преобразователь частоты энергоэффективность

Электрический привод (электропривод) — это управляемая электромеханическая система, которая превращает электрическую энергию в механическую (и обратно).

Важно: в этой статье мы рассматриваем электропривод с питанием до 1кВ.

Система электропривода представляет собой комплекс электрических машин, электрических аппаратов, преобразователей, усилителей и информационного устройства. Механические элементы электропривода  необходимы для передачи движения от двигателя к исполнительному механизму (рабочему органу машины) и управления им.

Электроприводы достаточно сильно различаются по вариантам исполнения, техническим характеристикам, способу управления, вариантам пуска, скорости вращения и т.

Электропривод присутствует практически на каждом производственном предприятии, встречается он и в быту.

Введение в экономику электропривода

Мы знаем, что электрический двигатель (чаще всего асинхронный с короткозамкнутым ротором) является основным средством приведения в движение рабочих машин и механизмов. Большая часть механической энергии,  используемая промышленностью и в сельском хозяйстве, производится с помощью электромеханических устройств, питание которых осуществляется от источника электрической энергии.

Так, мощность крупных прокатных станов, компрессоров и т. доходит до нескольких тысяч кВт. Мощность электроприводов в приборостроении и установках автоматики составляет несколько Вт, мощность бытовых приборов – 0,25 кВт ÷ 100 кВт.

Как говорилось выше, основная масса таких механизмов оснащена асинхронным электродвигателем с короткозамкнутым ротором, это достаточно простой и надежный мотор, но имеет помимо неоспоримых преимуществ два серьёзных недостатка: отсутствие простого решения по управлению скоростью вращения и, как следствие, производительности рабочего органа машины.

Современное производство требует диапазон скоростей: от десятых долей оборотов в минуту до 1000 оборотов и более в минуту, высокую энергоэффективность и КПД машин и механизмов.

Использование автоматизированного регулирования электроприводов позволяет оптимизировать технологические процессы с целью сокращения их энергоемкости.

От эксперта

Забегая вперёд, скажу, что не всегда нужно следовать общей тенденции внедрения частотно регулируемого привода (ЧРП), но там, где это в действительности необходимо, можно получить весомую экономию потребления электрической энергии вкупе с качественным управлением рабочего органа машины и продлением срока службы компонентов системы электропривода. Экономический эффект может достигать более 50% от первоначальных затрат без применения ЧРП.

Основные сферы использования электропривода с ЧРП

• Гидравлика (насосы для перекачки, нагнетания, подачи различных жидкостей).
• Мощность, потребляемая насосами, пропорциональна кубу скорости вращения.

Использование  преобразователя частоты позволяет экономить до 30% электроэнергии (в некоторых случаях и более), если сравнивать с регулированием  мощности, используя заслонки на трубе. Несложно подсчитать, что при такой экономии установка преобразователя частоты окупится приблизительно за 1 год.

При применении решения с ПЧ минимизируется один из главных рисков — вероятность гидравлического удара, так как запуск  и остановка насосного оборудования  будут плавными. Ведущие мировые производители постоянно совершенствуют  свое оборудование, в настоящий момент  в частотных преобразователях используется система управления, которая позволяет управлять сразу группой насосов, без использования внешнего контроллера, а значит систему насосной станции можно строить вокруг ПЧ.

Вышеуказанные факты про насосы аналогичны и для вентиляторов, но возможностей для экономии электроэнергии здесь больше. Прямой пуск либо пуск по схеме “звезда/треугольник” для тяжелых вентиляторов обычно требует применения двигателей с повышенной мощностью. Если проектируется новая установка, можно сэкономить, в том числе на применении ПЧ и электромашины меньшей мощности, если же модернизировать существующую установку, то с применением ПЧ можно снизить потери холостого хода.

В данном случае управление скоростью, как правило, завязано на технологический процесс, скорость перемещения не является постоянной. Используя плавный пуск и регулирование скорости, мы существенно можем увеличить ресурс механизмов, практически сводя к нулю ударные нагрузки, кроме этого обеспечиваем точность перемещения объектов по технологическому процессу.

Преобразовательное устройство – это прибор, исполненный на полупроводниках (тиристоры, силовые транзисторы, диоды и т. Преобразователь необходим для управляемого и целенаправленного изменения параметров электропривода (скорость, момент, ускорение и т. В нерегулируемом электроприводе  преобразователя нет, за исключением случая, когда электромашина запитывается постоянным током от сети переменного. К электрическим преобразовательным устройствам относятся управляемые выпрямители, преобразователи частоты, машины.

К электромоторам (электромашинам) относятся различные типы электродвигателей. Чаще всего встречаются асинхронные, но видов намного больше:

• Двигатели постоянного тока (последовательное, смешанное, независимое возбуждение).
• Синхронные двигатели.
• Асинхронные двигатели.
• Линейные двигатели.
• Шаговые двигатели.
• Коллекторные двигатели  и многие другие.

Передающее устройство – это механическая часть электропривода. Вариантов решений для передачи энергии достаточно много: это могут быть ременные, цепные передачи, муфты, редукторы и т. Также есть и безредукторные варианты решения для электропривода, они применяются для машин, работающих в динамическом режиме и высокоточных механизмов, но за это приходится расплачиваться увеличенными габаритами и массой приводного электродвигателя, так как данные параметры для одной и той же мощности будут обратно пропорциональны номинальной скорости электродвигателя.

Управляющее устройство (система управления)  – это часть  электропривода, представляющая собой совокупность жизненно важных для электропривода элементов: управление информационными устройствами, аппаратов защиты, устройств сопряжения. Вариативность решений достаточно велика. Отметим также, что система управления может быть как локальной, так и внешней, она обеспечивает статические и динамические свойства электропривода.

