ячейки имеют защиту от перенапряжения, недонапряжения, перегрева, короткого замыкания, потери связи.

Система сигнализации предупреждает об отказе охлаждающего вентилятора, закупоривании воздушного фильтра, превышении температуры трансформатора, открытии двери и пропадании внешнего напряжения.

Преобразователь в целом защищен от превышения тока, перегрузки, короткого замыкания, перенапряжения, пропадания заземления, перегрева трансформатора, пропадания связи, пропадания фаз.

В настоящее время доступна самая востребованная серия преобразователей частоты среднего напряжения Delta Electronics -  MVD1000, предназначенная для насосно-вентиляторных приложений. Серия хорошо себя зарекомендовала во множестве приложений на Китайском рынке и имеет уже первые внедрения в Европе.

План выхода новых серий преобразователей частоты среднего напряжения Delta Electronics приведен в дорожной карте ( рис.6), а основные технические характеристики серии MVD1000 - в таблице 1.

Таблица 1. Характеристики преобразователей частоты серии MVD1000

Серия преобразователей частоты Delta Electronics MVD1000 для насосно-вентиляторной нагрузки, существует с конца 2009 года.

Рис.7. План выпуска новых серий преобразователей Delta Electronics

Качество и выходной контроль

Производство Delta Electronics оснащено новейшим оборудованием и имеет уникальные возможности и по выходному контролю и тестированию преобразователей частоты среднего напряжения:

• Наличие в испытательной лаборатории всей линейки среднего напряжения мощностью несколько мегаватт
• Возможность нагружать привод на реальную механическую нагрузку с помощью системы генератор-двигатель
• Термокамеры для термоциклирования компонент и силовых ячеек
• Лаборатория для квалификационных испытаний силовых ячеек
• Термокамера для предотгрузочного термотестирования ( burn-in) полностью собранного преобразователя под нагрузкой.

На некоторое испытательное оборудование Delta Electronics получила международные патенты.

Рис. 8. Входные ячейки среднего напряжения в лаборатории Delta Electronics

Рис. 9. Система генератор-двигатель для выходных испытаний под реальной нагрузкой

Рис. 10. Автоматизированное рабочее место выходного контроля преобразователя MVD

Рис. 11. Предотгрузочная наработка на реальную нагрузку при повышенной температуре (burn-in test)

Всеобъемлющие процедуры тестирования и предотгрузочных испытаний не только гарантируют высокое качество и долговременную работу оборудования преобразователей частоты, но и радикально снижают время, необходимое на пусконаладочные работы и запуск преобразователей в эксплуатацию.

Типичные приложения

Угольный энергоблок ТЭС/ТЭЦ

Рис. 12. Использование преобразователей частоты серии MVD на угольном энергоблоке

Типичными применениями приводов Delta Electronics на угольных энергоблоках являются следующие:

• Привод дымососа
• Привод дутьевого вентилятора
• Привод мельницы-дробилки
• Привод питающего насоса
• Привод циркуляционного насоса
• Привод конденсатного насоса

При этом каждое из упомянутых применений может сэкономить сотни и тысячи мегаватт часов электроэнергии.

Рассмотрим например дутьевой или нагнетающий вентилятор котла. Объем воздуха, необходимый для оптимального сжигания топлива зависит от многих факторов, включая качество топлива, температуру воздуха, атмосферное давление, режим работы энергоблока и колеблется в существенных пределах. Поэтому номинальная мощность дутьевого вентилятора выбирается с запасом, в то же время, как среднегодовое значение производительности (воздушного потока) для энергоблока может составлять около 48% ( рис. 11.)  Мгновенная же производительность регулируется направляющими аппаратами или задвижками.

Рис. 13. Распределение реальной нагрузки дутьевого вентилятора по времени работы в год

В то же время, поток газа или жидкости через центробежный насос или вентилятор пропорционален частоте вращения вала N , давление на выходе пропорционально N^2, а потребляемая мощность N^3.

Поэтому снижение частоты вращения в половину приводит к уменьшению потребления электроэнергии в 8 раз. Однако, если учесть снижение потребления электроэнергии из-за разгрузки двигателя направляющими аппаратами и приняв во внимание реальный график нагрузки, экономия на подобных приложениях может составить около 60%.

