Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Устройства и механизмы технологических процессов теплостанций, особенности режимов их работы. Обоснование необходимости регулирования частоты вращения приводных электродвигателей механизмов собственных нужд теплостанций 12
1.1. Анализ состава оборудования теплостанций 12
1.2. Обоснование целесообразности регулирования производительности механизмов собственных нужд РТС изменением частоты их вращения 17
1.3. Методика расчета эффективности применения частотно- регулируемых электроприводов насосных и вентиляторных установок РТС 22
Глава 2. Особенности применения высоковольтных ЧРП механизмов СН РТС 50
2.1. Требования к ЧРП механизмов СН теплостанций 50
2.2. Схемы высоковольтных преобразователей частоты, наиболее рациональные для применения на теплоснабжающих предприятиях 54
2.3. Принципы формирования систем электрического частотного регулирования электродвигателей механизмов СН РТС и рекомендации по выбору оптимальных систем ЧРП 71
Глава 3. Исследования нестационарных режимов работы ЧРП на РТС и разработка рекомендаций по повышению надежности их работы 86
3.1. Самозапуск ЧРП при кратковременных нарушениях электропитания 86
3.2. Автоматическое включение резерва (АВР) 137
Глава 4. Обеспечение требований электромагнитной совместимости преобразователей частоты, применяемых в составе регулируемых электроприводов, с оборудованием РТС 144
4.1. ЭМС мощных преобразователей частоты с сетями электроснабжения РТС. 145
4.2. Способы обеспечения электромагнитной совместимости преобразователей частоты и приводных электродвигателей 155
Заключение 168
Список литературы 170
Приложения 178
- Обоснование целесообразности регулирования производительности механизмов собственных нужд РТС изменением частоты их вращения
- Методика расчета эффективности применения частотно- регулируемых электроприводов насосных и вентиляторных установок РТС
- Схемы высоковольтных преобразователей частоты, наиболее рациональные для применения на теплоснабжающих предприятиях
- Способы обеспечения электромагнитной совместимости преобразователей частоты и приводных электродвигателей
Введение к работе
Актуальность.
Существующая тенденция развития энергетической отрасли характеризуется постоянным увеличением потребления энергоресурсов. Компенсация намечающегося дефицита энергии потребует существенных инвестиций в строительство новых генерирующих и передающих мощностей, что в перспективе приведет к значительному удорожанию электроэнергии. Между тем, Россия обладает значительным потенциалом энергосбережения, который оценивается примерно в 350-400 млн. тонн условного топлива в год, или около 40-45% от текущего потребления. При наметившемся дефиците энергетических и транспортных мощностей и высоком потенциале энергосбережения оно является оптимальной поддержкой в развитии электроэнергетической инфраструктуры.
Внедрение энергосберегающих технологий в последние годы поддерживается рядом правительственных постановлений и программ. На снижение энергоемкости экономики страны направлен Указ президента РФ от 4.06.2008г. №889 «О некоторых мерах по повышению энергетической и экологической эффективности российской экономики».
Теплоснабжение в России, являющееся самым крупным потребителем энергоресурсов, характеризуется весьма низкой энергоэффективностью, причины которой обусловлены, помимо чрезмерной централизации систем теплоснабжения и большой степенью износа теплогенерирующего оборудования и тепловых сетей, применением насосных и вентиляторных установок с большим запасом по мощности.
Значительный отпуск тепла (почти 50% от общего производства) обеспечивается теплостанциями, наиболее крупные из которых (на примере г. Москвы) - районные и квартальные (РТС и КТС). Режимы теплостанций характеризуются значительными колебаниями отпуска тепла в течение суток, а также сильно различающимися нагрузками в отопительный и летний сезоны. Это обстоятельство определяет переменные гидравлические режимы в сети теплоснабжения и, как следствие, необходимость регулирования в широких пределах сетевых, рециркуляционных насосов и насосов подпиточной воды. При переменных нагрузках теплостанций изменяются режимы работы котлов типов ПТВМ и КГВМ, что требует регулирования вентиляторов горелок, а также дутьевых вентиляторов и дымососов. Применяемые на практике дроссельные методы регулирования (клапанами, задвижками, направляющими аппаратами) неэкономичны и при переменных режимах в тепломеханической схеме теплостанций и теплосети приводят к значительным потерям электроэнергии, износу механизмов, запорной арматуры и теплопроводов.
