Выбор и применение частотно-регулируемого электропривода

применение частотного преобразователя

Одной из тенденций в области энергосберегающих технологий последних лет является применение частотно-регулируемых приводов на основе асинхронных короткозамкнутых электродвигателей и полупроводниковых преобразователей частоты, снижающих потребление электрической энергии, повышающих степень автоматизации, удобство эксплуатации оборудования и качество технологических процессов. На производственных объектах газовой промышленности установлены десятки тысяч асинхронных электродвигателей мощностью до 500 кВт и напряжением до 1000 В. Они используются в качестве приводов вспомогательных устройств, обслуживающих основное технологические оборудование и производственные процессы, в основном это вентиляторы и насосы.

Существуют различные способы управления производительностью вентиляторов и насосов: дросселирование нагрузки, снижение единичной мощности агрегатов и увеличение их количества и т.д. Наиболее эффективным способом является регулирование скорости вращения. Применение частотно-регулируемого привода на насосах и вентиляторах позволяет обеспечить снижение потребляемой мощности на 5-30% за счет исключения в водяных и воздушных трактах дросселей и заслонок, а также улучшения технологических процессов. Наряду с этим частотно-регулируемый привод дает ряд дополнительных преимуществ:

  • экономию тепла в системах горячего водоснабжения за счет снижения потерь воды,несущей тепло;
  • возможность создавать при необходимости напор выше номинального;
  • уменьшение износа основного оборудования за счет плавных пусков, устранение гидравлических ударов, снижение напора;
  • снижение шума;
  • возможность комплексной автоматизации систем;
  • возможность оптимизации выбора оборудования и его комплектной поставки.

Структурная схема частотно-регулируемого привода с его составными элементами

1 - кабель сети, 2 - сетевые предохранители, 3 - автоматический выключатель, 4 - сетевой дроссель, 5 - фильтр радиопомех, 6 - преобразователь частоты, 7 -тормозной резистор, 8 - синус (L-R-C) фильтр, 9 - тепловое реле, 10 - кабель двигателя, 11 - асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором, 12 - заземление

Как видно из рисунка, частотно-регулируемый привод нужно рассматривать в совокупности с источником электроснабжения, коммутационными аппаратами, кабелями сети, кабелями двигателя, кабелями управления, фильтрами, заземлением, дополнительными устройствами, электродвигателем, преобразователем частоты, а также условиями их монтажа на объекте и режимами работы всего оборудования.

Выбор и согласование параметров частотно-регулируемого асинхронного электропривода

В составе частотно-регулируемого асинхронного электропривода выбор и согласование параметров преобразователя частоты и асинхронного короткозамкнутого двигателя является главным вопросом. Для выбора двигателя и преобразователя частоты нужно учитывать следующие параметры:

  • диапазон регулирования частоты вращения двигателя (для определения числа полюсов двигателя и номинальной частоты вращения двигателя);
  • нагрузочную характеристику (она определяет ограничения, связанные с охлаждением двигателя и выходом в зону ослабленного поля, т.е. на частоту вращения ротора двигателя выше его номинальной по техническим условиям на двигатель);
  • требуемый крутящий момент двигателя (он требуется для определения мощности двигателя);
  • тип и мощность преобразователя частоты, учитывая следующие особенности:
  • управление одним двигателем или группой;
  • двигатель погружной;
  • двигатель взрывозащищенный;
  • двигатель двухскоростной.

Выбор преобразователя частоты и двигателя для вентилятора/насоса обычно сводится к выполнению стандартного алгоритма.

  • Расчет требуемого крутящего момента на валу двигателя. Необходимо проверять мощность на валу с учетом момента нагрузки и условий окружающей среды. Обычно когда температура уменьшается, мощность на валу увеличивается.
  • Предварительный выбор мощности двигателя. Мощность двигателя должна быть больше мощности нагрузки.
  • Предварительный выбор мощности преобразователя частоты. Мощность преобразователя частоты выбирается так, чтобы номинальный ток двигателя был меньше или равен току на выходе преобразователя частоты.
  • Расчет момента инерции и проверка времени ускорения и замедления.
  • Окончательный выбор мощности двигателя и преобразователя частоты.

