Преобразователи частоты

СОДЕРЖАНИЕ

     Введение 

     В настоящее время у большинства  специалистов, эксплуатирующих насосное оборудование, уже сложилось четкое представление о возможностях использования  преобразователей частоты для привода  насосов и насосных агрегатов. Понимание этого вопроса обусловлено интенсивным внедрением частотно-регулируемого привода за последние годы и накопленным опытом его эффективного использования.

     Для всех видов перекачиваемой жидкости преобразователи частоты обеспечивают более экономичное, более эффективное  и более надежное регулирование, чем известные механические способы. Независимо от области использования (добыча и транспорт нефти, электроэнергетика, жилищно-коммунальное хозяйство и т.д.) эффект от частотного регулирования насосов общеизвестен:

• экономия электроэнергии до 30 – 60 %;
• снижение утечек жидкостей до 5 %;
• экономия тепловой энергии до 10 %;
• увеличение срока службы оборудования в 1.5-2 раза;
• уменьшение вероятности возникновения разрывов трубопроводов;
• повышение эффективности защиты электропривода;
• улучшение экологической обстановки.

1. Основные  сведения о частотно-регулируемом электроприводе

     Частотный преобразователь в комплекте  с асинхронным электродвигателем  позволяет заменить электропривод  постоянного тока. Системы регулирования скорости двигателя постоянного тока достаточно просты, но слабым местом такого электропривода является электродвигатель. Он дорог и ненадежен. При работе происходит искрение щеток, под воздействием электроэрозии изнашивается коллектор.  Такой электродвигатель не может использоваться в запыленной и взрывоопасной среде.

     Асинхронные электродвигатели превосходят двигатели  постоянного тока по многим параметрам: они просты по устройству и надежны, так как не имеют подвижных  контактов. Они имеют меньшие  по сравнению с двигателями постоянного  тока размеры, массу и стоимость  при той же мощности. Асинхронные  двигатели просты в изготовлении и эксплуатации.

     Основной  недостаток асинхронных электродвигателей  – сложность регулирования их скорости традиционными методами (изменением питающего напряжения, введением  дополнительных сопротивлений в  цепь обмоток).

       Управление асинхронным электродвигателем  в частотном режиме до недавнего  времени было большой проблемой,  хотя теория частотного регулирования  была разработана еще в тридцатых  годах. Развитие частотно-регулируемого  электропривода сдерживалось высокой  стоимостью преобразователей частоты.  Появление силовых схем с IGBT-транзисторами, разработка высокопроизводительных микропроцессорных схем управления позволили различным фирмам Европы, США и Японии создать современные преобразователи частоты доступной стоимости.

     Известно, что регулирование частоты вращения исполнительных механизмов можно осуществлять  при помощи различных устройств: механических вариаторов,  гидравлических муфт, дополнительно вводимыми в статор или ротор резисторами, электромеханическими преобразователями частоты, статическими преобразователями частоты.  Применение первых четырех устройств не обеспечивает высокого качества регулирования скорости, неэкономично, требует больших затрат при монтаже и эксплуатации.

       Статические преобразователи частоты  являются наиболее совершенными  устройствами управления асинхронным  приводом в настоящее время.

     Принцип частотного метода регулирования скорости асинхронного двигателя заключается в том, что,  изменяя частоту f₁ питающего напряжения, можно в соответствии с выражением 

при неизменном числе  пар полюсов p изменять угловую скорость магнитного поля статора.

     Этот  способ обеспечивает плавное регулирование  скорости в широком диапазоне, а  механические характеристики обладают высокой жесткостью. Регулирование  скорости при этом не сопровождается увеличением скольжения асинхронного двигателя, поэтому потери мощности при регулировании невелики. Для  получения высоких энергетических показателей асинхронного двигателя  – коэффициентов мощности, полезного действия, перегрузочной способности – необходимо одновременно с частотой изменять и подводимое напряжение.

