Tag Archives: частотник

Использование фильтров в частотных преобразователях

Частотные преобразователи вызывают электромагнитные помехи. Для снижения таких помех частотные преобразователи оснащают фильтром электромагнитных излучений.

Такие фильтры могут быть встроены в устройство или подключены к нему извне. Также возможна комбинация внутренних и внешних фильтров.

Синусоидальные или du/dt фильтры также могут быть использованы для снижения нагрузки на двигатель. Частотные преобразователи работают на высокой частоте переключений, чтобы производить соответствующее напряжение на выходе.

Первым проявлением этого становится тот факт, что напряжение на выходе более не является синусоидальным. В зависимости от длины кабеля и изоляции мотора данное напряжение может повредить изоляцию. Это особенно проблематично при работе со старыми двигателями. Установленные фильтры ограничивают уровень повышения напряжения и амплитуду максимального напряжения и защищают обмотку от перегрева.

Основным преимуществом частотных преобразователей с внешними фильтрами является их цена. Такие устройства дешевле и зачастую являются более компактными, чем устройства со встроенными фильтрами. Недостатком является необходимость в дополнительном пространстве для установки. Кроме того, внешние фильтры всегда приводят к дополнительным потерям.

Это относится как к фильтрам электромагнитных излучений, так и к синусоидальным или du/dt фильтрам. Эти дополнительные потери также следует учитывать при выборе системы охлаждения для шкафа электрооборудования. Потери от преобразователей со встроенными фильтрами обычно включаются производителем в информацию о потерях.

Сравнивая эффективность двух частотных преобразователей, нужно учитывать, оснащены ли они встроенными фильтрами и, если Вы имеете дело с фильтрами электромагнитных излучений, соответствуют ли они одним и тем же стандартам. Если нет, то в случае с преобразователями без фильтров это приведет к снижению общей производительности, увеличению потерь и повышению затрат на электроэнергию.

Попытка снизить затраты путем приобретения фильтров электромагнитных излучений ниже требуемого качества или путем полного отказа от фильтров может привести к значительным расходам на модернизацию, охлаждение и восполнение дополнительных потерь.

 

Двигатели: потенциал экономии и дальнейшего развития

Энергосберегающие трехфазные индукционные двигатели доступны в Европе с 1998 года. Они распределены по классам эффективности от eff 1 до eff 3. Это добровольное соглашение заменяется международным стандартом IEC 60034-30.

Моторы с редуктором

В последние годы использование энергосберегающих моторов с редуктором является стандартом. В зависимости от производителя, пользователь может выбирать между продуктами различных классов эффективности.

Однако класс эффективности двигателя основывается только на рабочих характеристиках самого двигателя, а не на характеристиках мотор-редуктора. Выбирая редуктор, можно столкнуться с множеством вариантов. Винтовые и конические зубчатые передачи обладают, как правило, существенно большим КПД, чем червячные, однако инженеры, выбирающие конические передачи как альтернативу червячным передачам, изначально сталкиваются с более высокими затратами.

Однако благодаря повышенной эффективности и износостойкости конических зубчатых передач по сравнению с червячными, данные затраты быстро окупаюся. Моторы с редуктором идеально подходят для работы с частотными преобразователями. Помимо оптимизации работы электромотора, преобразователь предоставляет операторам возможность отказаться от механических переключателей скоростей.

Двигатели с постоянными магнитами

Синхронные двигатели, оснащенные постоянными магнитами, являются синхронными и высокоэффективными. По сравнению с асинхронными моторами сходной эффективности (например IE 3), ПМ-моторы обладают существенно меньшими габаритами.

Падение цен на постоянные магниты существенно повышает привлекательность оснащаемых ими моторов даже для приложений с низкой динамикой.

Как правило, несколько факторов определяют, целесообразна ли с экономической точки зрения замена трехфазного индукционного двигателя двигателем с постоянными магнитами (ПМ-мотором или синхронным двигателем).

Безусловно, при проведении соответствующих исследований следует учитывать не только стоимость закупки, переоборудования и энергии, но и стоимость обслуживания и замены.

Применение управления скоростью на машинах, работающих под нагрузкой, часто непосредственным образом отражается на счетах за электроэнергию. Среди основных преимуществ использования управления скоростью можно перечислить следующие:

  • Экономия электроэнергии

Потенциал экономии электроэнергии конкретной системы в основном зависит от рабочей характеристики нагрузки. В случае, если момент постоянен, максимальная экономия пропорциональна снижению момента и скорости вращения главной оси; в случае квадратичной рабочей характеристики экономия возрастает как третья степень снижения скорости.

