Попробуем порассуждать о величине напряжения для питания электродвигателя привода.... да любого привода. Сначала давайте разберемся с напряжениями, какие они у нас бывают. Итак, согласно ГОСТ 29322-2014 (IEC 60038:2009) в РФ имеется следующий ряд стандартных напряжений:
1. Выше 1000В: напряжения 3, 6, 10, 20, 30, 35кВ
2. Ниже 1000В: напряжения 230, 400, 660, 1000В
"Эй а как же 1140В у нас в шахте?!" раздастся голос из глубин наших богатых недр. Но в увлекательный мир шахтного напряжения и оборудования в рудничном исполнении мы пока не пойдем, как и в такие отрасли как корабельная, авиационная, космическая ввиду их специфичности, и необходимости отдельных фундаментальных знаний по отрасли, пока порассуждаем про общепромышленное наземное оборудование.
Сразу оговоримся, в данной статье речь идет только об электродвигателях переменного тока. Электродвигатели постоянного тока хоть и прекрасны своими механическими характеристиками и простотой реализации управления, но, все же, уступают переменному току свои позиции.
Итак, для понимания выбора напряжения питания электродвигателя привода чего бы то ни было, необходимо понимание:
а) мощности этого самого электропривода;
б) понимание длинны кабельной трассы (или шинного моста) от источника напряжения до самого электродвигателя;
в) наличия доступных напряжений питания;
г) Точность, ширина (2 или 4 квадранта) и глубина регулирования.
Давайте разберем влияние всех этих условий:
Мощность
Мощность электродвигателей, на сегодняшний день, варьируется от единиц ватт до десятков мегаватт. Соответственно, имея задачу подобрать электродвигатель к конкретному механизму, мы уже знаем его мощность (момент) и можем смело начать рассуждать, не забывая включать логику. Но про электродвигатели от единиц ватт до 132-160кВт сразу определимся - это ниша вся до 1000В ибо подключать подобное к высоковольтному напряжению очень не логично, а точнее более затратно, чем низкое напряжение.
Например, мощность необходимого электродвигателя 630кВт, если бы дело было 40-50 лет назад можно смело утверждать - 6 (10)кВ и ни каких рассуждений! Но уже наступило будущее, относительно тех времен, и сейчас рассуждения о напряжении питания электродвигателя очень даже актуальны. Рассмотрим, гипотетически, питание напряжением 400В, тогда ток электродвигателя будет, примерно 1200А, что скажется на сечении кабелей питания не лучшим образом, а именно, суммарное сечение кабелей будет, примерно, в 15-20 раз больше, чем сечение кабеля на напряжение 6кВ, да и пусковая аппаратура будет внушительной, если речь о прямом пуске идет. Но, если уж проверять, то автоматический выключатель + контактор на 1200-1600А будет занимать не больше места, чем ячейка питания на 6кВ. Если наш двигатель требует регулирования, то низковольтное решение будет значительно меньше места занимать чем высоковольтное, и не важно какое регулирование: через фазный ротор или через преобразователь частоты.
Очень сильно на выбор напряжения питания электродвигателя влияет доступная к подключению мощность, если хочется подключить электродвигатель к напряжению до 1000В, необходимо понимать, что есть необходимая мощность на заданное напряжение. В этом плание проще всего тем, кто решает задачу замены одного электродвигателя на другой. Соответственно, самая сложная задача стоит перед теми, кто проектирует "с ноля" всю установку или весь комплекс. Но, при всем разнообразии возможностей производства электродвигателей, есть какие то пределы по мощности для электродвигателей переменного тока, например, можно смело считать пограничной мощностью 2000кВт (2МВт), выше этой мощности брать низковольтный электродвигатель, на мой скромный взгляд, нецелесообразно, даже если там требуется какое то невероятно точное регулирование, хотя производители преобразовательной техники (для того самого невероятного регулирования) могут сотворить преобразователь частоты до 5-6МВт. Каково же будет сечение кабелей и их стоимость, можно представить, удивиться, и, даже не пытаясь согласовать с руководством, отбросить эту идею. Почему? Потому что дальше включается фактор расстояния от источника питания до самого электродвигателя.
Расстояние
Расстояние по сути, прямо пропорционально стоимости кабельной продукции и , если рассматривать разницу между высоковольтным решением и низковольтным то эта зависимость чуть ли не квадратичная, так как ток при напряжении 6кВ, в 10 раз меньше, чем при напряжении в 0,66кВ, и почти в 20 раз меньше при напряжении в 0,4кВ. Отсюда и закономерности, если питание электродвигателя более 100-200м необходимо провести SWOT анализ про все достоинства и недостатки вариантов питающего напряжения, с учетом стоимости не только оборудования питания и регулирования, но и вложений в кабельные линии. Например: если объект вновь вводимый, до двигателя 400м, проектировщик закладывает электродвигатель на напряжение 400В, мощностью, пусть те же 630кВт, то кабель на 1200А надо где то проложить, причем это должна быть прям очень крепкая кабельная трасса. А вот сметчики этому проектировщику (который решил сэкономить и взял электродвигатель на 20% дешевле, чем высоковольтный) пояснят - сколько будет стоить прокладка кабелей, а руководитель еще и подскажет сколько будет стоить прокладка кабеля на 6кВ и разница в стоимости кабеля как и в его прокладке будет не в пользу низковольтного решения. Отсюда напрашивается вывод: дальше 100-200м низковольтное решение тянуть не стоит, не то что при 630кВт, но и при 400кВт тоже надо сопоставить все плюсы и минусы.