            Закон изменения напряжения зависит  от характера  момента  нагрузки Mс. При постоянном  моменте   нагрузки (Mс=const) напряжение на статоре должно регулироваться пропорционально частоте:

     .

     Для вентиляторного характера момента нагрузки это состояние имеет вид:

     .

     При моменте нагрузки, обратно пропорциональном скорости:

     .

     Таким образом, для плавного бесступенчатого  регулирования частоты вращения вала асинхронного электродвигателя, преобразователь частоты должен обеспечивать одновременное регулирование  частоты и напряжения на статоре  асинхронного двигателя. 

2. Преимущества  использования регулируемого  электропривода в  технологических  процессах

     Применение  регулируемого электропривода обеспечивает энергосбережение и позволяет получать новые качества систем и объектов. Значительная экономия электроэнергии обеспечивается за счет регулирования  какого-либо технологического параметра. Если это транспортер или конвейер, то можно регулировать скорость его движения. Если это насос или вентилятор – можно поддерживать давление или регулировать производительность. Если это станок, то можно плавно регулировать скорость подачи или главного движения.

     Особый  экономический эффект от использования  преобразователей частоты дает применение частотного регулирования на объектах, обеспечивающих транспортировку жидкостей. До сих пор самым распространённым способом регулирования производительности таких объектов является использование  задвижек или регулирующих клапанов, но сегодня доступным становится частотное регулирование асинхронного двигателя, приводящего в движение, например, рабочее колесо насосного  агрегата или вентилятора.

     Перспективность частотного  регулирования  наглядно  видна  из рисунка 1.

Рис. 1 –  Зависимость экономии электроэнергии от потребляемой мощности.

           Таким образом, при дросселировании  поток вещества, сдерживаемый задвижкой или клапаном,  не совершает полезной работы. Применение регулируемого электропривода насоса или вентилятора позволяет задать необходимое давление или расход, что обеспечит не только экономию электроэнергии, но и снизит потери транспортируемого вещества. 

3. Структура частотного преобразователя

     Большинство  современных  преобразователей частоты построено по схеме двойного преобразования.  Они  состоят из следующих основных частей:  звена  постоянного  тока  (неуправляемого выпрямителя), силового импульсного инвертора и системы управления. Звено постоянного тока состоит из неуправляемого выпрямителя и фильтра.  Переменное напряжение питающей сети преобразуется в нем в напряжение постоянного тока. Силовой трехфазный импульсный инвертор состоит из шести транзисторных ключей. Каждая обмотка электродвигателя подключается через соответствующий ключ к положительному и отрицательному выводам выпрямителя. Инвертор осуществляет преобразование выпрямленного напряжения в трехфазное переменное напряжение нужной частоты и амплитуды, которое прикладывается к обмоткам статора электродвигателя. 
           В выходных каскадах инвертора в качестве ключей используются силовые IGBT-транзисторы. По сравнению с тиристорами они имеют более высокую частоту переключения, что позволяет вырабатывать выходной сигнал синусоидальной формы с минимальными искажениями. 
 
 
 
 
 

4. Области применения преобразователей частоты

1. Применение частотно-регулируемого привода для глубинных насосов

Рис. 2 –  Структурная схема частотно-регулируемого привода глубинного насоса.

     Преимущества применения частотно-регулируемого электропривода:

     1. Экономия электроэнергии от 30 до 60%.

     2. Исключение гидроударов, что позволяет резко увеличить срок службы трубопроводов и запорной арматуры.

     3. Отсутствие больших пусковых токов, полная защита электродвигателей насосных агрегатов, работа электродвигателей и пусковой аппаратуры с пониженной нагрузкой, что значительно увеличивает срок службы электродвигателей.

     4. Значительная экономия воды за счёт оптимизации давления в сетях и уменьшения разрывов трубопроводов.

     5. Возможность полностью автоматизировать насосные станции.

     6. Вода к потребителю может подаваться напрямую через закрытые трубы без накопления в резервуаре или водонапорном баке.

     7. Не требует строительства, обслуживания водонапорных баков или накопительных резервуаров.  