  • Оптимизация работы под частичной нагрузкой

Как правило, КПД трехфазных двигателей указывается только для стандартной точки. В случае, если двигатель подключен непосредственно к главной сети и находится при этом под частичой нагрузкой, общая эффективность работы будет существенно снижаться из-за механических и электромагнитных потерь.

В зависимости от качества выбранного метода управления, работа частотного преобразователя всегда позволяет намагничивать двигатель оптимальным образом. Соответственно, потери при работе под частичной нагрузкой снижаются. Улучшения заметны на двигателях со стандартной мощностью от 11 кВт.

  • Автоматическая оптимизация расхода энергии

В приложениях, в которых нет быстрых смен нагрузки, возможно использование режима автоматической оптимизации расхода энергии. Преобразователь снижает намагничивание двигателя, сохраняя таким образом энергию.

  • Упрощение запуска

Во многих задачах управление скоростью может снижать число запусков устройства. Каждый запуск электрического двигателя в неконтролируемых условиях требует дополнительной энергии на разгон мотора и вывод его в нормальный режим работы. На запуск, как правило, уходит 5-10% от общей энергии (при работе с насосами), однако известны примеры роста затрат вплоть до 40%. Более того, снижаются скачки напряжения и механические нагрузки, вызванные прерывистым запуском устройств.

Управление скоростью с использованием преобразователей частоты обеспечивает и другие преимущества, например, уменьшает механическую нагрузку на систему и ее составные части. Так же не стоит забывать, что преобразователи частоты позволяют легко интегрировать и подстроить управление отдельным двигателем в общий технологический процесс.

 

Энергосбережение на базе использования частотных преобразователей

На протяжении многих лет цены на электроэнергию неуклонно растут, вызывая у многих промышленных, коммерческих и торговых предприятий желание снизить потребление энергии. Если этого удастся добиться, потребитель сможет поддерживать производственные затраты на постоянном уровне или даже снизить их, несмотря на повышение цен на электроэнергию. Инженеры-механики и инженеры-технологи могут снижать затраты путем снижения энергопотребления своих предприятий, достигая, таким образом, конкурентного преимущества.

Помимо чисто коммерческих соображений, имеется ряд социальных причин — например, глобальное потепление – для максимально эффективного использования ресурсов и снижения выброса диоксида углерода в воздух.

Предпринимаются также и политические инициативы для продвижения энергосберегающих технологий. Так, например, директива ЕС  «Об энергопотребляющих продуктах» (EuP, 2005/32/EC и 2008/28/EC) устанавливает требования по экологически безопасному проектированию энергопотребляющих устройств. Данная директива внедряет использование политики интегрированных продуктов, принимающей во внимание полный жизненный цикл электрооборудования от производства до утилизации.

Электропривод как ключевая технология

Технология электрического привода является ключевой технологией для повышения эффективности использования энергии. На данный момент она является самым быстрым и эффективным способом существенного снижения энергопотребления. Так, например, потребление энергии моторами холодильников, системами кондиционирования воздуха и многими другими промышленными системами приводов может быть оптимизировано путем регулирования их скорости. В одном только промышленном секторе, по подсчетам ЕС, возможно снижение потребления энергии электроприводными системами как минимум на 15%. Однако необходимо действовать осторожно, поскольку вне зависимости от мер, принимаемых пользователями, всегда следует предварительно оценивать их эффективность.

Основной целью внедрения частных преобразователей является существенная экономия электроэнергии как уже существующими, так и новыми системами и машинами. Как правило, операторы, инженеры- механики и системные инженеры склоняются прежде всего к легким в применении и, главное, недорогим мерам.

Практически во всех сферах имеется возможность снижения энергопотребления. Вне зависимости от сферы деятельности — будь это автоматизация зданий, системы конвейеров или химические процессы — основная сложность состоит в обнаружении этого потенциала и нахождении наиболее эффективного способа его использования. Операторы и пользователи, предпринимая попытки использования возможностей сбережения электроэнергии, должны обращать особое внимание на то, какие преимущества дает использование этого способа. В частности, огромным потенциалом для экономии электроэнергии обладают насосы и вентиляционные системы.

Несмотря на то, что энергопотребление этих систем в промышленных условиях является одним из самых высоких, в случае использования центробежных насосов и вентиляторов энергопотребление падает пропорционально кубу скорости. Простым и быстрым решением проблемы в данном случае является оснащение всех насосов и вентиляторов частотными преобразователями для управления скоростью. Данный способ становится все более выгоден также в связи с тенденцией снижения цен на частотные преобразователи.

