Tag Archives: частотное управление

Разомкнутые системы частотного управления

Как известно, любая система электропривода в статическом режиме должна обеспечивать устойчивость с определённым запасом, а также заданное значение одной или нескольких выходных координат с отклонением, не превышающим допустимой величины. В то же время, любая техническая задача имеет несколько возможных решений и при прочих равных условиях обычно выбирается наиболее простое. Поэтому если к динамике привода не предъявляется особых требований, а статические характеристики соответствуют условиям поставленной задачи, то наиболее простым и эффективным решением является использование частотного регулирования в разомкнутой системе.

Функциональная схема такой системы показана на рисунке 1. Здесь статор АД подключен к преобразователю частоты (ПЧ), имеющему два независимых канала управления амплитудой (uγ ) и частотой (uα ) выходного напряжения или тока. Канал управления амплитудой может быть охвачен отрицательной обратной связью по соответствующему параметру. На рисунке она показана штриховой линией. В этом случае ПЧ обладает свойствами идеального источника напряжения или тока, и параметры его выходных цепей могут не учитываться при анализе процессов в АД. В противном случае импеданс выходных цепей преобразователя включают в параметры цепи статора.

Рисунок 1Функциональная схема разомкнутой системы частотного управления

Функциональный преобразователь (ФП) необходим для формирования закона управления напряжением или током статора АД в зависимости от частоты, т.е. частота в такой системе является независимым параметром, определяющим скорость вращения АД с точностью до скольжения.

Задатчик интенсивности (ЗИ) служит для настройки скорости нарастания и спада входного сигнала, исключающей электрические и механические перегрузки. Тщательная его настройка особенно необходима, если ПЧ нереверсивный, т.е.не обладает способностью двухстороннего обмена энергией между питающей сетью и АД, т.к. в этом случае кинетическая энергия, накопленная вращающимися массами, при торможении будет рассеиваться в преобразователе, создавая недопустимые перегрузки или даже аварийные режимы.

При частотно-токовом управлении, т.е. когда ПЧ работает в режиме источника тока, механические характеристики АД не зависят от частоты и обладают существенно меньшим критическим скольжением. Кроме того, АД развивает значительно больший момент на валу при том же токе статора. Тем не менее, положительные свойства частотно-токового управления можно использовать только в замкнутой системе с током статора, изменяющимся в функции абсолютного скольжения, т.к. в противном случае необходимая перегрузочная способность достигается значительным увеличением напряжения и тока, что недопустимо в длительном режиме. Поэтому в большинстве случаев ПЧ является источником напряжения, и в этом разделе мы ограничимся рассмотрением только такого режима работы системы.

 

 

ЭКОНОМИЯ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ЧАСТОТЫ ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ЦЕНТРОБЕЖНЫМИ НАСОСАМИ

Функцией насосной станции является поддержание заданного давления, причем расход перекачиваемой жидкости, как правило, может существенно изменяться в зависимости от конкретных условий. Все насосные станции рассчитываются по максимальному расходу, который может возникнуть в экстремальной ситуации (например: наводнение, пожар и т. д.). Следовательно, в нормальных условиях необходимо предусматривать средства регулирования, обеспечивающие нормальную работу системы при разных расходах.

ОТСУТСТВИЕ РЕГУЛИРОВАНИЯ

Отсутствие регулирования при пониженных расходах приводит к росту давления в системе, а это вызывает:

  • потери энергии на создание избыточного давления
  • потери перекачиваемой жидкости за счет утечек на негерметичных стыках
  • износ оборудования и повышение эксплуатационных расходов

ДРОССЕЛИРОВАНИЕ

При дросселировании регулирование расхода осуществляется за счет изменения эффективного сечения трубопровода с помощью заслонки. В этом случае насос, так же как и при отсутствии регулирования, тратит энергию на преодоление противодавления заслонки, а повышенное давление вызывает утечки жидкости и износ оборудования.