Доступная для подключения величина напряжения
Вот тут то тоже нас поджидает выбор вариантов подключения. И выбор этот, в основном поджидает только тех, кто занимается вновь вводимыми объектами, а именно проектированием, хотя выбор может быть ограничен, всего одной фразой в техническом задании, но, ведь те, кто пишут техническое задание, как ни странно, тоже люди, они тоже продумывают и тоже опираются на какие то закономерности, величины, умозаключения, личный опыт. А опыт и умозаключения могут многое рассказать, например: если необходимо запитать 4 воздуходувки (или 4 насоса) мощностью по 400кВт, то можно их запитать от 6кВ и тогда потребуется 4 дополнительные ячейки в распределительном устройстве 6кВ, но это если пуск прямой, что для такого оборудования чревато просадкой напряжения в сети цеха/предприятия и не несет ни чего положительного. Можно поставить трансформаторы на 1600-2000кВА больше и запитать от 0,4кВ, тогда просадка чуть меньше будет (трансформатор как дроссель выступит и чуток сгладит негатив от пуска), но и пусковая аппаратура во время прямого пуска прогреется до неприличных значений, а может и не выдержать таких издевательств. Есть еще вариант применить напряжение 0,66кВ, но это потребует отдельного (отдельных) трансформаторов и отдельных шкафов РУ-0,66кВ, а это требует дополнительного места и помещений, и, что немаловажно - финансов. Поэтому проектирование таких объектов начинается с учета мощности, длинны кабелей, а напряжение определяется исходя из массовости потребителей и, что немаловажно, необходимости регулирования скорости.
Регулирование скорости (точность, ширина и глубина)
Немного про регулирование: точность регулирования всем понятна, глубина регулирования, очень близка к точности, проще говоря - сколько ступенек регулирования можем себе позволить, а вот про ширину регулирования позволю уточнить. Понятие "ширина регулирования" отсутствует в учебной и научной литературе, в этой статье под шириной подразумеваю работу электропривода в 2х или 4х квадрантах, или, в переводе на простой язык, с вращением в обе стороны (2х квадрантный) и режимами торможения (4х квадрантный). И вот здесь кроется очень много ответов на поставленные вопросы, а именно: если требуется регулирование без режимов торможения (насосные и вентиляторные нагрузки и пр.), то в вариантах выбора привода можно смело опираться на выше изложенные рассуждения, но если привод с работой в 4х квадрантах, либо со сложной пусковой характеристикой, например ,мельница МШЦ и иже с ними, то тут необходимо прям хорошо поразмыслить, потому что низковольтные преобразователи частоты могут обеспечить регулирование в 4х квадрантах и даже рекуперацию электроэнергии в сеть, а высоковольтные так могут не все. Преобразователи частоты, которые выполнены по схеме инверторов напряжения, в большинстве своем, не могут обеспечить 4 квадранта, а те, которые могут, обойдутся очень не бюджетно. Преобразователи тока (на IGCT тиристорах и IEGT транзисторах) могут закрыть вопрос с 4х квадрантным регулированием, но они производятся на мощности от 2МВт, и это без учета напряжения, которое начинается от 3,3кВ. Вот и получается, что при необходимости регулирования электропривода в 4х квадрантах, на мощности до 2МВт необходимо внимательно присмотреться к напряжению до 1000В, даже с учетом постройки подстанции с дополнительными трансформаторами, а вот после 2МВт высоковольтный привод может быть предпочтительнее, особенно на низкооборотистых электродвигателях. Так же, с развитием преобразовательной техники, получают широкое распространение тихоходные электродвигатели с частотой питания от 7 до 40Гц, как правило, на мощности более 2МВт и напряжением более 1000В.
Каков итог
Если у вас привод позволяет "поиграться" с выбором напряжения и он меньше 2МВт мощностью, то необходимо проанализировать все описанные варианты, то все равно будет выбран самый дешевый вариант, не противоречащий концепции управления электроприводом. Если ваш привод больше 2МВт, то что бы вы не выбрали, все равно спросят как удешевить, так что не удивляйтесь и не возмущайтесь. Если же вы провели глубокий анализ, разобрали несколько вариантов и посчитали не только стоимость приобретения, но и стоимость владения, поздравляю, вы большой (или большая) молодец! Мое вам почтение и поздравления вашему работодателю.
PS: так как затронутая тема не имеет четких критериев, то все описанное является мнением автора и может свободно подлежать как аргументированной критике, так и обсуждению в комментариях.