Дополнительные требования к стандартному асинхронному короткозамкнутому самовентилируемому электродвигателю при управлении от преобразователя частоты

Стандартные асинхронные короткозамкнутые самовентилируемые электродвигатели (АД) наиболее распространены в промышленности. Это обусловлено простотой их конструкции, очень высокой надежностью в эксплуатации, стандартизацией и высоким коэффициентом полезного действия. АД позволяют вносить изменения в конструкцию для удовлетворения специальному применению и различным условиям среды. Фактически они имеют только два недостатка: большой пусковой ток (5-7 Iном.) и ограниченные возможности регулирования частоты вращения.

Асинхронный двигатель общего применения сконструирован так, что оптимальная плотность электромагнитного потока у него при номинале питающего напряжения 200 В и частоте 50 Гц. Когда изменяется частота, необходимо в то же самое время и изменять напряжение питания электродвигателя. Это необходимо в случае поддержания постоянной величины скольжения. При таких условиях управление АД с изменением частоты вращения называется управлением с постоянным соотношением напряжения к частоте U/f.

Соотношение U/f - Линейное. Напряжение на двигателе растет линейно с увеличением частоты двигателя. Номинальное напряжение подается на двигатель при номинальной частоте. Линейное соотношение U/f следует использовать в электроприводах с постоянным моментом на валу (не зависящим от скорости рабочего органа).

Соотношение U/f - Квадратичное. Напряжение двигателя изменяется по квадратичной зависимости по мере возрастания частоты от 0 Гц до номинальной частоты двигателя. При этом на двигатель подается номинальное напряжение при номинальной частоте. Двигатель работает с уменьшенным магнитным потоком на частотах ниже номинальной. Он имеет меньший критический момент, чем при линейном соотношении U/f, и создает меньше шума. Квадратичное соотношение U/f используется для приводов, в которых требуемый момент пропорционален квадрату скорости. Таковыми являются центробежные вентиляторы и насосы.

Выходные токи и напряжение преобразователя частоты в отличие от стандартной сети имеют не синусоидальную форму, а пики, высшие гармоники тока и напряжения, быстрое изменение частоты и напряжения во времени. Это приводит к увеличению напряжения на изоляции двигателя, увеличиваются потери двигателя, его вибрация и шум. Так как техническим условием завода-изготовителя не предусматриваются испытания стандартного асинхронного двигателя при питании его от преобразователя частоты, появляется необходимость в проведении дополнительных проверок двигателя. Международным электротехническим комитетом, в состав которого входит Российская Федерация, принят стандарт МЭК 34-17 «Асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором, питаемые от преобразователей частоты». Первая редакция стандарта была выпущена в 1992 году, вторая в 1998 году. В первой редакции МЭК 34-17 в целях исключения негативных воздействий на двигатель, питаемый от преобразователя частоты, были введены дополнительные проверки, которые состоят из трех групп:
• 1 группа - Общая проверка двигателя при питании от преобразователя частоты;
• 2 группа - Проверка двигателя при частоте вращения ротора выше номинальной (при питании от преобразователя частоты);
• 3 третья группа - Проверка двигателя при частоте вращения ротора ниже номинальной (при питании от преобразователя частоты).

Проверки должны производиться на заводе-изготовителе электродвигателя или поставщика преобразователей частоты по требованию заказчика.

Нагрузочные характеристики электропривода

Момент сопротивления механизма характеризуется начальным статическим моментом при трогании с места и характером изменения момента сопротивления в зависимости от скорости. В общем виде для большинства вращающихся механизмов момент сопротивления Мс выражается формулой

где Мс.нач - начальный момент сопротивления вращающегося механизма (без учета момента трения покоя), н·м.; Мс.н - номинальный момент сопротивления механизма, н·м; Р - показатель степени; n - режимная частота вращения; nН - номинальная частота вращения, об/мин.

При Р = 0 момент сопротивления не зависит от частоты вращения, при Р = 2 момент сопротивления механизма вентиляторного типа изменяется пропорционально квадрату частоты вращения (числу оборотов в минуту).

Для того, чтобы сдвинуть механизм с места, нужно преодолеть момент трения покоя в подшипниках (начальный статический момент). Этот начальный момент сопротивления при трогании механизма необходимо знать для правильного выбора двигателя. Начальный момент двигателя должен быть выше начального статического момента сопротивления агрегата, иначе двигатель не сможет тронуться с места.

