Частотные преобразователи: критерии выбора

Публикации

Частотные преобразователи: критерии выбора
Автор: Руслан Хусаинов
№ 4 (67) от 27 апреля 2009, в рубрике: Энергетика

Преобразователи частоты активно завоевывают рынок, поэтому сейчас крайне актуально «повышение квалификации» инженерно-технического персонала. Автор статьи не ставит перед собой цель изложить тему полностью, однако постарается помочь разработчикам оборудования лучше сориентироваться в вопросах выбора и применения преобразователей в повседневной практике.

Зачем это нужно?

Асинхронный двигатель с короткозамкну-тым ротором сегодня является одним из самых дешевых, надежных и энергосберегающих и поэтому активно применяется в промышленности. Однако и у него есть недостатки. Первый: не удается простым способом регулировать скорость двигателя и, как следствие, производительность механизма. Проблема, конечно, решается: в насосах применяются задвижки, ограничивающие поток жидкости; в вентиляторах – шибера и заслонки; в промышленных механизмах – различные редукторы. Но все эти варианты имеют свои минусы: одни неэкономичны, другие ненадежны, третьи обеспечивают лишь конечный набор скоростей и необходимость остановки механизма для переключения и т.д. Второй недостаток – очень большой пусковой ток (в 5–7 раз превышающий номинальный) и момент, приводящий к ударным механическим нагрузкам при пуске. Соответственно, необходимо использование более устойчивой коммутационной аппаратуры и применение тех или иных демпфирующих устройств.

В результате попыток решить эти проблемы родился прибор, оптимальный по своим функциям и обеспечивающий возможность плавного запуска и непрерывного регулирования скорости электронным способом, по определению более надежным, чем механический. Прибор этот получил название преобразователь частоты.

Что это дает?

Рассмотрим применения частотных преобразователей по степени популярности.

Насосы. Потребляемая насосом мощность пропорциональна кубу скорости вращения, поэтому использование частотного преобразователя дает экономию э/энергии до 30% и

более по сравнению со способом регулирования мощности заслонками на трубе. Экономия позволяет окупить частотный преобразователь примерно за год. Попутно решается проблема гидравлических ударов: при работе преобразователя частоты пуск и останов насоса происходят плавно. Современные преобразователи ведущих фирм имеют систему управления, позволяющую управлять группой насосов, то есть практически построить насосную станцию без привлечения дополнительного контроллера.

Вентиляторы. Все, что было сказано для насосов, относится и к вентиляторам. Экономия э/энергии здесь обычно еще больше, поскольку для обеспечения прямого пуска тяжелых вентиляторов часто применяются двигатели повышенной мощности. При проектировании новых установок можно использовать с преобразователем двигатель меньшей мощности, а при модернизации существующих установок дополнительная экономия получается за счет снижения потерь холостого хода.

Транспортеры. Здесь регулирование позволяет адаптировать скорость перемещения к скорости всего технологического процесса, которая в общем случае не является постоянной. Плавный пуск резко увеличивает ресурс механизмов за счет отсутствия ударных нагрузок в процессе выбора люфтов в момент пуска.

Как это работает?

Переменное напряжение сети выпрямляется, сглаживается конденсаторами, а затем из полученного постоянного напряжения выходной генератор формирует напряжение необходимой частоты и амплитуды (рис. 1). Формирование схематически показано на рис. 2 и происходит довольно забавно: по существу, генератор просто открывает и закрывает нужные выходные ключи, формируя последовательность импульсов различной ширины. Результат отнють не похож на синусоиду. Однако в работе участвует и двигатель, индуктивность которого приводит к сглаживанию кривой тока, который оказывается пропорциональным среднему значению напряжения (поэтому от преобразователя частоты без специальных мер и нельзя питать другие нагрузки).

По такой силовой схеме собрано подавляющее большинство представленных на рынке преобразователей частоты. Все отличия кроются в функциях системы управления, которые можно разделить на три группы: управление силовыми ключами выходного генератора; обеспечение защиты двигателя, сети и самого преобразователя частоты; система обмена информацией с внешним миром.