Общепризнанным средством энергосбережения в теплоэнергетическом комплексе является использование частотно-регулируемого электропривода (ЧРП) механизмов собственных нужд генерирующих и распределяющих объектов. Кроме исключения дросселирования, регулируемый электропривод также обеспечивает целый ряд важных технологических возможностей.
На теплостанциях г. Москвы частотно-регулируемый электропривод внедряется достаточно широко - на РТС установлено 54 высоковольтных ЧРП сетевых насосов и тяго дутьевых механизмов. В процессе внедрения и эксплуатации ЧРП выявился ряд задач, который определяет актуальность работы.
Переход к финансированию проектов внедрения ЧРП за счет привлеченных средств и формирование Программы модернизации теплостанций г. Москвы потребовали тщательного технико-экономического обоснования применения ЧРП на каждом объекте, в результате чего возникла необходимость в специализированной инженерной методике расчета эффективности ЧРП. При этом разнообразие возможных схем ЧРП ставит задачу выбора оптимальной схемы частотного регулирования с точки зрения как обеспечения всех технологических режимов, так и оптимизации затрат на оборудование.
Электроприводы основных механизмов теплостанций относятся к категории ответственных. Перебой в работе сетевых насосов вызывает останов всех котлов по защите по минимальному расходу сетевой воды. От других, таких как тяго дутьевые механизмы, зависит работа отдельных котлоагрегатов. Преобразователи частоты (ПЧ) чувствительны к кратковременным посадкам питающего напряжения, поэтому возникновение посадки даже на 20-30% ведет к аварийному останову механизма, а вместе с этим, зачастую, и всей станции. В результате отсутствия требований к объектно-ориентированным ЧРП ответственных механизмов по условию самозапуска, на этапе первоначального их внедрения на РТС г. Москвы положительное впечатление о частотно-регулируемом приводе оказалось омрачено возникшей серьезной проблемой снижения надежности работы оборудования теплостанций и роста числа их остановов. Сказанное определяет актуальность поиска методов и технических средств для снижения аварийности работы ответственных механизмов теплостанций при оснащении их ЧРП.
Кроме задачи обеспечения бесперебойной работы актуальной также является задача снижения неблагоприятного воздействия преобразователей частоты на относительно «слабые» сети электроснабжения теплостанций, связанная по существу с необходимостью решения вопросов электромагнитной совместимости в уже действующей системе электроснабжения.
Цель работы - решение комплекса задач, направленных на повышение технико-экономической эффективности применения энергосберегающих частотно-регулируемых электроприводов на теплостанциях, а также на повышение надежности работы ЧРП и сопряженного с ним оборудования теплостанций.
Для достижения указанной цели решались следующие задачи:
Разработка инженерной методики технико-экономического анализа и обоснования применения частотно-регулируемых электроприводов на теплостанциях.
Исследование технических решений по схемам частотного регулирования для каждой группы основных механизмов теплостанций с точки зрения обеспечения оптимальных режимов работы
технологического оборудования, снижения потерь энергоносителей, электрической энергии и минимизации затрат. Разработка общих технических требований к объектно-ориентированным ЧРП.
Исследования особенностей работы ЧРП ответственных механизмов теплостанций в режиме самозапуска при посадках напряжения в системе электроснабжения. Разработка рекомендаций по повышению надежности работы ЧРП при посадках напряжения.
Анализ применяемых схем ПЧ с точки зрения обеспечения электромагнитной совместимости с сетями электроснабжения теплостанций. Разработка рекомендаций по применению в условиях теплостанций рациональных схем с учетом выполнения требования ЭМС.