2. Рациональное управление насосными агрегатами канализационной насосной _{станции}

      Рис. 3 – Структурная  схема канализационной насосной станции.

     Особенности работы канализационной насосной станции:

     _{1. Большую часть времени на станции работает один насосный агрегат.}

     2. Регулирование производительности дросселированием трубопроводов обычно не предусматривается.

     3. Перекачивание стоков происходит при работе агрегата в режиме периодических _{включений.}

     Применение преобразователей частоты позволяет:

     1. Экономить электроэнергию за счет управления насосным агрегатом по специальному алгоритму, включающему в себя:

     а) стабилизацию максимально допустимого уровня в приёмном резервуаре при больших потоках;

     б) поддержание оптимальной частоты электродвигателя при снижении притока;

     в) исключение потери электроэнергии на пусковые токи;

     2. Упрощается техническое обслуживание технологического оборудования так как исключается большое количество пусков электродвигателей.

     3. Обеспечивается оптимальное протекание режима перекачки стоков без гидроударов.

     4. Уменьшается число коммутационных переключений в силовых цепях и цепях управления насосными агрегатами.  

3. Применение частотно-регулируемого привода в системах вентиляции и кондиционирования воздуха

     Обычно вентиляторы имеют такие размеры, чтобы обеспечить максимальный расход воздуха, требуемый системой.

     Однако условия функционирования часто требуют снижения расхода.

     Это может достигаться за счёт дросселирования при постоянной частоте вращения вала вентилятора, а так же за счёт изменения скорости вращения вала вентилятора при использовании частотно-регулируемого привода.

     Производительность вентилятора частоты можно менять в зависимости от сезонных, климатических условий, баланса тепло и влаговыделений, выделений вредных газов и паров. 

     Зависимость потребляемой мощности вентилятора от скорости вращения вала вентилятора _{такая же как и у центробежного насоса Р=f(Q}³_{), т.е. снижение скорости вращения вала вентилятора приводит к уменьшению} потребляемой мощности в 8 раз. Экономия электроэнергии при применении частотно-регулируемого привода может составить до 60%.

     Частотно-регулируемый привод на базе преобразователя частоты фирмы Hitachi может использоваться при применении датчика обратной связи на количество людей в здании, датчика потока, разряжения и т.д.  

     4.4. Применение частотно-регулируемого привода в компрессорных установках 

     _{Работа поршневого компрессора существенно отличается от работы механизмов} с вентиляторной характеристикой, так как момент сопротивления на его валу _{можно считать постоянным.}

     Однако производительность компрессора зависит от числа оборотов его вала. При регулировании производительности компрессора изменением числа оборотов его вала изменяется и мощность, потребляемая из сети электродвигателем, приводящим компрессор в движение. На промышленных предприятиях достаточно часто требуется регулировать производительность компрессорных установок за счёт ступенчатого изменения скорости вращения электродвигателя.

     Из-за неравномерности потребления сжатого воздуха при работе компрессора иногда приходится открывать спускной клапан в ресивере компрессора.

     Применение частотно-регулируемого привода как показано на схеме позволяет экономить электроэнергию, поддерживая оптимальное давление при оптимальном расходе сжатого воздуха в системах пневматики.  
 
 
 

    Рис. 4 – Структурная схема частотно-регулируемого привода компрессорной установки.

     ^{При применении частотно-регулируемого привода для управления винтовыми} компрессорами можно получить экономию электроэнергии, сравнимую с экономией при управлении центробежными насосами (до 60%), т.к. характеристика винтового компрессора близка к характеристике центробежного насоса.

     Кроме получения экономии электроэнергии применение частотно-регулируемого привода дополнительно обеспечивает следующее:

     1. Снижается износ коммутационной аппаратуры из-за отсутствия больших пусковых токов при включении двигателя компрессора.

     2. Оптимизация давления в пневмосети снижает утечки сжатого воздуха.

     3. Увеличивается срок службы электродвигателя из-за снижения его нагрузки и отсутствия тяжёлых пусковых режимов.  