Информационное устройство собирает, обрабатывает и передает информацию о параметрах работы объекта управления. В нем есть различные типы датчиков: скорость, температура,  давление, микроконтроллеры и т. Одной из главных функций информационно-управляющей структуры является реализация технологического процесса с минимальными затратами электрической энергии.

Устройства плавного Пуска (УПП)

УПП, софтстартер —  это наиболее часто встречающееся название достаточно недорогого решения для электропривода, где нет необходимости управлять частотой вращения двигателя в технологическом процессе.

Применение данных устройств приносит существенную выгоду, облегчая управление технологическими процессами, а также увеличивая срок службы технологического оборудования.

При применении УПП пуск осуществляется плавным ускорением, без рывков. Например, при использовании в гидравлике УПП избавляет от гидроудара.

Современные устройства плавного пуска позволяют управлять запуском нескольких электродвигателей (до 5).

УПП разделяются на три типа: с одной, двумя и со всеми управляемыми фазами.

• Первый тип применяется для однофазного двигателя и обеспечивает надежную защиту от перегрузки, перегрева и снижения влияния электромагнитных помех.
• Второй тип в схеме, как правило, помимо полупроводниковой платы управления включает в себя байпасный контактор. После того как двигатель раскрутится до номинальной скорости, байпасный контактор срабатывает и обеспечивает прямую подачу напряжения на электродвигатель.
• Трехфазный тип является самым оптимальным и технически совершенным решением. Он обеспечивает ограничение тока и силы магнитного поля без перекосов по фазам.

Преобразователь частоты (ПЧ)

В случае, когда технологический процесс требует не только плавного пуска/остановки, но и управления скоростью вращения, необходимо применять преобразователь частоты.

Преобразователь частоты с широтно–импульсным управлением (ПЧ с ШИМ) снижает пусковые токи в 4-5 раз. Он обеспечивает плавный пуск асинхронного двигателя и осуществляет управление приводом по заданной формуле соотношения напряжение/частота.

ПЧ дает экономию по потреблению энергии до 50%. Появляется возможность включения обратных связей между смежными приводами, т. самонастройки оборудования под поставленную задачу и изменение условий работы всей системы.

Частотные преобразователи устанавливают как на однофазные конденсаторные двигатели мощностью менее 1 кВт, так и на синхронные электромашины мощностью в десятки МВт.

ПЧ позволяет снизить пусковые токи и регулировать потребляемую мощность двигателя в зависимости от фактической нагрузки. Во многих ПЧ реализована возможность подключения удаленных устройств телеметрии и телемеханики, они могут встраиваться в многоуровневые системы автоматизации.

ПЧ комплектуют защитой от перегрузок, коротких замыканий, пропадания фаз. Преобразователи также обеспечивают перезапуск при возобновлении подачи электроэнергии. В преобразователе частоты возможна бесступенчатая точная регулировка частоты вращения без потерь мощности, что невозможно при использовании редукторов и УПП.

Скалярное и векторное управление

По принципу управления различают 2 основных вида преобразователей частоты:

Преобразователи этого типа выдают на выходе напряжение определенной частоты и амплитуды для поддержания определенного магнитного потока в обмотках статора. Частотники с таким принципом регулирования отличаются относительно низкой стоимостью и простотой конструкции. Нижний предел регулировки скорости составляет около 10 % от номинальной частоты вращения. Их можно использовать для управления сразу несколькими двигателями. Скалярное управление наиболее распространено и максимально удовлетворяет требованиям таких механизмов, как насосы, вентиляторы, компрессоры, а также механизмов, для которых важно поддерживать скорость вращения или какой-либо технологический параметр. Метод довольно прост, но имеет небольшой диапазон регулирования скорости и требует установки дополнительных датчиков для реализации управления по скорости и моменту.

Микропроцессорные устройства преобразователей с векторным управлением автоматически вычисляют взаимодействие магнитных полей статора и ротора. ПЧ такого типа обеспечивают постоянную частоту вращения ротора вне зависимости от нагрузки. Они используются для оборудования, где необходимо поддерживать нужный момент силы при низких скоростях, высокое быстродействие и точность регулирования.

Применение векторных преобразователей частоты позволяет регулировать частоту вращения, задавать требуемый момент на валу.

Управление  разделено на две большие подгруппы: управление по вектору тока (довольно простой метод, присущий абсолютному большинству преобразователей) и управление по вектору напряжения.

Касательно второго метода: как известно, напряжение пропорционально моменту, что позволяет без дополнительных пересчетов получить управление последней характеристикой. Все остальные методы, по большому счету, являются их дополнением, каждый производитель совершенствует по своему усмотрению расчеты и измерения таких показателей, как индуктивность, намагниченность, вектор электромагнитного поля и т.

Электропривод  является компонентной системой и включает в себя различные части и опции, одна из них — это механическая часть, которая служит для преобразования электрической энергии в механическую и обратно. Это система движущихся масс, на которую воздействуют различные моменты и силы, созданные в электромеханическом преобразователе (двигателе) и обусловленные технологическим процессом.

Первый элемент механической системы- это  ротор электромашины (двигателя), потому что он первое передаточное звено крутящего м омента на рабочий орган машины. Следующий элемент системы — механический преобразователь, в зависимости от типа и задач выполняет механическую работу по увеличению/уменьшению скорости и изменяет вид движения, например, вращение в поступательное движение. Как уже говорилось выше, механическая часть (механические преобразователи) — это различные редукторы, винтовые, зубчатые, зубчато-реечные, ременные передачи, кривошипно-шатунные механизмы, барабаны с тросом и многое другое. Главная характеристика механического преобразователя — коэффициент передачи, который отражает  отношение скорости на входе к скорости на выходе. Также преобразователи характеризуются механической инерционностью и упругостью его элементов, зазорами и трением в зацеплениях и сочленениях преобразователя.