Методы исследований
При решении поставленных задач использовались следующие методы:
Статистический сбор данных об остановах теплостанций и их причинах, анализ влияния ЧРП на надежность теплогенерации.
Математическое моделирование электромагнитных и электромеханических процессов ЧРП насосных и вентиляторных установок теплостанций.
Натурные испытания ЧРП в нестационарных и установившихся режимах.
Численные расчеты технико-экономических показателей при внедрении ЧРП на теплостанциях г. Москвы.
Научная новизна основных результатов работы
Предложена инженерная методика расчетов показателей эффективности применения частотно-регулируемых электроприводов на теплостанциях.
Сформулированы требования к объектно-ориентированным ЧРП ответственных механизмов теплостанций, исходя из критерия обеспечения надежной работы котлов, и разработаны рекомендации по выбору оптимальных схем частотного регулирования применительно к объектам теплоснабжения.
Проведены исследования на математической модели и натурные испытания высоковольтных ЧРП с целью оптимизация комплекса параметров настроек микропроцессорной системы управления ЧРП, позволяющей в целом повысить устойчивость работы и эксплуатационную надежность оборудования тепломеханической схемы теплостанций в нестационарных режимах за счет достижения оптимальных характеристик электромагнитных и электромеханических процессов в режимах самозапуска и подхвата вращающихся электродвигателей механизмов собственных нужд.
Сформулированы и обоснованы рекомендации по выбору и применению ПЧ в части обеспечения их ЭМС, учитывающие особенности сетей электроснабжения теплостанций.
Практическая значимость работы
Разработанная инженерная методика расчетов эффективности применения частотно-регулируемых электроприводов на теплостанциях апробирована по результатам обследования 52 теплостанций г. Москвы и использовалась при составлении «Программы внедрения энерго- и ресурсосберегающих систем частотного регулирования на теплоснабжающих предприятиях Департамента топливно-энергетического хозяйства Правительства г. Москвы на период 2005-2010 гг.». С помощью методики оценена экономическая эффективность и определена очередность внедрения ЧРП на теплостанциях г. Москвы. Методика реализована в виде компьютерной программы.
С использованием результатов исследований нестационарных режимов работы ЧРП проведена оптимизация характеристик режимов самозапуска высоковольтных ЧРП, установленных на 11 теплостанциях г. Москвы. Результатом проведенной работы явилось существенное уменьшение количества аварийных остановов теплостанций.
Разработанные рекомендации по выбору схем частотного регулирования, а также рекомендации по ЭМС, позволили обосновать применение для ряда теплостанций конкретных схем ПЧ, что было использовано при проектировании установки ЧРП на РТС «Пенягино», «Отрадное» и др. Рекомендации также могут быть использованы при дальнейшем внедрении ЧРП на объектах теплоснабжения городов.
Апробация работы. Результаты работы были доложены на конференциях и научно-технических совещаниях, в том числе:
XXIV Межведомственной научно-технической конференции «Проблемы обеспечения эффективности и устойчивости функционирования сложных технических систем», г. Серпухов, 2005г.
XXV Межрегиональной научно-технической конференции «Проблемы эффективности и безопасности функционирования сложных технических и информационных систем», г. Серпухов, 2006г.
на международном семинаре МА «Интерэлектромаш» «Разработка и применение частотно-регулируемого асинхронного и синхронного электропривода в промышленности, электроэнергетике, ЖКХ», г. Москва, 2008г.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 печатных работ, в том числе два доклада.
Обоснование целесообразности регулирования производительности механизмов собственных нужд РТС изменением частоты их вращения
КПД котлов на РТС в значительной мере зависит от качества процесса сгорания топлива (газа). От этого также зависит количество вредных выбросов в атмосферу. В реальных условиях в топку котла подается природный газ с, примесями и воздух. Вследствие этого в процессе горения могут образовываться угарный газ, NOx и другие неблагоприятно влияющие на экологию загрязняющие вещества. Поэтому одной из принципиально важных задач является обеспечение оптимального сжигания топлива при правильном соотношении смеси воздух-газ, подаваемой в горелки. При оптимальном сгорании топлива в уходящих газах количество Ж)х незначительно, а СО практически отсутствует.