     4.5. Применение частотно-регулируемого привода в тягодутьевых механизмах котельных _{установок} 

     Тягодутьевые машины потребляют около 60% электроэнергии собственных нужд котельных цехов. Поэтому регулирование их режимных параметров оказывает существенное влияние на мощность и экономичность работы котельных установок.

     Использование частотно-регулируемых приводов позволяет решать задачу согласования режимных параметров и энергопотребления тягодутьевых механизмов с изменяющимся характером нагрузки котлов.

     Основным назначением тягодутьевых механизмов и водогрейных котлов является поддержание оптимального режима горения в топке котла. Под понятием оптимального режима здесь подразумевается поддержание оптимального соотношения «топливо-воздух» и создание наиболее благоприятных условий для полного сгорания топлива. Для выполнения этого условия необходимо с одной стороны подать нужное количество воздуха в топку – с другой с заданной интенсивностью извлекать из неё продукты горения.

     Применение преобразователей частоты для управления вентилятора подачи воздуха в топку, а так же вентилятора дымососа позволяет не только эффективно решать эту задачу, но и автоматизировать этот процесс наиболее полно и эффективно.

     Как правило, система регулирования дымососа должна поддерживать заданную величину разряжения в топке котла независимо от производительности котлоагрегата.

     Подача топлива в топку котла для сохранения баланса между подводом тепла и отводом его выполняет существующая система управления производительностью котлоагрегата, регулирую подачу топлива. С его увеличением увеличивается подача воздуха в топку котла и электропривод дымососа должен увеличить отсасывающий объём продуктов горения. Таким образом, связь между системами регулирования вентилятора и дымососа осуществляется через топку котла.

     Поскольку график нагрузки отопительной котельной достаточно неравномерный, уменьшение производительности, как вентилятора, так и дымососа позволит сэкономить до 70% электроэнергии, идущей на приведение в действие этих механизмов.  

     5. Принцип работы преобразователей частоты 

     На рис. 5 представлена блок-схема силовой части преобразователя с промежуточным звеном постоянного тока (так называемый U - инвертор).

     Рис. 5 – Блок-схема силовой части преобразователя

     Напряжение  сети U₁ стандартной частоты f₁ подается на вход неуправляемого выпрямителя, преобразующего переменное напряжение U₁ в постоянное E₀.

Рис. 6 – Входное напряжение сети

     Выпрямленное  и напряжение Е₀ подается на вход инвертора, который преобразует его в трехфазное напряжение U_1рег регулируемой частоты f_1рег, поступающее на двигатель. Частота выходного напряжения инвертора f_1рег регулируется блоком управления в функции сигнала управления U_y.

     Остановимся подробнее на работе управляемого инвертора (рис. 7), полагая, что с помощью управляемого выпрямителя на его вход подается постоянное напряжение Е₀.

Рис. 7 – Коммутационная схема инвертирования

     Предположим, что трехфазная нагрузка z_А, z_В и z_С (обмотки статора асинхронного двигателя) соединена в звезду, а транзисторы VT1…VT6, на которых выполнен инвертор, соединены по мостовой схеме и по сигналам с блока управления открываются в требуемой последовательности. Обычно продолжительность открытого состояния каждого транзистора l составляет половину или треть периода Т_рег=1/f_рег, а сдвиг моментов открытия транзисторов VT1…VT6 – шестую часть этого периода. Рассмотрим сначала работу схемы со временем открытия транзисторов l=Т_рег/2. Временная токовая диаграмма работы транзисторов для этого случая показана на рис. 8, где токи фаз I_A, I_B, I_C, проходящие через нечетные транзисторы, отложены в положительном направлении, а через четные – в отрицательном. В каждый момент времени включены (открыты) три транзистора из шести, причем за время периода можно выделить шесть интервалов (I, II, III, IV, V, VI) различных сочетаний открытых и закрытых состояний транзисторов. Для определения формы напряжения на нагрузке рассмотрим схемы включения фаз статора асинхронного двигателя на каждом из шести временных интервалов.