Производители приводной техники

Как и в любой сфере, на рынке электропривода есть свои лидеры:

• Schneider Electric — линейки Altivar  и Altistart.
• ABB — линейки АС* 3**,4**,5**,8**.
• Siemens — линейки Sinamics и Micromaster.
• Danfoss -включая Vacon и VLT.

К менее известным, но не менее достойным производителям можно отнести:

• Lenze.
• Control Techniques.
• Toshiba.
• LSis.
• Mitsubishi.

Есть и российские производители:

• Веспер.
• Триол.
• ОВЕН.

Это далеко не полный список производителей преобразовательной техники.

Поскольку большинство компаний уже давно являются транснациональными, производство приводной техники раскидано по всему миру. Заводы АВВ, например, расположены в Финляндии, Китае, Польше, Индии. Заводы VLT (Danfoss) производятся в Московской области.

Ни для кого не секрет, что усиливают свои позиции и китайские производители: CHINT, Delta, ESQ.

Выбор есть всегда под любые цели, задачи и бюджет.

Компетенции НПК «Катарсис»

НПК «Катарсис» не первый год решает различные задачи заказчиков, в том числе и в области электропривода.

• Разработку и изготовление шкафов управления с различным типом пуска электродвигателя.
• Подбор и поставку частотных преобразователей (включая опции), устройств плавного пуска по техническому заданию заказчика.
• Подбор и поставку аналогов устаревшего приводного оборудования разных производителей. Мы специализируемся на оборудовании ведущих производителей Schneider Electric и АВВ.
• Подбор и поставку электродвигателей АВВ.
• Поставку редукторов и механических узлов АВВ.
• Пуско-наладочные работы.

Основные правила выбора частотного преобразователя

Любой производитель, вкладывая ресурсы и инвестиции, хочет продавать как можно больше своих изделий. Исходя из возможностей видения рынка, сегмента, в котором он работает, выбирается продукт и опции к нему, за которые, по мнению, производителя заказчик/пользователь готовы заплатить. Дополнительный функционал, узкая специализация, ЗИП добавляются как опции при заказе оборудования. Например, у некоторых производителей документация на русском языке является опцией и стоит далеко не дешево — 200/400 евро.

В выборе техники и цены изделия всегда есть компромисс: чем больше функционал в базовой версии, тем дешевле он стоит, но тем дороже весь прибор. И наоборот, чем больше функционал является “навесным”, т. опциональным, тем дешевле базовая версия, но тем дороже расширение функционала, плюс опции так или иначе снижают надежность готового изделия, так как появляются различные разъемы, провода, усложняется система охлаждения и т.

Кроме того, количество одновременно подключаемых опций также ограничено. Поэтому стоит выбирать оборудование, имеющее в базовой версии максимум необходимых для технологического цикла функций, а одну-две опции можно заказать дополнительно.

При выборе УПП или ПЧ важно ответить минимум на 3 вопроса:

• Каким механизмом предстоит управлять?
• Токи — номинальное или пиковое значение?
• Необходимость ЭМС (электромагнитная совместимость).

Что касается именно технической стороны вопроса, остальные вводные: цена, надежность, сервис и срок поставки — можно будет вводить после выбора нескольких вариантов по техническим характеристикам.

Совет

Сначала откидываем те линейки оборудования, которые явно не соответствуют поставленной  задаче.

Пример

Нет модели с необходимой мощностью, нет соответствующего IP, блоки открытого исполнения (встраиваемые). Для этого необходимо определить, какой способ управления нам необходим (отталкиваемся от типа механизма) скалярное, векторное или прямое.

Большинство современных частотников реализуют тот или иной вариант векторного управления двигателем (раздельное управление векторными переменными двигателя – подробнее см. соответствующую литературу), но, если необходимо, эти частотники имеют возможность работать и в более простом — скалярном режиме (поддержание постоянного отношения выходного напряжения к выходной частоте).

Этот режим вполне достаточен для несложных приводов – насосов, вентиляторов, конвейеров, транспортеров и т. Преимущество векторного управления — это возможность управлять более мощными машинами при использовании тех же силовых элементов. Нужно отметить, что на рынке уже минимум моделей, не имеющих векторного управления, поэтому не стоит  сильно расстраиваться, что в частотнике есть векторное управление, его можно будет просто отключить.

Диапазон мощностей.

Если требуемое количество преобразователей определено, желательно облегчить жизнь службе эксплуатации. Сделать это довольно просто, мощностной ряд должен покрывать все необходимые в технологической цепочке мощности, кроме этого вы получите полную унификацию, проще будет выбирать  опции и заказывать запасные части.

Если у Вас  пока нет понимания, какие мощности потребуются при переходе на регулируемый привод , то выбирайте модельный ряд с наибольшим диапазоном по мощности – соображения те же.

Входное напряжение.

Этот параметр определяет, при каком напряжении в сети преобразователь частоты сохраняет работоспособность.

Узнайте, какое напряжение может быть в питающей сети (именно какое может быть, а не какое должно быть), и постарайтесь, чтобы преобразователь его пережил. Причем если пониженное напряжение приведет просто к остановке (а у хороших моделей – только к пропорциональному снижению скорости), то увеличение напряжения выше допустимого может привести к выходу прибора из строя.

Диапазон регулирования частоты.

Верхний предел важен при использовании двигателей с высокими номинальными частотами 200 -1000 Гц. Обычно это механизмы с очень большими скоростями: шлифовальные машины, центрифуги и т. Убедитесь, что преобразователь может дать ту частоту, на которую рассчитан двигатель и механизм. Нижний предел определяет диапазон регулирования скорости.