Отношение массы воздуха, подаваемого в топку, к массе топлива характеризуется коэффициентом избытка воздуха а. При сгорании топлива, вследствие химических реакций образуется набор газов, из которых наиболее важным с точки зрения влияния на экологию окружающей среды являются СО, С02 и ЖЗХ. При неполном сгорании топлива повышается процентное содержание СО. Избыток воздуха по отношению к оптимальному значению О. приводит к появлению в составе отходящих газов чистого кислорода О2. На рис. 1.2. показана типовая зависимость КПД котла от (X: при малых & КПД снижается вследствие неполного сгорания топлива, что характеризуется резким ростом содержания СО, при больших СС топливо сгорает полностью, однако, вместе с избыточным кислородом часть тепла выносится из топки, что также приводит к снижению КПД.
Из этого следует, что для поддержания оптимального процесса горения в топке наилучшим способом является контроль и анализ содержания СО и 02 в отходящих газах с одновременным вводом в систему управления сигналов обратной связи, пропорциональных содержанию этих газов, обеспечивающих автоматический выбор а, близкого к оптимальному и, следовательно, определяющих задание частоты вращения дутьевого вентилятора. По указанному принципу может быть построена система частотного управления приводами дутьевых вентиляторов котельных установок [7, 8].
Разработана и внедрена на ряде РТС система автоматического регулирования режима горения в котлах ПТВМ, основанная на регулировании частоты вращения двигателей вентиляторов горелок. Не вдаваясь в детальное описание этой системы, внедренной на котлах ПТВМ-100 РТС «Строгино», а также на четырех таких же котлах РТС «Отрадное», на семи котлах ПТВМ-50 РТС «Рублево» и «Матвеевское» и т.д., можно констатировать ее очевидную технологическую и экономическую целесообразность.
На котлах КВГМ целесообразно исключать дросселирование воздуха и дымовых газов. Наличие регулируемых электроприводов дымососа и дутьевого вентилятора определяет несколько иной подход к построению автоматики управления горением. Здесь повышение эффективности сжигания топлива, поддержание оптимального режима горения и энергосбережение достигается за счет исключения дросселирования воздуха и газов с помощью механических регуляторов (направляющего аппарата) и применения плавного экономичного регулирования производительности тягодутьевых механизмов котла путем изменения частоты вращения их приводных электродвигателей.
Методика расчета эффективности применения частотно- регулируемых электроприводов насосных и вентиляторных установок РТС
Технология производства и отпуска тепловой. энергии потребителям предопределяет необходимость регулирования практически всех электроприводов теплостанции, при этом энергосбережение обеспечивается на каждом регулируемом механизме. Однако численное определение эффективности применения частотного регулирования для определения реальных сроков окупаемости затрат на оснащение механизмов РТС регулируемыми приводами проводится далеко не всегда, т.к. во-первых, это требует дополнительных затрат, во-вторых, отсутствует достаточно простая и наглядная для потребителя инженерная методология оценки показателей эффективности применения ЧРП.
В то же время, в связи с привлечением на практике средств сторонних организаций и, прежде всего, банков, для реализации проектов внедрения ЧРП (кредиты, лизинг и т.п.) выполнение технико-экономического обоснования становится обязательным условием.
На начальном этапе работ по ТЭО применения систем частотного регулирования проводится предварительное обследование энергетических установок и объектов. Эти обследования предназначены для сбора и систематизации исходных данных и их первичной обработки. Наиболее ответственным при сборе исходных данных является определение технологических параметров и диапазонов их изменения в нормальных и аварийных режимах. На этой стадии - стадии инструментального определения энергозатрат насосных и вентиляторных установок энергообъекта предусматривается выполнение замеров технологических параметров (расходов, давлений, температур и др.) в определенных точках технологической схемы. Эти замеры и последующие предварительные расчеты параметров должны позволить оценить достоверность полученных исходных данных. Определение технологических параметров в установках, не имеющих соответствующих измерительных приборов, выполняется косвенными методами и (или) с использованием переносных измерительных приборов.