Необходимо, однако, соблюдать осторожность, так как далеко не у всех насосов и вентиляторов можно регулировать скорость. Кроме того, применение самого дешевого частотного преобразователя не всегда является наиболее экономичным решением.

Несмотря на то, что во многих случаях использование частотных преобразователей приводит к существенной экономии электроэнергии, в ряде случаев это не так, а иногда наблюдается и обратный эффект. По нашим оценкам, контроль скорости целесообразен приблизительно для 50% электроприводов.

Структура энергопотребления

Помимо области применения, степень экономии определяется скрытыми расходами, зависящими от типа используемого преобразователя. Например, во многих случаях переплата за более эффективное устройство окупается в короткий срок.

Таким образом, принимая инвестиционное решение, следует учитывать не только технические, но и множество коммерческих и логистических аспектов, чтобы предотвратить неэкономные и неэффективные меры. Пользователям следует выбирать преобразователь не исходя из стоимости, а принимая в расчет функциональные возможности позволяющие достичь максимальной экономии энергии в течение всего жизненного цикла оборудования. В таком случае возможно достичь идеального баланса между стоимостью и эффективностью.

Внедрение контроля скорости в системы с электромоторами позволяет сберегать существенное количество электроэнергии. Для того, чтобы этот подход был наиболее успешен и давал требуемые результаты, и пользователям, и системным инженерам следует учитывать несколько важных моментов.

Вне зависимости от того, является система новой или уже существующей, работа специалистов и инженеров должна начинаться с оценки текущего состояния оборудования. В это понятие включаются вычисление энергопотребления, определение процессов, подходящих для регулировки скорости и оценка возможной экономии. Также этот подход позволяет подчеркнуть совместное действие нескольких факторов. По результатам такого анализа специалисты могут определять возможные решения по модернизации, а также, впоследствии, оценивать эффективность принятых мер и их соответствие изначальным планам.

Основными отправными точками эффективного анализа текущего состояния системы являются:

  • Эффективность

Самый простой способ сохранить электроэнергию — использовать более эффективные компоненты системы.

  • Управление параметрами процесса

Наиболее эффективный путь оптимизации процессов — управление давлением, потоком, скоростью и т.п. Если ранее применялся только простое двухступенчатое управление скоростью, энергетическая эффективность должна сравниваться с эффективностью, обеспечиваемой контролем скорости. Во многих случаях управление параметрами процесса является экономически целесообразным.

  • Системная схема

Многие системы не всегда проектируются с точки зрения наиболее эффективной эксплуатации или даже оптимального решения энергетической проблемы. К примеру, потенциалом для оптимизации обладают все виды трубопроводов. Маршрут прокладки труб, тип распределителя и используемые вентили должны выбираться таким образом, чтобы минимизировать встречное давление.

  • Сжатый воздух

Сжатый воздух — простое по сути, но дорогостоящее средство передачи энергии. Во многих случаях более эффективно с энергетической точки зрения использовать вместо него прямой электропривод. Как правило, операторам следует поддерживать давление воздуха на как можно более низком уровне. Снижение давления всего на 1 бар помогает сэкономить до 7-8% электроэнергии. Утечки также обходятся дорого: в зависимости от давления в системе, отверстие диаметром 1 мм может привести к дополнительному расходу энергии (от 1500 до 5000 кВч в год).

Время, в течение которого может быть вычислено преимущественное потребление электроэнергии, определяется областью применения. В случае строго определенных технологических процессов данные о потреблении энергии обычно становятся доступными после прохода некоторого количества полных циклов технологических операций.

Оценка динамики потребления в областях, зависящих от климатических условий, гораздо более затруднительна. Так, к примеру, требуемый коэффициент подачи насоса для сточных вод напрямую зависит от существующего уровня осадков.

При работе с системами с изменяемым крутящим моментом, включая насосы и вентиляторы, пользователи должны четко определить, для чего будет использоваться управление. Следует также определить максимальную эффективность вентиляторов, насосов и компрессоров и использовать эту информацию для установления оптимального диапазона управления. Кроме того, следует тщательно проверить влияние принятых мер на работу всей системы.

Максимальная экономия электроэнергии достигается пользователями только в случае детального анализа всего приводного механизма. Необходимо оценить эффективность используемых моторов, проверить используемые типы зубчатых передач, оптимизировать длину кабелей. Необходимо проверить, были ли приняты меры по электромагнитной совместимости, а также убедиться, что питающая сеть не перегружена. Кроме того, необходимо оценить коэффициент потерь и нагрузку на систему кондиционирования воздуха, предназначенную для борьбы с подобными потерями в шкафах для электрооборудования или на специальных производственных площадях.