Если большой диапазон (больше 1:10) вам не нужен, то и не обращайте на это внимания. А если нужен, то даже заявленный диапазон частот от 0 Гц не гарантирует устойчивую работу и этот вопрос нужно прояснять с производителем особо. Кстати, в этом случае, скорее всего, потребуется векторное управление.

Количество входов управления.

Дискретные входы нужны для ввода различных команд: пуск, стоп, выбор фиксированной скорости, реверс, аварийное торможение, изменение задания и т. Эти входы обычно программируются пользователем, аналоговые – для ввода сигналов задания и обратной связи (обычно 0-10В или 4-20мА).

Цифровые входы (не путать с дискретными) нужны для ввода высокочастотных сигналов от энкодеров (цифровых датчиков скорости и положения). Большое количество входов нужно тогда, когда планируется построение сложной системы управления с множеством управляющих сигналов. Сказать заранее хватит входов или не хватит сложно, поэтому, чем больше входов, тем лучше, но отвергать модель только из-за малого количества входов не стоит.

Количество выходных сигналов.

Дискретные выходы также используются для построения сложных систем (например, уже упоминавшихся  ранее насосных станций) и для вывода сигналов о различных событиях, а аналоговые – для питания показывающих приборов и опять же для построения систем управления. Рекомендации по выбору – те же, что и для входов.

Речь в данном случае идет об оперативном управлении, то есть о том, как будет осуществляться управление приводом в рабочем режиме. Управление может осуществляться через входы (см. выше), со встроенного или выносного пульта, а также по шине последовательной связи (от контроллера или компьютера). Часто допустимо комбинированное или переключаемое управление. Выбирайте то, чем будете пользоваться.

Срок гарантии косвенно позволяет судить о надежности техники, особенно импортной, поскольку организация сервисной службы в России – дело хлопотное и дорогое. Правда, по опыту автора, в России подавляющее количество выходов преобразователей частоты из строя происходит либо из-за некачественного электроснабжения, либо из-за всеми “любимого” человеческого фактора.

К сожалению, высококлассных специалистов по приводной технике в России пока не так уж много. Естественно, что вышеуказанные случаи не являются гарантийными и последствия придется  исправлять за свой счет. Техника периодически подводит, а это значит, что более длительный срок гарантии тоже влияет на принятие решения покупки оборудования.

Если нет каких-то дополнительных специальных требований, влияющих на выбор линейки оборудования, то спокойно переходите на следующий этап выбора преобразователя, а именно выбираем конкретную модель.

Опустим выбор электродвигателя, так как это тема для отдельной статьи, представим, что электрический двигатель уже выбран, а, возможно, уже и установлен.

Сразу же исключаем самую распространенную ошибку — выбор по одному параметру “мощность”. Данная ошибка встречается у всех у проектировщиков. У поставщиков и у технических служб заказчика ошибка связана, к сожалению, с отсутствием необходимых знаний. Конечно, проще взять и выбрать преобразователь по мощности равной или более мощности двигателя, особо думать не нужно, но выбор только по этому параметру может привести как просто к выходу из строя преобразователя частоты (ну или периодическим отказам), так и к невозможности реализовать необходимые алгоритмы работы для технологических процессов.

Выбирайте преобразователи частоты по токовым характеристикам, тем самым минимизируете риск ошибки и, возможно, сохраните энное количество денег и своих нервов. Первое на что необходимо обратить внимание — номинальный ток ПЧ должен быть равен или быть больше номинального тока электродвигателя. Данный параметр мы берем из паспорта электромотора или считываем с шильда! Если в работе не будет тяжелых режимов (и как следствие перегрузок), этого параметра достаточно для выбора. В качестве подсказки добавим, что минимальные перегрузки обычно бывают  с двигателями, приводящими в действия насосы и вентиляторы.

Если же вы планируете использовать привод в системах, работа которых подразумевает перегрузки, необходимо учитывать токи перегрузок, допустимых для двигателя и механизма.

Открывайте документацию на механизм, как правило, в ней указывается длительность и величина токов перегрузки, но бывает что, документация утеряна (ну или просто нет данных по перегрузкам, нонсенс, конечно, были случаи) тогда придется вызвать электролабораторию и измерить ток во всех режимах работы механизма (кроме пуска, здесь разговор особый и выходящий за рамки этой статьи, к счастью, на выбор преобразователя этот режим влияет очень редко).

Ну а если нет электролаборатории, нет бюджета на приглашения со стороны, а иногда и банально лень? Тогда напрягаем производителя оборудования либо открываем таблицы применений (у серьезных производителей они есть) и смотрим аналогичные механизмы и интересующие нас величины при перегрузках.

Обращаю внимание, что в подобных таблицах указывается максимальный ток, выдаваемый ПЧ в течение 1-2 минут, и при выборе нужно учитывать, что допустимое время протекания перегрузки и величина тока должны превышать ток перегрузок механизма.

Ну и третий, и немаловажный параметр для выбора ПЧ — пиковые токи при ударных нагрузках. Пиковые нагрузки кратковременны (как правило, 2-3 секунды). Преобразователь должен допускать их, если пиковые токи допустимы для электродвигателя и механизма.

К сожалению, не все производители приводов могут реализовать возможность коротких бросков тока выше максимального значения (кстати, это нужно уточнять, иногда просто не указывают данный параметр).

Представьте себе, что экскаватор при работе натыкается на камень. Если не учтен бросок тока, то привод просто остановится, хотя проблемы бы не было, выдай преобразователь очень большой ток буквально на пару секунд, но нет, не учли, значит, не может.

Достаточно неприятная ситуация, которую можно исключить, выбрав преобразователь, где максимальный ток выше пиковых токов нагрузки.