Важным этапом ТЭО является расчет показателей эффективности применения ЧРП.
На этой стадии, прежде всего, обсуждается вся совокупность этих показателей, анализируется роль каждого из них и оценивается, какие из показателей поддаются расчету на основе исходных данных по результатам обследования, а какие следует вводить в расчеты на основе экспертных оценок.
Многообразие механизмов СН и технологических схем РТС обусловили актуальность разработки методологии, позволяющей с необходимой степенью достоверности оценивать и прогнозировать основные показатели эффективности ЧРП применительно к системам экономичного регулирования производительности насосных и вентиляторных установок РТС.
Автором предложена методология расчета эффективности применения частотно-регулируемых электроприводов на РТС. Данная методика основана на ранее предложенных рядом авторов методиках [17,19] и имеет следующие отличия: - осуществлена привязка к группам основных механизмов РТС; - сбор данных для расчетов экономического эффекта осуществляется на основе специально разработанного листа комплексного обследования теплостанций; - расчет экономии электроэнергии производится целиком для групп однотипных механизмов, работающих на общий коллектор, с учетом количества работающих механизмов в различные периоды на протяжении года, при этом подразумевается параллельная работа регулируемых и нерегулируемых механизмов при установке ЧРП на группу механизмов; - добавлен учет экономии газа при оснащении регулируемыми приводами тягодутьевых механизмов котлов; - возможность оценки экономии электроэнергии и газа с применением усредненных коэффициентов экономии, полученных на основании анализа статистических данных об экономии при применении ЧРП, в случае, если непосредственный расчет экономического эффекта затруднен; - используется расширенный экономический аппарат для определения дохода за любой принимаемый период и срока окупаемости затрат на реализацию проектов внедрения ЧРП.
Данная методика была использована при составлении «Программы внедрения энерго- и ресурсосберегающих систем частотного регулирования на теплоснабжающих предприятиях Департамента топливно-энергетического хозяйства г.Москвы на период 2005-2010 гг.» [9].
Для разработки ТЭО необходимо располагать информацией о составе оборудования тепловых станций, режимах их работы, нагрузках оборудования, значениях расхода электроэнергии - общего по РТС и по группам механизмов
СН, о потерях воды, тарифах на топливо, электроэнергию, о стоимости исходной воды, а также другими показателями.
Для получения указанной информации необходимо проведение обследования РТС, для которых обосновывается внедрение ЧРП при техническом перевооружении и модернизации.
При этом определение фактических нагрузок насосных и вентиляторных установок и их приводных электродвигателей, для оценки годовых энергозатрат в различных режимах работы механизмов СН РТС можно принципиально свести к двум методам: - инструментальный метод определения фактических нагрузок и годовых энергозатрат механизмов СН на обеспечение технологических циклов; - определение фактических нагрузок и годовых энергозатрат механизмов собственных нужд на основе данных учета соответствующих служб РТС в форме ответов на опросный лист комплексного обследования.
Схемы высоковольтных преобразователей частоты, наиболее рациональные для применения на теплоснабжающих предприятиях
Сети электроснабжения РТС выполнены с двумя уровнями напряжения: 10кВ или 6 кВ.и 0,4 кВ. К шинам 10 кВ обычно подключены синхронные электродвигатели сетевых насосов, а к шинам 6 кВ подключены асинхронные электродвигатели сетевых насосов, дутьевых вентиляторов и дымососов. Электроснабжение асинхронных электродвигателей насосов рециркуляции, подпиточных, хозяйственных насосов, насосов химводоочищенной воды, дутьевых вентиляторов горелок обеспечивается от сети 0,4 кВ.