Критерии выбора

Раз уж мы заговорили о рынке, то нужно понимать, что задача каждого производителя – продать свое оборудование. Поэтому из имеющегося набора возможностей он включает в прибор только те, за которые, по его мнению, пользователь готов заплатить. Еще некоторое количество функций можно реализовать в виде опций, которые можно добавить при заказе. Здесь появляется первый компромисс: чем больше функций в базовой версии, тем дешевле каждая из них, но тем дороже весь прибор. И наоборот, чем больше функций предлагается в виде опций, тем дешевле базовая версия, но тем дороже каждая возможность и ниже надежность прибора в целом. Кроме того, количество одновременно подключаемых опций также ограниченно. Поэтому стоит выбрать тот прибор, который большинство нужных функций имеет в базовом варианте, а одну-две опции можно заказать дополнительно.

схема работы преобразователя частоты

Итак, на что стоит обратить внимание при выборе? Оговоримся, что выбирать мы будем только из технических соображений; стоит выбрать несколько моделей, отвечающих техническим требованиям, а уже потом из них выбирать ту, что соответствует другим критериям: цене, надежности, срокам поставки, уровню сервиса и т.д.

Сначала следует отбросить те линейки преобразователей, которые явно не подходят: отсутствие моделей нужной мощности, из-за открытого исполнения, предназначенного для встраивания, и т.п.

ТехДетали

В настоящее время на рынке России представлены преобразователи частоты (ПЧ) более 50 фирм-производителей. Ведущие позиции по производству ПЧ для асинхронных электроприводов занимают фирмы Siemens (Германия), ABB и Vaasa Control Оу (Финляндия), Emotron (Швеция), Allen Bredley (Канада), Hitachi (Япония), Mitsubishi Electric (Япония), Lenze (Германия), Zaklad Energoelektroniki (Польша) и другие. Из отечественных производителей: «Триол» (С.-Петербург), «Сибирь-Мехатроника» (Новосибирск), «Ижевский радиозавод» (Ижевск), «Универсал» (Москва), «Выпрямитель» (Саранск), «Эрасиб» (Новосибирск), «Камелия» (Чебоксары) и др. www.irz.ru

По типу механизма нужно определить способ управления – скалярное или векторное. Большинство современных преобразователей реализуют тот или иной вариант векторного управления двигателем; при необходимости эти преобразователи могут 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.п., а его преимуществом является возможность управлять более мощными двигателями при использовании тех же силовых элементов. Нужно отметить, что на рынке почти не осталось моделей, не имеющих векторного управления, поэтому большое значение наличию «ненужного» векторного управления придавать не стоит – его можно будет просто отключить.

Мощностной ряд. Если требуемое количество преобразователей определено, то желательно, чтобы в ряду были модели всех нужных мощностей – так проще обеспечить унификацию – от запчастей и опциональных компонентов до упрощения жизни обслуживающего персонала. Если же процесс перехода на регулируемый привод видимых ограничений не имеет, то желательно выбрать ряд с наиболее широким диапазоном мощностей.

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 ско-

ростями – шлифовальные машины, центрифуги и т.п.

Убедитесь, что преобразователь может дать ту частоту, на которую рассчитаны двигатель и механизм. Нижний предел определяет диапазон регулирования скорости. Если 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.п. – входы обычно программируются пользователем); аналоговые – для ввода сигналов задания и обратной связи (обычно 0÷10 В или 4÷20 мА). Цифровые (не путать с дискретными!) входы нужны для ввода высокочастотных сигналов от энкодеров (цифровых датчиков скорости и положения). Большое количество входов нужно в тех случаях, если планируется построение сложной системы управления с множеством управляющих сигналов. Сказать заранее, хватит входов или

нет, 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, 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.

ТехРешение

Михаил Пахомов, проект-менеджер ООО НПО «Тепловей», www.teplovey.ru – Для целей энергосбережения в различных типах оборудования используются свои специализированные схемы контролирующего оборудования. Так, в воздухонагревателях «Тепловей» применяется микропроцессорный блок управления на базе четырехканального регулятора температуры «Термодат». Три канала задействованы на безопасность и управление воздухонагревателем, четвертый канал прибора используется на усмотрение заказчика (например, для ограничения температуры в канале воздуховода), а это добавочная экономия.

Дополнительно сэкономить помогает и применение комнатного термостата с функцией недельного и суточного программирования. Например, нет смысла поддерживать температуру на высоком уровне (+20°С) в помещении, когда рабочий день уже закончен. Ее можно снизить до минимума, но только чтобы не возникала опасность заморозки жидкостных систем (до +5°С). Это позволит снизить расход топлива. Если на предприятии установлены нерабочие дни, можно внести в программу комнатного термостата и разделение на будни и выходные. Применение комнатного термостата с двумя этими функциями помогает существенно сократить расходы на отопление помещения.