Рис. 8 – Временная токовая диаграмма работы транзисторов

     В течение интервала I открыты транзисторы VT1, VT5 и VT6 начала фаз z_А и z_С соединены с плюсовым выводом источника +Е₀, а начало фазы нагрузки z_В – с минусовым выводом –Е₀ (рис. 9,а). Если при этом сопротивления всех трех фаз одинаковы, то эквивалентное сопротивление параллельно соединенных фаз нагрузок z_А и z_С будет в два раза меньше сопротивления фазы нагрузки z_В. Тогда и напряжение на параллельно соединенных фазах нагрузок z_А и z_С будет в два раза меньше, чем на фазе нагрузки z_В, и составит Е₀/3.

Рис. 9 – Схемы включения фаз статора

     На  интервале II (рис. 7) открыты транзисторы VT1, VT6 и VT2, фазы нагрузок z_В и z_С (рис. 9,б) включены параллельно, к ним прикладывается напряжение Е₀/3, а к фазе нагрузки z_А – напряжение 2Е₀/3.

     При переходе к интервалу III (рис. 7) закрывается транзистор VT6 и открывается транзистор VT3 (транзисторы VT1 и VT2 по прежнему открыты), в соответствии с чем фазы нагрузок z_А и z_В включены параллельно (рис. 9,в).

     Аналогично  можно изобразить схемы соединения схемы соединения фаз обмотки статора для интервалов IV, V и VI, которые будут соответствовать схемам для интервалов I, II и III, но иметь другую полярность напряжения на началах фаз. График изменения напряжения на фазах нагрузки при l=Т_рег/2 (рис. 10) имеет ступенчатую форму, и оно является переменным, причем максимумы этого напряжения сдвинуты по фазам на треть периода регулируемой частоты. Другими словами, на нагрузке получается стандартная система трехфазного напряжения переменного тока, хотя и несинусоидальной формы.

Рис. 10 – Напряжение на двигателе  

     6. Выбор преобразователя частоты  

     При выборе модели преобразователя частоты  необходимо определить его выходную мощность (кВт) и выходной ток (А). В  самом простом случае выходную мощность и выходной ток преобразователя можно определить, зная параметры приводного электродвигателя.

           На первом шаге при самостоятельном  выборе модели известного типа  частотного преобразователя рекомендуется поступать следующим образом:  
            1. Определить номинальный ток преобразователя, который необходимо выбирать равным номинальному току электродвигателя.  
          2. Определить полную выходную мощность преобразователя, ориентируясь на номинальную мощность электродвигателя.

           Необходимо принять во внимание, что:

           В общем случае после первого шага может сложиться ситуация, когда не удается выбрать преобразователь из предлагаемого ряда мощностей, поскольку полученным значениям потребной мощности и выходного тока одновременно не отвечает ни один преобразователь. Поэтому необходимо обратить внимание на то, что главным параметром при выборе преобразователя является потребляемый электрический ток двигателя, поскольку он определяет режим работы выходных силовых транзисторов. Полная выходная мощность преобразователя в этом случае может отличаться от номинальной мощности двигателя. Данная ситуация не является исключительной, так как в настоящие время в эксплуатации находится огромное количество асинхронных электродвигателей самых различных серий и типоразмеров, многие из которых работают уже не одно десятилетие. Преобразователи же проектируются для общепринятого стандартизированного ряда мощностей.  

     7. Преобразователь  частоты HITACHI SJ300-055HF 

     Описание:

• Переключатель входной логики Сток\Исток;
• "Интеллектуальная" панель управления обеспечивает простоту программирования и удобство управления;
• Встроенный ПИД-регулятор;
• Интерфейс RS485 позволяет подключаться к стандартным интерфейсным сетям Profibus, Modbus и т.д.;
• Встроенный фильтр категории С3;
• Вход датчика тепловой защиты электродвигателя;
• Широкая гамма дополнительного оборудования.