Выбирая ПЧ по токовым характеристикам, необходимо соответствие всем трем требованиям: номинал, перегрузка, пиковые. При таком подходе на мощностные характеристики не обращаем внимания, ими можно пренебречь.

Самый экономичный способ управления двигателями – преобразователь частоты

В промышленности свыше 60% электроэнергии потребляется асинхронными электроприводами – в насосных, компрессорных, вентиляционных и других установках. Это наиболее простой, а потому дешевый и надежный тип двигателя.

Технологический процесс различных производств в промышленности требует гибкого изменения частоты вращения каких-либо исполнительных механизмов. Благодаря бурному развитию электронной и вычислительной техники, а также стремлению снизить потери электроэнергии появились устройства для экономного управления электродвигателями различного типа. В этой статье как раз и поговорим о том, как обеспечить максимально эффективное управление электроприводом. Работая в компании «Первый инженер» (группа компаний ЛАНИТ), я вижу, что наши заказчики всё больше внимания уделяют энергоэффективности

Большая часть электрической энергии, потребляемой производственными и технологическими установками, используется для выполнения какой-либо механической работы. Для приведения в движение рабочих органов различных производственных и технологических механизмов преимущественно используются асинхронные электрические двигатели с короткозамкнутым ротором (в дальнейшем именно о данном типе электродвигателя и будем вести повествование). Сам электродвигатель, его система управления и механическое устройство, передающее движение от вала двигателя к производственному механизму, образуют систему электрического привода.

Наличие минимальных потерь электроэнергии в обмотках за счет регулирования частоты вращения двигателя, возможность плавного пуска за счет равномерного увеличения частоты и напряжения — это основные постулаты эффективного управления электродвигателями.

Ведь ранее существовали и до сих пор существуют такие способы управления двигателем, как:

• реостатное регулирование частоты путем введения дополнительных активных сопротивлений в цепи обмоток двигателя, последовательно закорачиваемых контакторами;
• изменение напряжения на зажимах статора, при этом частота такого напряжения постоянна и равна частоте промышленной сети переменного тока;
• ступенчатое регулирование путем изменения числа пар полюсов статорной обмотки.

Но эти и другие способы регулирования частоты несут с собой главный недостаток — значительные потери электрической энергии, а ступенчатое регулирование по определению является недостаточно гибким способом.

Потери неизбежны?

Остановимся более подробно на электрических потерях, возникающих в асинхронном электродвигателе.

Работа электрического привода характеризуется целым рядом электрических и механических величин.

К электрическим величинам относятся:

• напряжение сети,
• ток электродвигателя,
• магнитный поток,
• электродвижущая сила (ЭДС).

Основными механическими величинами являются:

• частота вращения n (об/мин),
• вращающийся момент M (Н•м) двигателя,
• механическая мощность электродвигателя P (Вт), определяемая произведением момента на частоту вращения: P=(M•n)/(9,55).

Для обозначения скорости вращательного движения наряду с частотой вращения n используется и другая известная из физики величина — угловая скорость ω, которая выражается в радианах за секунду (рад/с). Между угловой скоростью ω и частотой вращения n существует следующая связь:

при учете которой формула приобретает вид:

Зависимость вращающего момента двигателя M от частоты вращения его ротора n называется механической характеристикой электродвигателя. Отметим, что при работе асинхронной машины со статора на ротор передается через воздушный зазор с помощью электромагнитного поля так называемая электромагнитная мощность:

Часть этой мощности передается на вал ротора в виде механической мощности согласно выражению (2), а остальная часть выделяется в виде потерь в активных сопротивлениях всех трех фаз роторной цепи.

Эти потери, называемые электрическими, равны:

Таким образом, электрические потери определяются квадратом тока, проходящего по обмоткам.

Они в сильной степени определяются нагрузкой асинхронного двигателя. Все другие виды потерь, кроме электрических, изменяются с нагрузкой менее существенно.

Поэтому рассмотрим, как изменяются электрические потери асинхронного двигателя при регулировании частоты вращения.

Электрические потери непосредственно в обмотке ротора электродвигателя выделяются в виде тепла внутри машины и потому определяют ее нагрев. Очевидно, чем больше электрические потери в цепи ротора, тем меньше КПД двигателя, тем менее экономична его работа.

Учитывая, что потери в статоре примерно пропорциональны потерям в роторе, еще более понятно стремление уменьшить электрические потери в роторе. Тот способ регулирования частоты вращения двигателя является экономичным, при котором электрические потери в роторе относительно невелики.

Из анализа выражений следует, что самый экономичный способ управления двигателями заключается в частоте вращения ротора, близкой к синхронной.

Частотно-регулируемые приводы

В обиход различных сфер промышленности, которые используют насосное, вентиляционное оборудование, конвейерные установки, объекты генерации (ТЭЦ, ГРЭС и т. ) и др. вошли такие установки, как частотно-регулируемые приводы (ЧРП), также называемые преобразователями частоты (ПЧ). Данные установки и позволяют изменять частоту и амплитуду трехфазного напряжения, поступающего на электродвигатель, за счет чего и достигается гибкое изменение режимов работы управляющих механизмов.

Высоковольтный частотно-регулируемый привод

Приведем краткое описание существующих преобразователей частоты.

Конструктивно преобразователь состоит из функционально связанных блоков: блока входного трансформатора (шкаф трансформатора); многоуровневого инвертора (шкаф инвертора) и системы управления и защит с блоком ввода и отображения информации (шкаф управления и защит).

В шкафу входного трансформатора производится передача энергии от трехфазного источника питания входным многообмоточным трансформатором, который распределяет пониженное напряжение на многоуровневый инвертор.

