1. Применение частотных преобразователей

2. Как правильно выбрать преобразователь частоты

3. Что почитать

Здравствуйте уважаемые подписчики!

Если судить по Вашим отзывам, то, в целом, тема предыдущего выпуска рассылки Вам пришлась по душе. Поэтому сегодня хочу предложить еще кое-какой небезинтересный материальчик по частотным преобразователям. С удовольствием выслушаю Ваши замечания, а также предложения с пожеланиями по поводу дальнейшего содержания выпусков рассылки "Электротехническая энциклопедия". Пишите.

Ведущий рассылки: Андрей Повный Е-mail: electroby@mail.ru

Применение частотных преобразователей

Замена нерегулируемого привода с асинхронными двигателями

На сегодняшний день в мире большинство электроприводов составляют нерегулируемые привода с асинхронными двигателями. Их применяют в водо- и теплоснабжении, системах вентиляции и кондиционирования воздуха, компрессорных установках и др.

В таких установках плавная регулировка скорости вращения позволяет в большинстве случаев отказаться от использования редукторов, вариаторов, дросселей и другой регулирующей аппаратуры. Это значительно упрощает механическую систему, повышает ее надежность и снижает эксплуатационные расходы (подрбнее об этом смотрите в материале предыдущего выпуска рассылки, а также в книге "Энергосбережение и регулируемый привод в насосных и воздуходувных установках" )

Работа механизмов большую часть времени на пониженных частотах вращения с уменьшением циклических динамических и вибрационных нагрузок на подшипники, уплотнения, крепления, фундаменты механизмов и электродвигателей и соответствующим увеличением их ресурса и межремонтного пробега.

При подключении через частотный преобразователь пуск двигателя происходит плавно, без пусковых токов и ударов, что снижает нагрузку на двигатель и механизмы, увеличивает срок их службы.

Лифтовое хозяйство города – это отрасль с повышенной энергоёмкостью, поскольку ежегодный расход электроэнергии при эксплуатации лифтового оборудования составляет около одного миллиарда киловатт-часов. В связи с этим, внедрение новейших энергосберегающих технологий при модернизации лифтового оборудования становится крайне актуальной задачей.

Систематический анализ информации строительных, монтажных и проектных организаций позволяет сделать вывод, что в качестве базисной программы по энергосбережению на лифтах необходимо рассматривать внедрение частотно-регулируемых электроприводов, главный элемент которых – частотный преобразователь.

Примеры применения регулируемых электроприводов на базе частотных преобразователей

1. Одной из областей наиболее эффективного применения частотных преобразователей являются насосы дополнительной подкачки в системах водо- и теплоснабжения. Особенностью этих систем является неравномерность потребления воды в зависимости от времени суток, дня недели и времени года.

Постоянный объем подачи приводит к заметному ослаблению напора в часы повышенного разбора воды и к значительному повышению давления в магистрали, когда расход воды снижается. Повышение давления в магистрали ведет к потерям воды на пути к потребителю и увеличивает вероятность разрывов трубопровода.

При применении частотного преобразователя есть две возможности регулировать подачу воды: в соответствии с заранее составленным графиком (без обратной связи) и в соответствии с реальным расходом (с датчиком давления или расхода воды).

Регулирование подачи воды позволяет получить экономию электроэнергии до 50 %, а также значительную экономию воды и тепла. Исключение прямых пусков двигателя позволяет снизить пусковые токи, избежать гидравлических ударов и избыточного давления в магистрали, увеличить срок службы двигателя и трубопроводов.

Конкретные факты по работе различных систем с ПЧ:

∙ Внедрение частотных преобразователей в котельной железнодорожной больницы г.Ижевска позволило снизить потребление электрической энергии на 26,4%.

∙ В Новодвинске внедрение системы частотно-регулируемого электропривода на насосные станции 2,3,4 внесло значительный экономический эффект. Достигнута экономия электроэнергии свыше 30 процентов. Самое главное, такие преобразователи поддерживают неизменно стабильное давление в тепловых сетях.

∙ С осени 2003 года на участке сети между водопроводными станциями «Славянская» и «Гранитная» длиной в 7 км за полгода эксплуатации возникло (и было с соответствующими затратами устранено) 22 повреждения. В апреле 2004 года на «Славянской» и «Гранитной» станциях были установлены частотные преобразователи мощностью по 55 кВт. И с тех пор по март 2005 года на тех же самых сетях произошло всего три аварии. Кроме этого, значительно снизились затраты, связанные с ремонтом насосного оборудования и электродвигателей.

∙ Результаты опытной эксплуатации частотно-регулируемых электроприводов на котле № 2 ДЕ-16/14 в котельной Авиагородок 9 «а»: Расход электроэнергии электродвигателем без частотно-регулируемого электропривода – 552 кВт/час за сутки. Расход электроэнергии электродвигателем с частотно-регулируемым электроприводом – 169 кВт/час за сутки.

∙ Потребление привода насоса горячего водоснабжения на ЦТП-503 МУП “Теплокоммунэнерго” г.Омска составило:

1) с преобразователем частоты 693.085 кВт*ч/нед;

2) без преобразователя частоты 1046.74 кВт*ч/нед.

2. Для решения некоторых задач необходимо точное позиционирование механизма. В таких случаях оправдано применение частотных преобразователей с векторным управлением с обратной связью. Эта группа преобразователей имеет возможность работы с полным моментом в области нулевых скоростей. Привода с асинхронными двигателями, питающимися от таких частотных преобразователей, могут заменить регулируемые привода постоянного тока.

Несмотря на немалую стоимость современных ПЧ, средняя окупаемость вложенных средств за счёт экономии ресурсов составляет 0.5-1.5 года. Это вполне реальные сроки!

Также, не стоит забывать о комплексной автоматизации технологического процесса. Ведь современные ПЧ обладают широким набором функций и позволяют значительно упрощать рабочую схему системы.

Применение частотно-регулируемого электропривода подъемного устройства (лебедки) лифта значительно повышает комфортность при движении кабины, обеспечивает бесшумность и высокую точность остановки, увеличивает долговечность механического оборудования, а также позволяет снизить расход электроэнергии на 40-60%. Повышает комфортные показатели при движении кабины лифта и долговечность механического оборудования за счёт получения плавных переходных процессов. Снижает эксплуатационные расходы на капитальный ремонт оборудования за счёт значительного снижения динамических нагрузок в элементах кинематической цепи.

Снижение потребления электроэнергии достигается благодаря значительному (в 5-6 раз) уменьшению вращающихся маховых масс лебёдки, что исключает непроизводительные потери в переходных пуско-тормозных режимах: плавные переходные процессы позволяют снизить динамические нагрузки в элементах кинематической цепи привода лифта, что приводит к увеличению срока службы редуктора главного привода, канатоведущего шкива, тормозных колодок, электродвигателя, тяговых канатов, элементов подвески противовеса.

Экономическая эффективность использования преобразователей частоты в лифтовом хозяйстве:

Среднее машинное время работы лифта, часов в сутки/в год – 6.8/2482

Среднее число пусков в час – 108

Потребляемая электроэнергия, кВт/ч в сутки/в год: нерегулируемый привод - 28.5/10402 частотно-регулируемый привод - 12/4380

Экономия электроэнергии, кВт/ч в сутки/в год - 16.3/5930

Среднегодовая экономия электроэнергии на каждом лифте с частотно-регулируемым электроприводом составляет более 6000 кВт/ч.

В мировой практике регулируемый электропривод признан одной из наиболее эффективных энерго-ресурсо-сберегающих, экологически чистых технологий. Преобразователи частоты находят всё более широкое применение в лифтовой отрасли России.

Местные производители лифтов активно внедряют частотные преобразователи в производимые ими лифты.

К примеру, Щербинский лифтостроительный завод, начиная с 2001 года, выпустил более 800 лифтов с частотными преобразователями, которые в настоящее время успешно эксплуатируются и не имеют нареканий по качеству работы.

В правительстве Московской области завершается работа по введению требований по установке частотных преобразователей при строительстве новых лифтовых систем, а также при модернизации и реконструкции лифтового оборудования в областные строительные нормы и правила.

Российский технический комитет по стандартизации ТК-209 включил в план национальной стандартизации разработку нормативной документации по данному вопросу с тем, чтобы при учёте требований Федерального Закона «О техническом регулировании» ввести эти нормы в специальный технический регламент «О безопасности лифтов, подъёмно-транспортных средств и процессов их эксплуатации».

Конкретные факты по работе различных систем с ПЧ:

∙ Внедрение частотных преобразователей в котельной железнодорожной больницы г.Ижевска позволило снизить потребление электрической энергии на 26,4%.

∙ В Новодвинске внедрение системы частотно-регулируемого электропривода на насосные станции 2,3,4 внесло значительный экономический эффект. Достигнута экономия электроэнергии свыше 30 процентов. Самое главное, такие преобразователи поддерживают неизменно стабильное давление в тепловых сетях.

∙ С осени 2003 года на участке сети между водопроводными станциями «Славянская» и «Гранитная» длиной в 7 км за полгода эксплуатации возникло (и было с соответствующими затратами устранено) 22 повреждения.

В апреле 2004 года на «Славянской» и «Гранитной» станциях были установлены частотные преобразователи мощностью по 55 кВт. И с тех пор по март 2005 года на тех же самых сетях произошло всего три аварии. Кроме этого, значительно снизились затраты, связанные с ремонтом насосного оборудования и электродвигателей.

∙ Результаты опытной эксплуатации частотно-регулируемых электроприводов на котле № 2 ДЕ-16/14 в котельной Авиагородок 9 «а»: Расход электроэнергии электродвигателем без частотно-регулируемого электропривода – 552 кВт/час за сутки. Расход электроэнергии электродвигателем с частотно-регулируемым электроприводом – 169 кВт/час за сутки.

∙ Потребление привода насоса горячего водоснабжения на ЦТП-503 МУП “Теплокоммунэнерго” г.Омска составило: 1) с преобразователем частоты 693.085 кВт*ч/нед; 2) без преобразователя частоты 1046.74 кВт*ч/нед.

Как правильно выбрать преобразователь частоты

1. Общие рекомендации

При выборе модели преобразователя частоты следует исходить из конкретной задачи, которую должен решать электропривод:

∙ типа и мощности подключаемого электродвигателя,

∙ точности и диапазона регулирования скорости,

∙ точности поддержания момента вращения на валу двигателя.

Так же, можно учитывать конструктивные особенности преобразователя, такие как:

∙ размеры,

∙ форма,

∙ возможность выноса пульта управления и др.

В самом простом случае мощность и тип преобразователя можно определить, зная параметры приводного электродвигателя.

Основные выходные характеристики преобразователя, как известно, определяют:

- мощность электрического двигателя,

- потребляемый электрический ток,

- коэффициент мощности двигателя,

- коэффициент полезного действия.

На первом шаге при самостоятельном выборе частотного преобразователя независимо от его типа и серии необходимо поступать следующим образом:

1. Определить номинальный выходной ток преобразователя, который необходимо выбирать равным номинальному току электродвигателя.

2. Определить полную выходную мощность преобразователя, ориентируясь на номинальную мощность электродвигателя.

Внимание! 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. 

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 должна выбираться больше или равной номинальной мощности электродвигателя. Данная ситуация не является исключительной, так как в настоящее 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.

Следует также отметить, что нередко встречаются случаи, когда щиток на электродвигателе либо оторван, либо некоторые параметры на нем не читаются. Естественно возникают трудности при определении параметров преобразователя для такого двигателя.

В этом случае можно использовать для вычисления неизвестных величин две простые формулы, которые связывают все основные параметры электродвигателя в номинальном режиме:

1. Уравнение номинальной мощности Pн = 10-3V3 Uн Iн ηн cos φ.

2. Уравнение номинального момента вращения Mн = ( 9565 Pн ) / nн , где мощность выражена в кВт, момент вращения в Нм, Uн – линейное напряжение.

Таким образом, при простом выборе частотного преобразователя известной Вам серии достаточно определить потребный выходной ток и проверить соответствие мощности выбранного преобразователя мощности электродвигателя.

Индивидуальные особенности ЧП будут зависеть от конкретного промышленного механизма.

Рассмотреть всё существующее множество общепромышленных механизмов, применяемых сегодня на фабриках, в заводских цехах, на электростанциях и других предприятиях и написать отдельную методику выбора ЧП для каждого из этого множества в одном методическом пособии невозможно.

Однако многие из этих механизмов имеют аналогичные виды движений рабочих органов, схожие характеры моментов и сил сопротивления, режимы работы и другие характеристики рабочих процессов. Приведем несколько примеров.

Для подъемно-транспортных работ во всех отраслях используются краны, тельферы, лебедки, лифты; перекачка жидкостей и газов, вентиляция, снабжение сжатым воздухом производятся с помощью насосов, вентиляторов, компрессоров; конвейеры, транспортеры, эскалаторы, нории – механизмы для транспортировки грузов и продукции…

Можно и далее приводить примеры однотипных механизмов, но вывод от этого не изменится – механизмы в зависимости от места использования будут отличаться лишь мощностью и индивидуальными особенностями технологического процесса. В этом случае необходимо выбирать преобразователь для электропривода, относящегося к группе типовых промышленных механизмов. Задача выбора упрощается тем, что каждая выпускаемая серия преобразователей частоты ориентирована на свою основную область применения.

Для управления асинхронными двигателями выбираем следующие типовые серии преобразователей различных мощностей:

∙ Насосные преобразователи. Основная область использования - разнообразные приводы промышленных механизмов с “вентиляторной нагрузкой”.

∙ Преобразователи общепромышленного применения. Они широко используется в производственных линиях, технологическом оборудовании, легко адаптируется к разным видам нагрузки.

 ∙ Преобразователи векторного типа. Рекомендуются для механизмов с динамично меняющимися характеристиками и тяжелыми условиями пуска.

Порядок выбора серии преобразователя и определение его характеристик для типовых групп механизмов:

Насосные преобразователи. Специализированная серия преобразователей разработана нами для управления механизмами, предназначенными для транспортировки жидкостей и газов. Эти механизмы подразделяются на три группы:

- насосы;

- вентиляторы;

- компрессоры.

Чаще всего реобразователи ориентированы на наиболее распространенную в настоящее время группу насосов, вентиляторов и компрессоров центробежного типа, которые имеют так называемую вентиляторную нагрузку.

Отличительными особенностями преобразователей этой серии, которые обусловлены типом нагрузки, являются:

- скалярное управление с фиксированным соотношением между напряжением питания и частотой питающего напряжения (U/f);

- отсутствие встроенных и дополнительных тормозных устройств;

- пониженная перегрузочная способность по моменту в пределах 15% - 20%.

Некоторое упрощение функций преобразователя позволило снизить стоимость, упростить обслуживание и предложить его для массового внедрения на многих объектах в различных отраслях.

При выборе ЧП для мощных вентиляторов, дымососов, компрессоров с большими инерционными массами необходимо обратить внимание на возможность ограничения пусковых токов. Ограничение пусковых токов требуется также для исключения гидроударов в трубопроводах. Ограничение пусковых токов требуется также для исключения гидроударов в трубопроводах.

Необходимо также, чтобы в  преобразователе для исключения ударных нагрузок на двигатель и механическую часть привода имелась функция плавного пуска. Благодаря ей Вы сможете выставить время разгона или торможения электродвигателя независимо друг от друга в довольно широких пределах.

Частотные преобразователи общепромышленного применения и специализированные серии преобразователей, работающих на вентиляторную нагрузку, со скалярным управлением достаточны для большинства практических применений. Однако для отдельной группы механизмов они не обеспечивают потребных динамических характеристик и точности поддержания скорости вращения.

Кроме того, для некоторых механизмов требуется непосредственное управление моментом двигателя и поддержание его на заданном уровне, особенно при скорости, близкой к нулевой. К этой группе механизмов относятся:

1. Подъемно-транспортное оборудование – лифты, краны, лебедки, подъемники… Механизмы характеризуются полным моментом при пуске и малых скоростях, требуют подъема и опускания груза без рывков, точного поддержание заданной скорости движения на установившихся режимах, мягкого останова.

2. Прокатные и полосовые станы, волочильные станки, устройства намотки/размотки… Механизмы отличаются значительным моментом нагрузки, динамичным и контролируемым изменением скорости при ускорении и замедлении, требуют точного управления натяжением рабочего материала.