Применение в мощных электроприводах высоковольтных АД выдвигает задачу согласования напряжения статора двигателя с выходным напряжением преобразователя частоты и напряжения системы электроснабжения с входным напряжением преобразователя. Сложившаяся у многих фирм практика показывает, что здесь принципиально возможны два технических решения: в высоковольтное исполнение ПЧ с непосредственным (без промежуточного трансформатора) подключением к приводному двигателю. м высоковольтное исполнение ПЧ с подключением к приводному двигателю через промежуточный трансформатор. Данный способ реализуется при сопряжении преобразователей частоты с синхронными двигателями напряжением 10 кВ. н установка на входе и выходе ПЧ согласующих трансформаторов при низковольтном исполнении самого преобразователя; в замена высоковольтного двигателя на низковольтный с установкой понижающего трансформатора и низковольтного преобразователя.
Как показывает анализ мирового опыта, для регулирования частоты вращения высоковольтных асинхронных и синхронных двигателей, особенно при мощностях, начиная с 630 кВт, оптимальным является оснащение их высоковольтными преобразователями частоты на основе автономных инверторов тока (АИТ) и напряжения (АИН). При этом тип инвертора и схема преобразователя частоты в высоковольтном исполнении, а также принципы управления в значительной мере определяются типом применяемых силовых полупроводниковых приборов. Технологии частотно-регулируемого электропривода остаются разнообразными как в топологии, так и в характеристиках. При этом предпочтительность применения той или иной схемы преобразователей частоты для высоковольтного электропривода определяется в каждом конкретном случае отдельно.
Высоковольтный частотно-регулируемый электропривод, выполненный по схеме трехуровнего автономного источника напряжения.
Если автономный инвертор получает питание от источника напряжения, т.е. от источника с малым внутренним сопротивлением (аккумуляторная батарея, выпрямитель с емкостным фильтром), то в этом случае для нагрузки (асинхронного двигателя) инвертор также является источником с малым внутренним сопротивлением - источником напряжения. Такой инвертор называется автономным инвертором напряжения (АИН).
Схема трехуровневого АИН, выполненного по топологии NPC с широтно- импульсной модуляцией на IGCT показана на рисунке 2.1. Особенность АИН - формирование двухполярного выходного напряжения в виде прямоугольной «решетки» импульсов высокой крутизны, определяемой частотой переключения полупроводниковых приборов (IGCT, IGBT). Формы выходного тока и напряжения показаны на рисунке 2.2.
Преобразователи частоты на основе рассмотренного АИН выпускаются фирмами ABB и Siemens. - необходимо применение дорогостоящего LC-фильтра на выходе преобразователя для обеспечения электромагнитной совместимости с электродвигателем (для подавления пиков коммутационных перенапряжений). При отсутствии фильтра появляется ограничение на длину соединительного кабеля между преобразователем и двигателем (так называемая «проблема длинного кабеля»). - ПЧ имеет выходное напряжение 3,3 кВ. Для сопряжения подобных ПЧ с электродвигателями РТС, рассчитанными на напряжение б кВ, необходимо переключение двигателей со «звезды» в «треугольник», что не всегда возможно в связи с особенностями их конструкции.
Высоковольтный частотно-регулируемый электропривод, выполненный по схеме четырехуровнего автономного источника напряжения.
Интересное решение было найдено фирмами Alstom и General Electric. Оно основано на четырехуровневой форме (4-level) выходного напряжения, для чего пришлось изменить топологию АИН, как показано на рис.2.3. Инверторы ПЧ ALSPA VDM 6000 Alstom выполнены на IGBT, а инверторы ПЧ Innovation Medium GE выполнены на IGCT.
Как видно из осциллограмм на рис.2.4, форма выходного тока четырехуровневого ШИМ-инвертора практически синусоидальная, а выходное напряжение за счет большего количества ступенек имеет огибающую, близкую к синусоиде форму. Как правило, установка фильтра на выходе такого ПЧ необязательна, хотя фирмы рекомендуют в ряде случаев устанавливать облегченный LC фильтр.