ПРЕРЫВИСТОЕ РЕГУЛИРОВАНИЕ

При прерывистом регулировании изменение расхода обеспечивается коммутацией в гидросистему различного числа насосов. Например, если один насос не обеспечивает необходимый расход, в параллель ему включается второй, третий и т. д.
Недостатком такого регулирования является именно его прерывистость. Качество такого регулирования нельзя назвать удовлетворительным за счет его слишком грубой дискретности, приводящей к потерям энергии. Кроме того, включение и выключение насосов приводит к постоянным гидроударам в системе, что исключительно вредно влияет на ресурс оборудования, а пусковые токи двигателей насосов вызывают 5 — 7 кратные, относительно номинала, броски тока в электроцепях.

Наиболее совершенным способом регулирования насосов является регулирование с помощью преобразователей частоты.
В случае применения преобразователя частоты, осуществляется поддержание давления в гидросистеме независимо от расхода с помощью регулирования частоты вращения электродвигателя насоса. Таким образом, при малых расходах насос вращается на малой скорости необходимой только для поддержания номинального давления и не расходует лишней энергии. Экономится электроэнергия, а также вода, тепло и ресурс оборудования.

Одним из основных положительных качеств частотных преобразователей является их высокая надежность, основанная на последних достижениях в области микроэлектроники и силовой электронной техники.
Кроме того, функции преобразователя максимально продуманы, что позволяет учесть практически любые потребности конкретного потребителя и особенности любой конкретной технологической ситуации.  Ниже приведен пример использования преобразователя частоты MITSUBISHI для управления центробежным насосом станции подкачки.

Схемы подключения асинхронного двигателя и автономного инвертора.

Функциональная схема преобразователя частоты, питающего асинхронный двигатель в разомкнутой системе регулирования (САР) содержит выпрямитель1, входной фильтр 2, служащий для уменьшения пульсаций выпрямленного напряжения, автономный инвертор напряжения 3, поочередно подключающий фазы обмотки статора двигателя 4 к шинам разной полярности. Закон подключения определяется системой управления 5. Система управления может быть выполнена как на дискретных элементах, так и на различных микроконтроллерах или ПЭВМ.

Функциональная схема замкнутой САР содержит блок датчиков 6 (рис.1), включающий в себя датчик частоты вращения ротора, датчик тока статора, датчики напряжения на входе и выходе инвертора и др.

 

Рис. 1

Замкнутые САР позволяют более точно реализовать любой закон регулирования и увеличить его диапазон. Принципиальная схема питания обмотки статора трехфазного асинхронного двигателя от автономного инвертора напряжения показана на рис.2.

Достоинством трехфазной мостовой схемы преобразователя является то, что в кривых фазных токов и напряжений отсутствуют третьи гармонические.

Рис. 2

В зависимости от закона управления и угла открывания ключевых элементов форма выходного напряжения может быть прямоугольной или ступенчатой, иметь или не иметь паузу, соответственно меняется и ток в фазах двигателя.

 

    Частотное регулирование

    Этот способ регулирования частоты вращения асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором сочетает вышеописанные методы и является более экономичным по сравнению с ними. Для изменения частоты питающего напряжения чаще всего применяют статические преобразователи частоты на автономных инверторах напряжения.

    Законы регулирования

    Зависимость максимального момента от напряжения и частоты выражается, согласно формуле (1), может быть получена при допущении R1» 0 и X1= 2p f1 L1; X2’=2p f1 L2’  следующего вида

    Mmах = ceU1/f1,                                                       (1)

    где с — постоянная;

    L1 и L2’ — индуктивности рассеяния обмоток статора и ротора.

    Из (2) следует, что при изменении частоты f1 одновременно с частотой вращения изменяется и максимальный момент, т.е. перегрузочная способность двигателя (Ммах/Мном). Для устойчивости работы двигателя необходимо обеспечить достаточную перегрузочную способность Ммах/Мном=l. Следовательно при частотном регулировании должнобыть обеспечено условие

    Ммах1/Мн1= Ммах2/Мн2=const,                           (2)

    где       «1» и «2» — индексы, относящиеся к различным частотам вращения;

    Мн1,Мн2 — нагрузочные моменты при этих частотах.