Стартер газовой турбины

Еще одним применением серии MVD в энергетике является применение в газотурбинном энергоблоке для запуска газовой турбины.

Рис. 14. Применение преобразователей частоты MVD Delta Electronics для старта газовой турбины.

Преобразователь частоты серии MVD подключается к пусковому двигателю, либо напрямую к генератору газовой турбины, переводя его в двигательный режим и разгоняя турбину до точки горения (60 % оборотов).

Металлургия

Дутьевые вентиляторы и дымососы большой мощности существуют не только на угольных энергоблоках, но и в металлургических печах различного типа и назначения.

Ниже приведен результат внедрения преобразователей частоты серии MVD на двух дутьевых вентиляторах на одном из заводов ведущей мировой металлургической корпорации.

Дано:

Спецификация	Нагнетатель 4-1/Нагнетатель 4-2
Номинальная мощность вентилятора	4300 кВт
Наработка в 2010 г.	7105 часов
Номинальные обороты	890 об/мин
Номинальное напряжение	10000 В
Номинальная мощность двигателя	4400 кВт
Номинальный ток	305 А
Эмиссия СО2	0,637 экв./ кВт.ч

Энергосбережение ( преобразователь частоты по сравнению с направляющим аппаратом)

Двигатель	Нагнетатель 4-1	Нагнетатель 4-2
Энергопотребление (направляющий аппарат)	2311 кВт/год	2350 кВт/год
	16,560,255 кВт.ч/год	16,700,073 кВтч/год
Энергопотребление (MVD)	893 кВт/год	968 кВт/год
	6,343,167 кВт.ч/год	6,880,787 кВт.ч/год
Энергосбережение	62%	59%
Сэкономлено за год	US$686,222	US$659,504

Выбросы CO2 ( преобразователь частоты по сравнению с направляющим аппаратом)

Двигатель	Нагнетатель 4-1	Нагнетатель 4-2
Направляющий аппарат	10,549 тонн/год	10,638 тонн/год
MVD	4,041 тонн/год	4,383 тонн/год
Уменьшение	6,508 тонн/год	6,255 тонн/год
	62%	59%

Производство цемента

Производства цемента, как мокрым, так и сухим способом, содержит в технологической цепи множество мощных дробилок, мельниц, производительность которых может точно регулировать преобразователями частоты MVD Delta Electronics, экономя электроэнергию и продлевая ресурс оборудования.

Рис. 15. Применение преобразователей частоты Delta Electronics для производства цемента

Возможное применение преобразователей частоты Delta Electronics в технологической схеме производства цемента показано на рис. 15.

Водоснабжение и водоотведение

Как отмечено в некоторых исследованиях, до 90% насосных установок сегодня используются неправильно, напрасно расходуя значительную часть энергии впустую. Дело в том, что перед проектировщиками гидравлической системы всегда имеется некоторая неопределенность в  реальных расходных характеристиках, изменениях в диаметре труб, количестве угловых секций в окончательном варианте и на этапе эксплуатации.

Поэтому всегда мощность привода  насосных станций выбирается с приличным запасом. Но как отмечалось ранее, увеличение частоты вращения центробежного насоса ведет к увеличению потребляемой мощности в кубе от этой частоты вращения. Особенно большие потери возникают на больших мощностях, при использовании моторов среднего напряжения.

Рис. 16. Насосная станция среднего напряжения

Поэтому использование преобразователей частоты серии MVD для моторов среднего напряжения насосов является одной из самых быстро окупаемых инвестиций.

Стандарты

Производство преобразователей частоты  Delta Electronics серии MVD сертифицировано по ISO 9001:2008, ISO 14001:2004, OHSAS 18001:2007, QC 080000:2007, TL9000 R5.0

Это означает, что производство Delta Electronics выпускает качественную, экологичную и  безопасную продукцию, с соблюдением международных норм охраны труда.

Кроме того, сами преобразователи частоты разработаны в соответствие с самыми передовыми международными стандартами, принятыми в отрасли: