Что такое частотное регулирование двигателя

Частотное регулирование. Законы и принципы

Система частотного регулирования состоит из основного и вспомогательного оборудования преобразовательного звена технических и программных средств, которые служат для выполнения действий по частотному регулированию в технологической инженерной системе или ее отдельных частях.

В состав системы входят:

1. Устройства верхнего уровня АСУ ТП, роль которых выполняют промышленные и панельные компьютеры, а также устройства связи обслуживающего персонала с программно-техническим комплексом СЧР.
2. Устройства нижнего уровня: контроллеры, интеллектуальные реле, устройства связи с управляемым объектом, датчики параметров и т. д.
3. Устройства и линии связи предназначенные для передачи информации между элементами СЧР.
4. Дополнительное оборудование: шкафы для размещения элементов (ПТК) программно- техническим комплексом, кроссовые шкафы, устройства связи с подсистемами автоматического управления.
5. Устройства, обеспечивающие электропитание ПТК СЧР.
6. Программное обеспечение АСУ ТП

Кроме преобразователей частоты, являющихся основным оборудованием для частотного регулирования, в число оборудования можно включить:

1. Силовые трансформаторы, предназначенные для согласования параметров напряжения источника питания, преобразователя и электродвигателя.
2. Фильтры, установленные на входе и выходе преобразователя частоты.
3. Силовые высоковольтные и коммутационные и защитные аппараты силовых цепей СЧР, высокого и низкого напряжения.

Содержание

• 1 Принципы построения частотного преобразователя
  • 1.1 С непосредственной связью
  • 1.2 С явно выраженным промежуточным звеном постоянного тока
• 2 Применение ЧРП
  • 2.1 Преимущества применения ЧРП
  • 2.2 Недостатки применения ЧРП
  • 2.3 Применение преобразователей частоты на насосных станциях
  • 2.4 Система позиционирования с помощью ЧРП
• 3 Потери энергии при торможении двигателя
• 4 Литература

Что такое частотно-регулируемый привод?

Частотно-регулируемый привод (частотно-управляемый привод, ЧУП, Variable requency Drive, VFD) — система управления частотой вращения ротора асинхронного (синхронного) электродвигателя. Состоит из собственно электродвигателя и частотного преобразователя.

Преобразователь частоты (частотный преобразователь) — это устройство состоящее из выпрямителя (моста постоянного тока), преобразующего переменный ток промышленной частоты в постоянный и инвертора (преобразователя) (иногда с ШИМ), преобразующего постоянный ток в переменный требуемых частоты и амплитуды. Выходные тиристоры (GTO) или IGBT обеспечивают необходимый ток для питания электродвигателя. Для исключения перегрузки преобразователя при большой длине фидера между преобразователем и фидером ставят дроссели, а для уменьшения электромагнитных помех — EMC-фильтр. При скалярном управлении формируются гармонические токи фаз двигателя. Векторное управление — метод управления синхронными и асинхронными двигателями, не только формирующим гармонические токи (напряжения) фаз, но и обеспечивающим управление магнитным потоком ротора (моментом на валу двигателя).

Применение частотного привода

Преобразователи частоты применяются в:

• судовом электроприводе большой мощности
• прокатных станах (синхронная работа клетей)
• высокооборотном приводе вакуумных турбомолекулярных насосов (до 100.000 об/мин.)
• конвейерных системах
• резательных автоматах
• станках с ЧПУ — синхронизация движения сразу нескольких осей (до 32 — например в полиграфическом или упаковывающем оборудовании) (сервоприводы)
• автоматически открывающихся дверях
• мешалках, насосах, вентиляторах, компрессорах
• бытовых кондиционерах
• стиральных машинах
• городском электротранспорте, особенно в троллейбусах.

Наибольший экономический эффект даёт применение ЧРП в системах вентиляции, кондиционирования и водоснабжения, где применение ЧРП стало фактически стандартом.

Преимущества применения ЧРП

• Высокая точность регулирования
• Экономия электроэнергии в случае переменной нагрузки (то есть работы эл. двигателя с неполной нагрузкой).
• Равный максимальному пусковой момент.
• Возможность удалённой диагностики привода по промышленной сети
• распознавание выпадения фазы для входной и выходной цепей
• учёт моточасов
• старение конденсаторов главной цепи
• неисправность вентилятора
• Повышенный ресурс оборудования
• Уменьшение гидравлического сопротивления трубопровода из-за отсутствия регулирующего клапана
• Плавный пуск двигателя, что значительно уменьшает его износ
• ЧРП как правило содержит в себе ПИД-регулятор и может подключатся напрямую к датчику регулируемой величины (например, давления).
• Управляемое торможение и автоматический перезапуск при пропадании сетевого напряжения
• Подхват вращающегося электродвигателя
• Стабилизация скорости вращения при изменении нагрузки
• Значительное снижение акустического шума электродвигателя, (при использовании функции «Мягкая ШИМ»)
• Дополнительная экономия электроэнергии от оптимизации возбуждения эл. двигателя
• Позволяют заменить собой автоматический выключатель

Недостатки применения частотного привода

• Большинство моделей ЧРП являются источником помех (требуется установка Фильтров высокочастотных помех)
• Сравнительно высокая стоимость для ЧРП большой мощности (окупаемость минимум 1-2 года)

Применение частотных преобразователей на насосных станциях

Классический метод управления подачей насосных установок предполагает дросселирование напорных линий и регулирование количества работающих агрегатов по какому-либо техническому параметру (например, давлению в трубопроводе). Насосные агрегаты в этом случае выбираются исходя из неких расчётных характеристик (как правило, с запасом по производительности) и постоянно функционируют с постоянной частотой вращения, без учета изменяющихся расходов, вызванных переменным водопотреблением. При минимальном расходе насосы продолжают работу с постоянной частотой вращения, создавая избыточное давление в сети (причина аварий), при этом бесполезно расходуется значительное количество электроэнергии. Так, к примеру, происходит в ночное время суток, когда потребление воды резко падает. Основной эффект достигается не за счет экономии электроэнергии, а благодаря существенному уменьшению расходов на ремонт водопроводных сетей.

Появление регулируемого электропривода позволило поддерживать постоянное давление непосредственно у потребителя. Широкое применение в мировой практике получил частотно регулируемый электропривод с асинхронным электродвигателем общепромышленного назначения. В результате адаптации общепромышленных асинхронных двигателей к их условиям эксплуатации в управляемых электроприводах создаются специальные регулируемые асинхронные двигатели с более высокими энергетическими и массогабаритностоимостными показателями по сравнению с неадаптированными. Частотное регулирование скорости вращения вала асинхронного двигателя осуществляется с помощью электронного устройства, которое принято называть частотным преобразователем. Вышеуказанный эффект достигается путём изменения частоты и амплитуды трёхфазного напряжения, поступающего на электродвигатель. Таким образом, меняя параметры питающего напряжения (частотное управление), можно делать скорость вращения двигателя как ниже, так и выше номинальной. Во второй зоне (частота выше номинальной) максимальный момент на валу обратно пропорционален скорости вращения.

Метод преобразования частоты основывается на следующем принципе. Как правило, частота промышленной сети составляет 50 Гц. Для примера возьмём насос с двухполюсным электродвигателем. С учетом скольжения скорость вращения двигателя составляет около 2800 (зависит от мощности) оборотов в минуту и даёт на выходе насосного агрегата номинальный напор и производительность (так как это его номинальные параметры, согласно паспорту). Если с помощью частотного преобразователя понизить частоту и амплитуду подаваемого на него переменного напряжения, то соответственно понизятся скорость вращения двигателя, и, следовательно, изменится производительность насосного агрегата. Информация о давлении в сети поступает в блок частотного преобразователя от специального датчика давления, установленного у потребителя, на основании этих данных преобразователь соответствующим образом меняет частоту, подаваемую на двигатель.

Современный преобразователь частоты имеет компактное исполнение, пыле и влагозащищённый корпус, удобный интерфейс, что позволяет применять его в самых сложных условиях и проблемных средах. Диапазон мощности весьма широк и составляет от 0,18 до 630 кВт и более при стандартном питании 220/380 В и 50-60 Гц. Практика показывает, что применение частотных преобразователей на насосных станциях позволяет:

• экономить электроэнергию (при существенных изменениях расхода), регулируя мощность электропривода в зависимости от реального водопотребления (эффект экономии 20-50 %);
• снизить расход воды, за счёт сокращения утечек при превышении давления в магистрали, когда расход водопотребления в действительности мал (в среднем на 5 %);
• уменьшить расходы (основной экономический эффект) на аварийные ремонты оборудования (всей инфраструктуры подачи воды за счет резкого уменьшения числа аварийных ситуаций, вызванных в частности гидравлическим ударом, который нередко случается в случае использования нерегулируемого электропривода (доказано, что ресурс службы оборудования повышается минимум в 1,5 раза);
• достичь определённой экономии тепла в системах горячего водоснабжения за счёт снижения потерь воды, несущей тепло;
• увеличить напор выше обычного в случае необходимости;
• комплексно автоматизировать систему водоснабжения, тем самым снижая фонд заработной платы обслуживающего и дежурного персонала, и исключить влияние «человеческого фактора» на работу системы, что тоже немаловажно.

По имеющимся данным срок окупаемости проекта по внедрению преобразователей частоты составляет от 3 месяцев до 2 лет.

Потери мощности при торможении электродвигателя

Во многих установках на регулируемый электропривод возлагаются задачи не только плавного регулирования момента и скорости вращения электродвигателя, но и задачи замедления и торможения элементов установки. Классическим решением такой задачи является система привода с асинхронным двигателем с преобразователем частоты, оснащённым тормозным переключателем с тормозным резистором.

При этом в режиме замедления/торможения электродвигатель работает как генератор, преобразуя механическую энергию в электрическую, которая в итоге рассеивается на тормозном резисторе. Типичными установками, в которых циклы разгона чередуются с циклами замедления являются тяговый привод электротранспорта, подъёмники, лифты, центрифуги, намоточные машины и т. п. Функция электрического торможения вначале появилась на приводе постоянного тока (например, троллейбус). В конце ХХ века появились преобразователи частоты со встроенным рекуператором, которые позволяют возвращать энергию, полученную от двигателя, работающего в режиме торможения, обратно в сеть. В этом случае, установка начинает «приносить деньги» фактически сразу после ввода в эксплуатацию.

Принцип работы частотного преобразователя

Остались вопросы?
Специалисты ЭНЕРГОПУСК ответят на Ваши вопросы:
8-800-700-11-54 (8-18, Пн-Вт)

Схема подключения

В реальности же, чтобы получить из частотного преобразователя 380В выход 3 фазы, нужно подключить на вход 3 фазы 380В:

Подключение частотника к одной фазе аналогично, за исключением подключения питающих проводов:

Однофазный преобразователь частоты для двигателя с конденсатором (насоса или вентилятора малой мощности) подключается по такой схеме:

Как вы могли видеть на схемах, кроме питающих проводов и проводов к двигателю у частотника есть и другие клеммы, к ним подключаются датчики, кнопки выносного пульта управления, шины для подключения к компьютеру (чаще стандарта RS-485) и прочее. Это даёт возможность управления двигателем по тонким сигнальным проводам, что позволяет убрать частотный преобразователь в электрощит.

Частотники – это универсальные устройства, назначение которых не только регулировка оборотов, но и защита электродвигателя от неправильных режимов работы и электропитания, а также от перегрузки. Кроме основной функции в устройствах реализуется плавный пуск приводов, что снижает износ оборудования и нагрузки на электросеть. Принцип работы и глубина настройки параметров большинства частотных преобразователей позволяет экономить электроэнергию при управлении насосами (ранее управление осуществлялось не за счет производительности насоса, а с помощью задвижек) и другим оборудованием.

На этом мы и заканчиваем рассмотрение вопроса. Надеемся, после прочтения статья вам стало понятно, что такое частотный преобразователь и для чего он нужен. Напоследок рекомендуем просмотреть полезно видео по теме:

Наверняка вы не знаете:

Основные функции преобразователя частоты

Управление расходом является одним из наиболее распространенных применений ЧРП. Реальные условия часто требуют пониженной скорости потока жидкости, поэтому возможность изменять скорость работы насоса для управления расходом имеет первостепенное значение. Для уменьшения потока в подавляющем большинстве случаев используются задвижки и клапаны, но эта стратегия не способствует энергосбережению. И наоборот, ЧРП может контролировать скорость потока, одновременно оптимизируя потребление электроэнергии.

Может возникнуть ситуация, когда оператору необходимо в определенное время дня запускать двигатель с максимальной производительностью, а в другое время работать на неполной нагрузке. Это и есть реальная причина популярности ЧРП, так как при работе на сниженных оборотах можно экономить электроэнергию и уменьшать эксплуатационные расходы. Если оператору необходимо просто запустить асинхронный двигатель с постоянной скоростью, которая меньше номинальной скорости двигателя, можно использовать редуктор. Однако, если исполнительный механизм представляет собой нагрузку с переменным крутящим моментом, то лучший вариант – это частотный преобразователь.

Например, представьте, что для запуска вентилятора на градирне используется асинхронный электродвигатель. Чем быстрее нужно вращаться вентилятору, тем он больше будет потреблять энергии. Из-за изменения условий внешней среды в течение дня температура окружающего воздуха может снизиться. Из-за этого, возможно, вентилятору достаточно работать на скорости, которая меньше, чем требовалось в жаркую часть дня. Вращаясь на полной скорости вентилятор тратит дорогостоящую энергию впустую в то время, как мог бы вращаться медленнее.

Повышение несущей частоты — меньше шума

При повышении несущей частоты ШИМ которой задается частота на двигатель снижается количество высших гармоник и уменьшается амплитуда бросков тока при питании двигателя. Уменьшение высших гармоник тока снижает паразитное намагничивание статора, которое является источником слышимого шума, насыщения железа и потерь в обмотках, вызывающих снижения КПД двигателя являющегося причиной его нагрева.

Снижение шума двигателя за счет повышения частоты

Например, при несущей частоте ШИМ более 8 кГц происходит существенное снижение шума от электродвигателя, что позволяет применять их при автоматизации офисных и жилых зданий, медицинских и научных учреждений.

Опыт применения

Рис. 3. Перекачивающая насосная станция «Фортум»

Перекачивающая насосная станция компании «Фортум»

В рамках реализации инвестиционного проекта по созданию кольцевой схемы теплоснабжения Челябинска Уральской теплосетевой компанией (УТСК) была произведена реконструкция перекачивающей насосной станции (ПНС) № 4 (рис. 3). Данное решение было принято в связи с тем, что используемое оборудование устарело и не соответствовало современным требованиям безопасности и энергосбережения.

В результате реконструкции станция была оснащена насосами производительностью 1500 м 3 /ч каждый, ПЧ Danfoss серии VLT Aqua Drive мощностью 355 кВт каждый, а также современными трансформаторами. Объект полностью автоматизирован и управляется с диспетчерского пункта Челябинских тепловых сетей. В итоге, по свидетельствам специалистов УТСК, электропотребление насосной станции сократилось на 30%.

Кроме того, внедрение ПЧ на ПНС № 4 позволило:

• быстро реагировать на изменения давления в тепловой сети, в том числе при разрывах трубопроводов;
• предотвратить токовые перегрузки двигателей и коммутационного электротехнического оборудования при пусках-остановах насос­ных агрегатов и обеспечить все виды защит электродвигателей в эксплуатационных режимах;
• значительно снизить кавитационный износ рабочих органов насосов и предотвратить гидравлические удары в трубопроводной сети при пусках-остановах насосных агрегатов;
• снизить уровень аварийности, сократить время простоев и затраты на ремонт гидромеханического и электротехнического оборудования;
• значительно снизить потребление электроэнергии, воды и теплоносителя.

Дома Якутска

Рис. 4. Преобразователь частоты Danfoss VLT Micro Drive

В рамках проекта реконструкции центрального теплового пункта (ЦТП) 43-го квартала Якутска был предусмотрен монтаж насосной станции, состоящей из трех агрегатов. Установку планировали оснастить частотно-регулируемым приводом с целью управления насосами в автоматическом режиме без постоянного присутствия обслуживающего персонала.

Службой эксплуатации ОАО «Нерюнгриэнергоремонт» предполагалось приобретение готовой насосной станции. Но специалисты обратили внимание, что в комплектных установках реализованы функции, которые не будут использоваться в процессе эксплуатации. Было принято решение рассмотреть вариант поставки насосной станции отечественного производства на основе импортных компонентов. Сотрудники проектной группы ОАО «Нерюнгриэнергоремонт» обратились с запросом к специалистам компании «ТЭТ-РС» и предложили сотрудничество по вопросу поставки насосной станции на базе преобразователей частоты. Общими силами специалисты двух компаний разработали проект насосной станции для управления тремя насосами на базе ПЧ Danfoss VLT Micro Drive FC-51 (рис. 4) мощностью 18,5 кВт. Стоит отметить, что данная серия ПЧ имеет по умолчанию встроенные фильтры электромагнитной совместимости (ЭМС), что значительно упростило решение проблемы ЭМС-оборудования.

Как пояснили специалисты эксплуатирующей организации, помимо автоматизации работы насосной станции была достигнута значительная экономия электроэнергии, а также снижен износ двигателей и увеличен срок их службы.

Очевидно, что России необходима реформа отрасли теплоснабжения. При этом, чтобы привести отрасль в соответствие с современными стандартами энергоэффективности, необходимо пересмотреть подход к организации отпуска тепла абонентам. Осуществить это позволяет использование современного оборудования, в частности, преобразователей частоты.