    Поскольку      Ммах1/Ммах2= (U11/U12)2(f12/f11)2,        (3)

    то получаем основной закон частотного регулирования (акад. Костенко М.П.) /1/                           (4)

    Если требуется регулировать частоту вращения при постоянном нагрузочном моменте (Мн = const), то

    U11/f11 =U12/f12 =const,                                                     (5)

    т.е. питающее напряжение следует изменять прямо пропорционально его частоте. При этом мощность двигателя увеличивается прямо пропорционально возрастанию частоты вращения. Если требуется поддерживать режим постоянной мощности электродвигателя P2=Mн w2 =const, то частота вращения w2 приблизительно пропорциональна частоте f1.

    Для поддержания максимального момента неизменным требуется иметь постоянный магнитный поток, т.е. при регулировании частоты должно соблюдаться условие Е1 / f1=сonst. В этом случае значение момента определяется только частотой ротора f2 и оно одинаково в двигательном и тормозном режимах. Так как ЭДС Е1 и реактивное сопротивление Х1 пропорционально частоте f1, а сопротивление R1 от частоты не зависит, то напряжение U1 должно изменяться по закону U1» a + b f1, где а и b -постоянные. Такую зависимость, возможно получить только при питании электродвигателя от автономного инвертора напряжения, когда U1 и f1 могут изменяться по любому требуемому закону.

     

      Рекуператоры и преобразователи с активным выпрямителем (Active Front End)

      Одна из самых заманчивых идей в области сбережения энергии – это возможность использовать энергию, генерируемую в процессе работы двигателя (в режиме генератора) или частотного преобразователя. Энергия вырабатывается потому, что трехфазный индукционный двигатель работает быстрее, чем питающая его сеть; как правило, это происходит при замедлении движения.

      В большинстве случаев эта энергия направляется пользователем на тормозные резисторы и превращается в тепло.Возможно, однако, что более выгодно перенаправлять эту энергию обратно в сеть или подводить ее к другим устройствам.

      На практике используются два наиболее распространенных решения:

      • распределение нагрузки.
      • объединение по звену постоянного тока.

      Для многих преобразователей возможно подключение линии постоянного тока к промежуточным цепям или другим устройствам, что позволяет подводить регенеративную энергию непосредственно к другим устройствам. Однако необходимо принимать во внимание несколько важных органичений. Необходимо убедиться в том, что короткое замыкание на одном из устройств не повредит остальные. Следует также обращать внимание на то, что произойдет в случае одновременного выброса регенеративной энергии всеми соединенными устройствами.

      Рекуперация

      В модуле частотного преобразователя, ответственного за рекуперацию энергии, используется управляемый выпрямитель, подающий энергию регенерации обратно в сеть. Данный метод применяется преимущественно при работе преобразователя с двигателем. Зачастую энергия, получаемая при рекуперации, меньше потерь, происходящих за счет работы управляемого выпрямителя. Именно в связи с этим регенеративные преобразователи экономичны только при высоких мощностях, причем следует учитывать цикл нагрузки и множество ограничений, например, таких, как частое разъединение.

      Перед вложением средств в покупку и установку рекуперационных систем или объединение модулей по звену постоянного тока операторам системы следует провести тщательную проверку ее работы и соответствующие вычисления.

      Количество генерируемой энергии зачастую переоценивается. Для правильной оценки экономичности следует точно определить часть рабочего цикла, в которой система работает в регенеративном режиме, а также среднюю энергию торможения системы. В большинстве случаев, как с экономической, так и с экологической точек зрения рекомендуется использование тормозных резисторов, а не энергии, генерируемой в процессе торможения.

       

      Системы с переменной нагрузкой в частотном управлении

      К системам с переменным крутящим моментом относятся многие насосы и вентиляторы. В случае работы с насосами, однако, следует четко установить ограничения. Большинство самых популярных типов центробежных насосов имеют квадратичную рабочую характеристику, однако эксцентриковые, вакуумные и поршневые насосы имеют постоянную рабочую характеристику.