3. Металлообрабатывающие станки. В процессе работы требуются большие моменты при ускорении и замедлении, точное позиционирование, высокие динамические характеристики.

4. Экструдеры, дозаторы, шнековые механизмы… Устройства отличают большие пусковые моменты, постоянная мощность на определенных скоростях, необходимость управления моментом при изменении скорости. Для эффективного и точного управления механизмами этой группы необходимо использовать частотные преобразователи векторного типа. Они обеспечивают высокие динамические и статические характеристики привода на переходных и установившихся режимах.

При подготовке этого выпуска рассылки использовались материалы сайта http://forstenergy.com/

На этом я хотел было уже закончить этот выпуск, но тут пришло одно небезинтересное письмо. Поэтому займу еще немного Вашего времени и все таки его опубликую. Итак...

Уважаемый Андрей!

Я не подвергаю сомнению тот факт, что в тех случаях, когда есть возможность менять скорость вращения двигателя, альтернативы частотным преобразователям нет. Однако существует масса приложений, в которых при значительном перепаде нагрузки изменять скорость вращения двигателя нет необходимости или возможности. Типичным примером являются конвейеры или эскалаторы.

Логика работы частотного преобразователя в этом случае привела бы к тому, что подвижная часть механизма двигалась бы тем быстрее, чем больше этот механизм загружен. Абсурд, согласитесь.

Что может дать преобразователь частоты в этих случаях? Обеспечить плавный пуск оборудования. Некоторые предприятия идут на это, поскольку обычные плавные пускатели не всегда способны обеспечить пуск оборудования, характеризующегося тяжелыми пусковыми режимами.

Есть даже такой, не совсем порядочный, на мой взгляд, ход. Предприятие заказывает для решения проблемы плавного пуска софтстартер, но несмотря на то, что поставщик знает, что в данном конкретном случае его УПП не сможет "раскрутить" двигатель, тем не менее, осуществляет поставку.

Когда выясняется, что УПП не выполняет необходимых функций, представитель поставщика приезжает и объясняет, что в случае данного конкретного оборудования пуск очень тяжелый, поэтому единственным выходом из сложившейся ситуации будет произвести доплату за преобразователь частоты, который и решит проблему, а УПП в этом случае поставщик, так и быть, согласится принять обратно.

Таким образом, заказчик приобретает раза в 4-5 более дорогостоящее обор удование, которое решает всего две задачи - обеспечивает плавный пуск и защиту двигателя.

Предлагаемый нами же "ЭнерджиСейвер" обеспечивает плавный пуск оборудования, в том числе характеризующегося тяжелыми пусковыми режимами, а так же обеспечивает защиту двигателя. НО! Помимо этого есть еще ряд задач, которые он решает. Оптимизируя в зависимости от нагрузки подаваемое в каждый конкретный момент на двигатель питание, он обеспечивает следующее:

.. снижение потребления активной мощности;

.. возможность снизить значение заявленной мощности при двуставочном тарифе;

.. возможность отказаться от использования дорогостоящих конденсаторных компенсирующих устройств реактивной мощности;

.. возможность использовать проводники меньшего сечения;

.. возможность подключения к питающей сети большего количества оборудования;

.. улучшение экологичности производства: снижение шума, нагрева, вибрации.

И все это при том, Андрей, что цена на "ЭнерджиСейвер" практически не отличается от цены на обычные устройства плавного пуска, не обеспечивающие решение никаких задач, кроме непосредственно плавного пуска, и даже существенно ниже цен на импортные образцы.

С уважением, Юшкин Алексей Юрьевич Генеральный директор ООО "Эффективные Системы" web: http://www.softstarter.ru

Интересно, чем рекламируемый автором письма "ЭнерджиСейвер" отличается от известных устройств плавного пуска (или софт-стартеров)? Вполне возможно, что здесь играют роль просто неточности в еще не устоявшейся терминологии. Надо будет как нибудь на досуге обязательно разобраться.

Кстати, есть у меня в запасе один материал, в котором интереснейшим образом освящаются вопросы современной путаницы с различными терминами в современной электротехнике. Там, кстати, очень четко описаны причины этого явления. Обязательно опубликую эту статью в следующем номере рассылки. Так что не пропустите!