Управление. Речь в данном случае идет об оперативном управлении, т. е. о том, как будет управляться привод в рабочем режиме. Может осуществляться через входы управления, со встроенного или выносного пульта, а также по шине последовательной связи (от контроллера или компьютера). Часто допустимо комбинированное или переключаемое управление.

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 пресловутого «человеческого фактора»; понятно, что эти случаи под гарантию не попадают. Тем не менее более длинный срок гарантии греет душу…

Если нет каких-либо специальных требований, то на этом выбор серии можно считать законченным. После этого выбирается конкретная модель в линейке. Будем исходить из того, что двигатель уже выбран (а чаще и установлен). В первом приближении преобразователь подбирается по мощности двигателя: мощность преобразователя должна быть равна или больше мощности двигателя. На этом большинство проектировщиков и, к сожалению, поставщиков и останавливаются. Но (!) не исключены досадные ошибки, приводящие либо к невозможности реализации нужных алгоритмов работы, либо к периодическим отказам, либо даже к выходу прибора из строя. Поэтому рассмотрим второе приближение – выбор по токовым характеристикам. Во-первых, номинальный ток преобразователя должен быть больше или равен номинальному току двигателя. Не измеренному, а именно номинальному, указанному в паспорте или на шильдике! Большинство двигателей приводит в действие насосы и вентиляторы, и для этих применений на этом можно и остановиться, поскольку перегрузки приводов минимальны.

Для других приводов пойдем дальше: учтем уровень перегрузок. Преобразователь частоты должен допускать токи перегрузок, допустимые для двигателя и механизма. Здесь придется почитать документацию. В описании механизма обычно указываются токи перегрузок и длительность их протекания; если этого нет (плохая документация или ее отсутствие), то можно честно померить ток во всех режимах работы механизма (кроме пуска, здесь разговор особый; к счастью, на выбор преобразователя этот режим влияет очень редко). Если совсем лень, то по таблицам применений, предоставляемым серьезными поставщиками, можно подобрать аналогичный механизм и узнать его уровень перегрузок. В данных на преобразователь обычно указывается максимальный ток, который может дать преобразователь в течение 1-2 мин. Этот ток должен превышать ток перегрузок механизма, а допустимое время его протекания – время действия перегрузок.

Если для проектируемого привода возможны ударные нагрузки, то необходимо подобрать преобразователь еще и по пиковому току. Преобразователь частоты должен допускать токи пиковых нагрузок, допустимые для двигателя и механизма.

Пиковые нагрузки – это нагрузки, действующие в течение 2-3 с., например, ток привода ковша экскаватора, попавшего на камень. Если этот режим не учесть, то привод в этот момент просто остановится – двигатель мог бы справиться с препятствием, но ему для этого буквально на мгновение нужен очень большой ток, а преобразователь его дать не может. Сложность выбора заключается еще и в том, что не все преобразователи частоты могут реализовать короткие броски тока выше максимального значения, а если и могут, то не все производители указывают этот параметр. В этом случае необходимо выбирать преобразователь, максимальный ток которого превосходит пиковый ток нагрузки.

Внимание! При выборе преобразователя по токовым характеристикам нужно, чтобы он отвечал всем трем требованиям, а вот мощностными характеристиками можно и пренебречь.

Это далеко не полный перечень функций и характеристик, их сотни (это не шутка!). Последний совет, который автор хотел бы дать потенциальному пользователю преобразователя частоты: обратите внимание на сервис!

Светлое будущее

Прогнозы, как известно, дело неблагодарное, но все же попытаемся заглянуть в завтрашний день преобразователей частоты.

Во внутреннем устройстве преобразователей основные усилия разработчиков направлены на обеспечение «неубиваемости» приборов, минимизации их влияния на питающую сеть и окружающее оборудование, повышение линейности выходных параметров и создание систем, способных по быстродействию заменить привод постоянного тока.

С точки зрения пользователя, намечается разделение преобразователей частоты на две группы: в первую будут входить приборы, ориентированные на пользователя-дилетанта и имеющие минимум пользовательских настроек и максимум автоматических, а во вторую – приборы, имеющие максимальное количество настроек и возможностей и рассчитанные на специалистов, способных все эти возможности использовать.

Руслан Хусаинов,

тех. директор ЗАО «Сантерно», к.т.н.

Источник: www.technowell.ru