      Количество сфер применения насосов и вентиляторов огромно. Приблизительно 70% всей электроэнергии, потребляемой промышленными предприятиями в странах ЕС, относится к сфере применения электродвигателей. Существенная доля этих затрат (37%) относится к насосам и системам вентиляции. Однако в промышленных, коммерческих и торговых областях по всем странам ЕС эта цифра примерно равна 40%.

      Управление скоростью — простой, но весьма эффективный способ снижения энергозатрат при работе с насосами, вентиляторами и компрессорами с переменным крутящим моментом. Экономия энергии равна кубу величины снижения скорости. Такой существенный потенциал делает все системы с переменным моментом идеальными для внедрения энергосберегающих решений.

      При контроле скорости работы насосов и вентиляторов, инженерам следует принимать во внимание тот факт, что смена скорости приводит к изменению эксплуатационного режима и, соответственно, изменяет эффективность работы вентиляторов, насосов и компрессоров.

      Использование вентиляторов, насосов и компрессоров вместе с частотным преобразователем порождает определенный спектр скоростей, в котором система сохраняет электроэнергию. Именно в этом режиме машина должна проводить большую часть времени работы. В случае, если разница между максимальным входным током и средней работой под частичной нагрузкой слишком велика, следует строить систему каскадно. Инвестиции во внедрение подобных модулей в уже существующие системы быстро окупаются. В случае построения каскада насосов один насос с управляемой скоростью подстраивается под базовую нагрузку. Если потребление возрастает, преобразователь последовательно, один за другим, включает другие насосы каскада. Соответственно, система работает максимально эффективно в любой момент времени. Управление насосами позволяет пользователю быть уверенным в том, что система в любой момент энергетически эффективна. Возможно использование схожих по принципу работы устройств для систем вентиляции.

      На большинстве насосов и вентиляторов для регулировки давления или объемного потока используются вентили, дроссели и трехходовые клапаны. В случае, если центробежный насос управляется при помощи дроссельной заслонки, регулирование ее положения приводит к смещению рабочей точки устройства вдоль характеристики насоса. Снижение затрат энергии по сравнению с стандартной рабочей точкой незначительно.

      Если скорость работы насоса изменяется, рабочая точка смещается вдоль системной характеристики. Энергозатраты снижаются кубически по сравнению с управлением при помощи дроссельной заслонки. Таким образом, например, на половинной скорости насос потребляет только одну восьмую часть энергии. Эта закономерность действительна для всех вентиляторов и насосов с изменяемым крутящим моментом.

      Помимо характеристик насоса и системы, на графике, представленном ниже, указаны также общие пределы эффективности. Можно заметить, что как в случае дроссельного управления, так и в случае работы контроллера скорости рабочая точка перемещается из области оптимальной эффективности. Что касается систем с управлением скоростью, подобное изменение эффективности, очевидно, при взгляде на кривую специфического поглощения энергии (действительна только для выбранного насоса).

      При достижении частоты около 32 Гц возникающие дополнительные потери на насосе превышают выгоду от энергосбережения. Соответственно, оптимальная частота эффективной работы системы считается равной 38 Гц. При использовании других методов управления насосом энергетический баланс еще менее выгоден. Опыт показывает, что насосы, вентиляторы и, в особенности, компрессоры зачастую не работают в оптимальном эксплуатационном режиме. Так, например, системы кондиционирования воздуха летом работают при большей нагрузке, чем зимой; но так как система проектируется исходя из максимальной требуемой мощности, существенную часть времени она работает в режиме частичной загрузки. Эти данные уже принимаются во внимание некоторыми производителями вентиляторов, насосов и компрессоров. Устройства создаются таким образом, чтобы оптимальный КПД достигался при коэффициенте подачи около 70%.

       

      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.

       

      Стандартный функционал частотного преобразователя

      Основное функциональное назначение частотного преобразователя  – управление трехфазными асинхронными двигателями с короткозамкнутым ротором. Такие двигатели находят широкое применение в промышленности, жилищно-коммунальном и сельском хозяйстве, на транспорте, а также в других областях.