Многоуровневый инвертор состоит из унифицированных ячеек – преобразователей. Количество ячеек определяется конкретным конструктивом и заводом-изготовителем. Каждая ячейка оснащена выпрямителем и фильтром звена постоянного тока с мостовым инвертором напряжения на современных IGBT транзисторах (биполярный транзистор с изолированным затвором). Первоначально выпрямляется входной переменный ток, а затем с помощью полупроводникового инвертора преобразуется в переменный ток с регулируемой частотой и напряжением.

Полученные источники управляемого переменного напряжения соединяются последовательно в звенья, формируя фазу напряжения. Построение выходной трехфазной системы питания асинхронного двигателя производится включением звеньев по схеме «ЗВЕЗДА».

Система управления защиты располагается в шкафу управления и защиты и представлена многофункциональным микропроцессорным блоком с системой питания от источника собственных нужд преобразователя, устройством ввода-вывода информации и первичными сенсорами электрических режимов работы преобразователя.

Потенциал экономии

На основании данных, предоставленных компанией Mitsubishi Electric, оценим потенциал энергосбережения при внедрении преобразователей частоты.

Вначале посмотрим, как меняется мощность при различных режимах регулирования двигателя:

А теперь приведем пример расчета.

КПД электродвигателя: 96,5%;
КПД частотно-регулируемого привода: 97%;
Мощность на валу вентилятора при номинальном объеме: 1100 кВт;
Характеристика вентилятора: H=1,4 о. при Q=0;
Полное рабочее время за год: 8000 ч.

Режимы работы вентилятора согласно графику:

Из графика получаем следующие данные:

100% расхода воздуха – 20% времени работы за год;
70% расхода воздуха – 50% времени работы за год;
50% расхода воздуха – 30% времени работы за год.

Экономия между работой под номинальной нагрузкой и работой с возможностью регулирования скорости вращения двигателя (работа совместно с ЧРП) равна:

7 446 400 кВт*ч/год — 3 846 400 кВт*ч/год= 3 600 000 кВт*ч/год

Учтем тариф на электроэнергию равным — 1 кВт*ч / 5,5 руб. Стоит отметить, что стоимость взята по первой ценовой категории и усредненному значению для одного из промышленных предприятий Приморского края за 2019 г.

Получим экономию в денежном выражении:

3 600 000 кВт*ч/год*5,5 руб/кВт*ч= 19 800 000 руб/год

Практика реализации подобных проектов позволяет с учетом затрат на эксплуатацию и ремонты, а также стоимости самих преобразователей частоты добиться срока окупаемости в 3 года.

Как показывают цифры, в экономической целесообразности внедрения ЧРП сомневаться не приходится. Однако одной экономикой эффект от их внедрения не ограничивается. ЧРП осуществляют плавный пуск двигателя, значительно уменьшая его износ, но об этом я расскажу в следующий раз.

Одним из основных устройств в подъемном и насосном оборудовании являются преобразователи частоты (ПЧ). Они позволяют управлять скоростью вращения асинхронных и синхронных двигателей за счет регулирования частоты электрического тока. Таким образом обеспечивается плавное регулирование скорости вращения роторов в различных режимах (разгон, работа, торможение), безопасность работы лифтов при пиковых нагрузках во время пуска.

Это позволяет значительно повысить КПД работы электродвигателей, наполовину снизить потребление электроэнергии, свести к минимуму износ узлов оборудования и повысить сроки его эксплуатации.

Преобразователи частоты для лифтов

Частотники для электродвигателей широко используются в современном лифтовом оборудовании, оснащенном односкоростными двигателями асинхронного типа. Последние в обязательном порядке оснащаются вентилятором принудительного охлаждения и стояночным электромагнитным тормозом. Также в большинстве моделей предусмотрена установка энкодера – устройства, предназначенного для контроля и управления скоростью лифта и его положением, а также для коммутации двигателя.

В условиях частых пусков мощность двигателя должна быть достаточной, чтобы работать без перегрева, в нормальном тепловом режиме, что также обеспечивает частотный регулятор оборотов электродвигателя. В ряду обязательных условий и требований функционирования ПЧ:

Мощность преобразователя

Как минимум должна быть равна мощности двигателя или превышать ее, поскольку должна обеспечивать необходимую перегрузочную способность (в момент пуска она может доходить до 250%). В пассажирских лифтах многоквартирных домов показатели мощности частотника и двигателя могут составлять до 30 кВт. Помимо этого, такой показатель мощности ПЧ в сравнении с мощностью электродвигателя обеспечивает необходимый тепловой режим частотника в условиях частых пусков.

Тип питающего напряжения

Обычно для питания двигателей используется трехфазная сеть с рабочим напряжением 380 В, соответственно устанавливается частотник 380 В. В подъемном оборудовании меньшей мощности возможно использование однофазной сети с напряжением 220–240 В.

Способность работы в векторном режиме

Для этого в преобразователе предусмотрены соответствующие настройки и входы в энкодер. Векторное управление позволяет позиционировать лифтовую кабину с максимальной точностью и обеспечивать максимально плавное движение лифта.

Плавная система торможения

Она обеспечивается за счет электромагнитного тормоза с тормозным резистором. При торможении частотный регулятор подает соответствующий сигнал на тормоз, который плавно останавливает вал электродвигателя.

Наличие контроллера

Обязательный элемент ПЧ, который считывает сигналы с концевых выключателей, датчиков, панели управления. После их обработки он подает сигналы («Пуск», «Стоп», изменение скорости и т. ) на преобразователь частоты.

Диапазон регулирования скорости вращения ротора

Максимально надежная работа ПЧ обеспечивается при снижении скорости этого узла двигателя до 10% от номинальной.

Рекуперация

Возможностью работы в режиме рекуперации обладают современные модели преобразователей. При торможении системы они обеспечивают преобразование энергии и ее возвращение в сеть, что позволяет значительно экономить электроэнергию.