Способы обеспечения электромагнитной совместимости преобразователей частоты и приводных электродвигателей
Наиболее оптимально обеспечивается ЭМС преобразователей частоты на основе АИТ с ШИМ.
В таких инверторах, благодаря тому или иному алгоритму ШИМ, обеспечивается минимизация искажений токов двигателя и на выходе АИТ формируется ток, основная гармоника которого может достигать практически 100% (рис. 4.1, 4.2). Напряжение на статоре не содержит пиков коммутационных перенапряжений, близко к синусоидальной форме, а доля основной гармоники в напряжении статора также близка к 100%. Поэтому преобразователи частоты на основе АИТ с ШИМ без ограничений можно сопрягать со стандартными двигателями российского производства, а на длину соединительного кабеля между инвертором и двигателем не накладывается никаких ограничений.
Иначе обстоят дела при применении преобразователей частоты на основе АИН с ШИМ. В этих преобразователях при высоковольтном исполнении применяются модули IGBT или последовательно соединенные IGCT [28,59,60] . Наряду с положительными качествами таких преобразователей, получивших широкое распространение в частотно-регулируемых электроприводах, при их применении необходимо обеспечить снижение воздействий импульсов ыходного напряжения АИН на изоляцию обмотки статора и локализацию волновых процессов в соединительном кабеле между инвертором и двигателем, сопровождающихся перенапряжениями (проблема «длинного кабеля»).
Как известно, форма напряжения АИН с ШИМ представляет собой последовательность высокочастотных прямоугольных импульсов различной полярности и длительности с одинаковой амплитудой, равной напряжению звена постоянного напряжения преобразователя частоты, характеризующихся высокой крутизной фронта импульса (du/dt). Последняя определяется скоростью (временем) переключения силовых ключей АИН. Это время для IGBT и IGCT лежит в пределах 0,05-2 мкс. Очевидно, что волна импульсного напряжения, прикладываясь к изоляции обмотки статора двигателя, может вызвать ее повреждение.
Периодически прикладываемые к статору двигателя волны импульсного напряжения могут привести к преждевременному повреждению межвитковой изоляции. При этом наибольшим воздействием подвергаются первые или последние витки любой фазы, что приводит к постепенному уменьшению электрической прочности межвитковой изоляции.
Другой, не менее серьезной проблемой являются перенапряжения на статоре двигателя, которые зависят от длины соединительного кабеля между двигателем и АИН. Эта, так называемая, проблема «длинного кабеля» связана с протеканием волновых электромагнитных, процессов в цепи «АИН- соединительный кабель-АД». В зависимости от длины кабеля возможно появление отраженной волны напряжения на выводах двигателя, достигающего почти двукратного значения напряжения, как результат несогласованности волнового сопротивления кабеля с входным сопротивлением двигателя, определяемым индуктивностью рассеяния статора и эквивалентной частотой фронта импульса. Возможность повреждения изоляции тем выше, чем меньше время нарастания импульсов выходного напряжения АИН, т.е. чем выше du/dt.
Поэтому все фирмы, выпускающие высоковольтные преобразователи частоты на основе ШИМ-АИН по топологии NPC (инвертор со средней точкой), на выходе устанавливают LC-фильтр (синусоидальный фильтр), применение которого совершенствует преобразователь и практически снимает ограничение на его сопряжение со стандартными общепромышленными двигателями российского производства и на длину соединительного кабеля (рис. 4.5 [60].
Без выходных фильтров можно сопрягать с отечественными двигателями преобразователи частоты на основе многоуровневых АИН с ШИМ (топология «multi-level»). К таким преобразователям на выходное напряжение 6000 В относятся: Tosvert MV (Toshiba), MELTRAC-F500HV (Mitsubishi), Perfect Harmoni, New Baby (Robicon), Innovation MV (GE), Symphony (Alstom, Франция). Выходное напряжение (напряжение на статоре асинхронного двигателя) содержит большое число «ступенек» (уровней), вследствие чего огибающая этого напряжения близка к синусоидальной форме (рис.4.6).