      Частотный преобразователь ОВЕН ПЧВ

      Управление электродвигателем может осуществляться как по скалярному, так и векторному алгоритму, что обеспечивает максимальное качество управления при минимуме необходимых настроек. Пользователю обычно предоставлена возможность задать свою собственную характеристику U/f для более точного управления в скалярном режиме. Это позволяет адаптировать к работе с частотным преобразователем  двигатели различных марок с различной наработкой, сохраняя при этом максимальное качество управления.

      В преобразователе стандартно предусмотрена система компенсации нагрузки и скольжения. Параметры компенсации нагрузки задаются отдельно для низкой и высокой скорости в формате процентов от номинальной мощности управления.

      Компенсация скольжения двигателя позволяет свести к минимуму погрешность при управлении двигателем по разомкнутому контуру скорости в векторном режиме. Это позволяет, в том числе, осуществлять алгоритмы высокоточного бессенсорного управления двигателем. Вычисление параметра компенсации скольжения производится в автоматическом режиме на основе данных о механической характеристике двигателя.

      К прибору может быть подключен не только одиночный двигатель, но и группа двигателей, суммарной мощностью не более мощности частотника. Чаще всего прибор имеет возможность «подхвата» вращающегося двигателя с автоматическим определением параметров движения, что позволяет реализовывать алгоритмы с переключением активного двигателя (например, при каскадном включении группы двигателей).

      Настройка прибора производится с лицевой панели, заданием необходимого набора параметров. Управление, в зависимости от предпочтений пользователя, может осуществляться все с той же лицевой панели, дистанционно, с помощью внешних кнопок и потенциометра, или же по интерфейсу RS-485 с помощью командного слова.  Все операции могут производиться в режиме «Горячее подключение».

      Определение динамических параметров двигателя осуществляется с помощью алгоритма автоматической адаптации двигателя (ААД). Его основой является виртуальная модель, по которой прибор может определить основные электрические параметры двигателя, избавив пользователя от трудных и подчас очень приблизительных расчетов. На основании данных той же модели осуществляется высокоточное бессенсорное управление двигателем по векторному алгоритму.

      Для оптимизации энергопотребления в частотниках используется усовершенствованный алгоритм управления работой силового инвертора, который строго регулирует количество и качество электрической энергии питания двигателя. Регулирование количества энергии  осуществляется путем подачи на двигатель мощности, необходимой для совершения работы при актуальной нагрузке, а качества – путем поддержания максимально возможных значений КПД и cos φ во всем диапазоне регулирования. Для этого сигналы аналоговых входов подвергаются математической обработке во встроенном регуляторе по заданной программе. При «замкнутом» или «разомкнутом» контуре процесса регулятор управляет работой силового инвертора частотника так, что обеспечивается требуемый и безаварийный режим работы двигателя в переходных процессах.

      Неотъемлимой частью системы управления частотникаявляется система диагностики и самодиагностики. Обычно в режиме  реального времени доступна  информация о режимах работы и взаимодействии функциональных узлов, о состоянии портов и датчиков, о текущих значениях параметров. В случае нарушения заданных или допустимых условий работы встроенный контроллер может выдать команду на предупреждение или отключение.

      Функционал встроенного контроллера прибора включает алгоритмы ПИ-регулирования и самодиагностики. Кроме этого, сигналы от цифровых входов, а также текущие значения параметров подвергаются логической обработке в нем по заданной программе. В зависимости от результатов решения ПЛК осуществляет выполнение и контроль режимов работы двигателя.

       

      Синхронный частотно-регулируемый привод

      В синхронном частотно регулируемом приводе применяются те же методы управления, что и в асинхронном.

      Однако в чистом виде частотное регулирование частоты вращения синхронных двигателей применяется только при малых мощностях, когда нагрузочные моменты невелики, и мала инерция приводного механизма. При больших мощностях этим условиям полностью отвечает лишь привод с вентиляторной нагрузкой. В случаях с другими типами нагрузки двигатель может выпасть из синхронизма.

      Для синхронных электроприводов большой мощности применяется метод частотного управления с самосинхронизацией, который исключает выпадение двигателя из синхронизма. Особенность метода состоит в том, что управление преобразователем частоты осуществляется в строгом соответствии с положением ротора двигателя.