Защита двигателя

ПЧ обеспечивает надежную защиту двигателя:

• тепловую – по моменту и току;
• от короткого замыкания между фазами и на землю;
• от механических повреждений и т. д.

Передача данных

В автоматизированных системах управления технологическим процессом частотный преобразователь обеспечивает передачу на дистанционный пульт управления всех необходимых данных о параметрах двигателя: он измеряет скорость его работы, напряжение, мощность тока, момент, объем потребляемой электроэнергии, рабочую температуру.

Производители преобразователей частоты

Ведущие зарубежные производители преобразователей частоты для лифтов и другого оборудования:

• Schneider Electric (Франция);
• Siemens AG и Lenze (Германия);
• Mitsubishi Electric, Toshiba, Hitachi Ltd, Omron, Fuji Electric (Япония);
• LG Hyundai Electronics (Южная Корея);
• Delta Electronics (Тайвань);
• Danfoss (Дания) и другие.

Среди российских предприятий – производителей частотников наиболее известны:

• «Лидер»;
• «Веспер»;
• «Эрасиб»;
• «Вектор»;
• «Комбарко» и другие.

Лифтовые частотники от «Центр Метиз»

В нашем каталоге представлены частотники производства японской фирмы Fuji Electric. Это один из самых современных, надежных, энергоэффективных и производительных ПЧ, работающих в лифтовых хозяйствах, включая жилые дома и другие объекты в России.

Мы предлагаем устройства ПЧ двух серий – Frenic-Lift LM1S и Frenic-Lift LM2A. Они обеспечивают высокую плавность хода лифтов, безопасность, энергоэффективность (экономия до 60% электроэнергии), обладают функциями защиты и самодиагностики. Благодаря ПЧ данной серии можно значительно продлить сроки эксплуатации лифта. В ряду других особенностей и преимуществ аппаратов:

• возможность работы с синхронными и индукционными электродвигателями;
• высокий класс защиты – IP54;
• возможность управления как в удаленном, так и в ручном режиме;
• высокая стойкость к перегрузке – 200–210% в течение от 3 до 10 секунд (в зависимости от модели);
• множество специализированных функций и возможность их онлайн-программирования;
• возможность переключения в различные режимы сбережения энергии.

Частотники для двигателей Frenic-Lift полностью соответствуют требованиям международных стандартов и ГОСТ. Компания «Центр Метиз» является официальным дистрибьютором данного оборудования в России. Предлагаем оборудование данной марки по выгодной стоимости со всеми необходимыми сопроводительными документами.

В статье представлено такое оборудование, как рекуператоры энергии, служащие для оптимизации затрат электроэнергии при работе электропривода. Рассмотрены разные типы рекуператоров, механизм их действия, особенности подключения. Показано, что это решение позволяет не только повысить энергоэффективность установки, но и сэкономить место в шкафу.

ООО «КоСПА», г. Москва

В наше время проблема энергоэффективности выходит на первый план. Это связано с большим потреблением невозобновляемых ресурсов планеты: нефти и продуктов ее переработки, угля и т. Данный вопрос находит отклик в самых разных решениях: например, происходит постепенная замена автомобилей с двигателями внутреннего сгорания на электромобили, электричество добывается с помощью альтернативных источников энергии (ветряных и приливных электростанций, недр земли, солнца и т. ), строятся объекты атомной энергетики (дешевая энергия, получаемая с помощью распада радиоактивных веществ, является большим плюсом, хо­тя утилизация продуктов выработки АЭС губит окружающую среду регионов, в которых производится их захоронение). В масштабах человечества этих решений недостаточно, но представители каждой отрасли промышленности ищут свои методы экономии энергии.

В статье будут рассмотрены доступные решения данной проблемы в области электроприводов, потребляющих около 60 % всей генерируемой электроэнергии в мире.

Электропривод и энергоэффективность: суть проблемы

Для того чтобы понять, где в системе электропривода возникают бесполезные потери энергии, необходимо принять во внимание, что любой электродвигатель работает в двух режимах: двигательном и генераторном. При работе в двигательном режиме мотор потребляет энергию из се­ти для осуществления своего вращения (пример – перемещение оси стола фрезерного станка), тогда как в генераторном режиме энергия поступает от двигателя в сеть (например, в случае спуска груза краном).

Мы рассмотрим работу электропривода переменного то­ка, так как он применяется в 80–90 % случаев. Основным средством управления двигателем переменного то­ка (асинхронным или синхронным) является преобразователь частоты (ПЧ). Преобразователи частоты делятся на два основных класса: преобразователи частоты с промежуточным звеном постоянного то­ка (ЗПТ) и непосредственные преобразователи частоты.

ПЧ с промежуточным звеном постоянного то­ка представляют собой наиболее распространенный класс. Их предпочитают из-за невысокой стоимости и несложных алгоритмов управления. Переменный ток се­ти определенной частоты с помощью блока выпрямителя преобразуется в постоянный ток, который фильтруется на звене постоянного то­ка и поступает на блок инвертора, где посредством ШИМ-модуляции получается переменный ток определенной частоты. Преобразователь частоты с промежуточным звеном постоянного то­ка не имеет проблем при работе мотора в двигательном режиме, однако при переходе в генераторный режим возвращаемая с мотора энергия поступает на конденсатор фильтра в ЗПТ, что может вывести из строя этот элемент. В настоящий момент существует несколько решений данной проблемы: использование тормозного (сливного) сопротивления на звене постоянного тока, использование активного выпрямителя вместо входного диодного моста, организация схемы рекуперации энергии в сеть с помощью внешних устройств. Тормозное сопротивление используется для преобразования генерируемой двигателем энергии в тепло, что, учитывая те­му данной статьи, недопустимо. Использование активного выпрямителя позволяет возвращать энергию в сеть без дополнительных устройств (за исключением фильтров ЭМС, которые минимизируют влияние высших гармоник тока от преобразователя на другие устройства в се­ти, и дросселей, которые улучшают форму возвращаемого то­ка), но це­на такого преобразователя гораздо вы­ше обычного ПЧ. В статье будут рассмотрены варианты реализации схем возврата энергии в сеть на основе внешних устройств – рекуператоров.