Пользователю следует проверить и уже существующие преобразователи. Общие условия, изначально удовлетворяющие всем требованиям, могли измениться. Также такой анализ позволяет определить целесообразность таких инвестиций.

Для разумного сбережения электроэнергии необходимо, чтобы пользователи внимательно относились к оценке преимуществ и недостатков каждого технологического решения. В процессе анализа нужно помнить, что в большинстве случаев качество технологического решения возрастает в соответствии с его стартовой стоимостью. Поскольку подавляющее большинство пользователей не знакомо с техническими особенностями всех выпускаемых устройств, разумным и естественным решением является привлечение к работе экспертов и обсуждение с ними технических преимуществ и недостатков.

 

Структура частотного преобразователя

Типовая схема низковольтного преобразователя частоты  представлена на рисунке. В нижней части рисунка изображены графики напряжений и токов на выходе каждого элемента преобразователя.

Схема низковольтного преобразователя частоты

Схема низковольтного преобразователя частоты

Переменное напряжение питающей сети (uвх.) с постоянной амплитудой и частотой (Uвх = const, fвх = const) поступает на выпрямитель (1).

Для сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения (uвыпр.) используется фильтр (2). Выпрямитель и емкостный фильтр (2) образуют звено постоянного тока.

С выхода фильтра постоянное напряжение ud поступает на вход импульсного инвертора (3).

Инвертор современных преобразователей, как правило, выполняется на основе силовых биполярных транзисторов с изолированным затвором IGBT. В инверторе осуществляется преобразование постоянного напряжения ud в трехфазное (чаще всего) импульсное напряжение uи изменяемой амплитуды и частоты. По сигналам системы управления каждая обмотка электрического двигателя подсоединяется через соответствующие силовые транзисторы инвертора к положительному и отрицательному полюсам звена постоянного тока. Длительность подключения каждой обмотки в пределах периода следования импульсов модулируется по синусоидальному закону. Наибольшая ширина импульсов обеспечивается  в середине полупериода, а к началу и концу полупериода уменьшается. Таким образом, система управления обеспечивает широтно-импульсную модуляцию (ШИМ) напряжения, прикладываемого к обмоткам двигателя.  Амплитуда и частота напряжения  определяются параметрами модулирующей синусоидальной функции.

При высокой несущей частоте ШИМ (2 … 15 кГц)  обмотки двигателя вследствие их высокой индуктивности работают как фильтр. Поэтому в них протекают практически синусоидальные токи.

В схемах преобразователей с управляемым выпрямителем (1) изменение амплитуды напряжения uи может достигаться регулированием величины постоянного напряжения ud, а изменение частоты – режимом работы инвертора.

При необходимости на выходе инвертора устанавливается фильтр (4) для сглаживания пульсаций тока. (В схемах преобразователей на IGBT в силу низкого уровня высших гармоник в выходном напряжении потребность в фильтре практически отсутствует.)

Таким образом, на выходе преобразователя частоты формируется трехфазное (или однофазное) переменное напряжение изменяемой частоты и амплитуды (Uвых = var, fвых = var).

Есть также варианты без использования звена постоянного тока, но их доля рынка постоянно снижается в связи с тем, что такой алгоритм провоцирует значительные помехи, хотя и выгоден в плане кпд.

Частотные преобразователи. Вступление

Наш сайт рад представить материалы по одной из наиболее перспективных систем автоматизации.

Системы частотного управления приводами — это данность современного состояния сферы автоматизации, которая очень и очень скоро станет обязательной. Не секрет, что необходимость их использования в ближайшее время будет закреплена в соответствующих законодательных актах.

«Почему?»- спросите Вы.

С удовольствием ответим.

Парк двигателей средней и большой мощности (более 80% от общего числа) укомплектован асинхронными двигателями. Единственный вариант сколько–нибудь гибкого, а тем более интеллектуального управления таким двигателем – управление с использованием частотного преобразователя. Негибкое же управление – это перерасход дорожающей электроэнергии (от 20 до 50 % в зависимости от сферы применения), быстрый износ систем из-за перегрева, гидроудары для насосов и подобные малоприятных вещи.

Возможность частотного управления была обоснована и разработана достаточно давно, однако долгое время применялась мало из-за схемотехнических проблем. Проблемы эти были преодолены. Сегодня в качестве управляющих элементов для мощных приводов используются системы на базе силовых тиристоров (GTO и их улучшенные вариации), для приводов средней и малой мощности используется силовые биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT). Последние обладают замечательными характеристиками по быстродействию (до 100 КГц), хотя по возможной коммутируемой мощности уступают тиристорным схемам.