Непосредственные преобразователи частоты осуществляют прямое преобразование переменного то­ка одной частоты в переменный ток другой частоты (рис. Основным видом непосредственных ПЧ являются матричные преобразователи частоты (МПЧ). В основе алгоритма работы МПЧ лежит особое переключение 18 транзисторов (9 пар встречно направленных IGBT): на выходе матричного ПЧ получается практически синусоидальный ток с наилучшим коэффициентом гармонических искажений среди всех видов преобразователей частоты (менее 5 %).

Рис. Схема работы непосредственного преобразователя частоты

Матричные преобразователи частоты, несмотря на свои габариты и более высокую цену, не требуют дополнительных устройств для того, чтобы использовать энергию в рекуперативных режимах: энергия возвращается практически в том же виде, в каком она поступала из се­ти (рис.

Рис. Использование энергии в рекуперативном режиме с помощью МПЧ U1000

Блок рекуперативного торможения R1000 позволяет осуществлять быструю остановку двигателя, обеспечивая безопасность для преобразователя частоты и возврат энергии в сеть: входные клеммы блока подключаются к питающей се­ти устройств, работающих в рекуперативном режиме (преобразователей или сервоприводов), а выходные клеммы – к звену постоянного тока этих устройств (рис. Таким образом, избыточная энергия на ЗПТ с помощью модуля R1000 преобразуется в приемлемый для се­ти вид (переменный ток частоты питающей се­ти) и возвращается в нее, снижая общее энергопотребление установки, тем самым уменьшая срок окупаемости оборудования.

Рис. Схема подключения рекуператора R1000

Блок рекуперации D1000 выполняет схожие с R1000 функции, но отличается тем, что питание устройств, работающих в генераторном режиме, осуществляется через сам модуль, подключенный к их звену постоянного тока (рис.

Рис. Схема подключения рекуператора D1000

Применение D1000 позволяет не только снизить общее электропотребление установки, но и сэкономить место в шкафу, так как используется лишь один блок для питания всех устройств с рекуперацией. В комплект входят ЭМС-фильтр, дроссель переменного то­ка и сам блок рекуперации (рис. 5), что позволяет отказаться от дополнительных фильтров, дросселей и резисторов внутри электрошкафа.

Рис. Блок рекуперации D1000 – комплексное решение

Использование матричного ПЧ

Отличным решением для устройств, работающих в рекуперативном режиме, является матричный преобразователь частоты YASKAWA U1000 (рис.

Рис. Сферы применения матричного преобразователя частоты YASKAWA U1000 (увеличить изображение)

Даже в классе непосредственных преобразователей частоты U1000 выделяется своими характеристиками:
— отличный коэффициент гармонических искажений (менее 5 %): преобразователь подавляет высшие гармоники то­ка, выдавая практически чистую синусоиду (рис. 7);
— коэффициент мощности преобразователя близок к 1, это означает практически полное отсутствие реактивной мощности;
— экономия места в монтажном шкафу. U1000 не требует установки дополнительных компонентов, таких как дроссели переменного то­ка и ЭМС-фильтры (являются встроенными для преобразователей с номинальным током до 477 А). Таким образом, по сравнению с преобразователями частоты с промежуточным звеном постоянного то­ка экономится место в шкафу за счет отказа от тормозных сопротивлений и их охлаждения или других внешних блоков рекуперации (рис. 8);
— особенный алгоритм управления позволяет работать с асинхронными и синхронными двигателями на частотах до 400 Гц;
— монтаж преобразователя предельно прост: 3 входные клеммы со стороны сети и 3 выходные клеммы для подключения к двигателю.

Рис. Осциллограммы токов и напряжений преобразователя частоты U1000

Рис. МПЧ U1000 позволяет экономить место в монтажном шкафу

Ко всем преимуществам использования матричного преобразователя можно добавить наличие встроенных функций для мониторинга времени выработки его основных элементов, а функциональность встроенного ПЛК позволила реализовать специальное программное обеспечение для выявления дисбаланса нагрузки на ва­лу двигателя. ПО отслеживает превышение момента нагрузки и при достижении определенного задаваемого количества этих превышений формирует дискретный сигнал. Это позволяет продлить срок эксплуатации оборудования путем выявления неисправностей на ранних стадиях и своевременной замены компонентов системы.

В статье было рассмотрено оборудование, предназначенное для улучшения энергетических показателей объектов металлургической, станкостроительной и прочих отраслей промышленности. Рекуператоры энергии могут быть:
— индивидуальными и неинтегрированными, то есть устанавливаться на отдельный ПЧ вместо тормозного сопротивления, как R1000;
— групповыми, то есть один рекуператор подключается к группе приводов, объединяя их по ЗПТ, как в случае с D1000;
— интегрированными с ПЧ, как, например, матричный преобразователь частоты U1000.

Выбрать тип рекуператора для конкретного применения можно на любом этапе реализации проекта и да­же для уже воплощенного проекта, сменив тормозные сопротивления большой мощности на компактный рекуператор, который сэкономит место и улучшит энергоэффективность.

Поиск дистрибьютораПростой инструмент, позволяющий легко найти ближайшего к вам дистрибьютора компании Schneider Electric

Нужна информация?Воспользуйтесь функцией обзора наших ресурсов, чтобы найти наиболее полезные для вас инструменты и документацию по всей нашей продукции