Начальные статические моменты составляют:

  • для вентиляторов, дымососов и центробежных насосов от 0,05 до 0,36 номинального момента сопротивления;
  • для поршневых компрессоров от 0,13 до 0,36 номинального момента сопротивления;
  • для турбокомпрессоров 0,13 номинального момента сопротивления.

Момент сопротивления центробежных насосов в зависимости от величины статического давления (высоты подачи или противодавления) изменяется пропорционально частоте вращения во второй или более высокой степени.

Настройка преобразователя частоты под характеристику нагрузочного момента

Минимальная частота, при которой напряжение двигателя достигает максимальной величины, называется базовой частотой.

Максимальная частота - это наибольшая возможная частота (50, 60, 120 или 400 Гц), которая может быть на выходе преобразователя частоты.

Оптимальная характеристика отношения напряжения к частоте (U/f) может быть выбрана в соответствии с характеристикой момента нагрузкиВыбор и применение частотно-регулируемого электропривода.

Одной из тенденций в области энергосберегающих технологий последних лет является применение частотно-регулируемых приводов на основе асинхронных короткозамкнутых электродвигателей и полупроводниковых преобразователей частоты, снижающих потребление электрической энергии, повышающих степень автоматизации, удобство эксплуатации оборудования и качество технологических процессов. На производственных объектах газовой промышленности установлены десятки тысяч асинхронных электродвигателей мощностью до 500 кВт и напряжением до 1000 В. Они используются в качестве приводов вспомогательных устройств, обслуживающих основное технологические оборудование и производственные процессы, в основном это вентиляторы и насосы.

Существуют различные способы управления производительностью вентиляторов и насосов: дросселирование нагрузки, снижение единичной мощности агрегатов и увеличение их количества и т.д. Наиболее эффективным способом является регулирование скорости вращения. Применение частотно-регулируемого привода на насосах и вентиляторах позволяет обеспечить снижение потребляемой мощности на 5-30% за счет исключения в водяных и воздушных трактах дросселей и заслонок, а также улучшения технологических процессов. Наряду с этим частотно-регулируемый привод дает ряд дополнительных преимуществ:

  • экономию тепла в системах горячего водоснабжения за счет снижения потерь воды,несущей тепло;
  • возможность создавать при необходимости напор выше номинального;
  • уменьшение износа основного оборудования за счет плавных пусков, устранение гидравлических ударов, снижение напора;
  • снижение шума;
  • возможность комплексной автоматизации систем;
  • возможность оптимизации выбора оборудования и его комплектной поставки.

Структурная схема частотно-регулируемого привода с его составными элементами

1 - кабель сети, 2 - сетевые предохранители, 3 - автоматический выключатель, 4 - сетевой дроссель, 5 - фильтр радиопомех, 6 - преобразователь частоты, 7 -тормозной резистор, 8 - синус (L-R-C) фильтр, 9 - тепловое реле, 10 - кабель двигателя, 11 - асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором, 12 - заземление

Как видно из рисунка, частотно-регулируемый привод нужно рассматривать в совокупности с источником электроснабжения, коммутационными аппаратами, кабелями сети, кабелями двигателя, кабелями управления, фильтрами, заземлением, дополнительными устройствами, электродвигателем, преобразователем частоты, а также условиями их монтажа на объекте и режимами работы всего оборудования.

Выбор и согласование параметров частотно-регулируемого асинхронного электропривода

В составе частотно-регулируемого асинхронного электропривода выбор и согласование параметров преобразователя частоты и асинхронного короткозамкнутого двигателя является главным вопросом. Для выбора двигателя и преобразователя частоты нужно учитывать следующие параметры:

  • диапазон регулирования частоты вращения двигателя (для определения числа полюсов двигателя и номинальной частоты вращения двигателя);
  • нагрузочную характеристику (она определяет ограничения, связанные с охлаждением двигателя и выходом в зону ослабленного поля, т.е. на частоту вращения ротора двигателя выше его номинальной по техническим условиям на двигатель);
  • требуемый крутящий момент двигателя (он требуется для определения мощности двигателя);
  • тип и мощность преобразователя частоты, учитывая следующие особенности:
  • управление одним двигателем или группой;
  • двигатель погружной;
  • двигатель взрывозащищенный;
  • двигатель двухскоростной.

Выбор преобразователя частоты и двигателя для вентилятора/насоса обычно сводится к выполнению стандартного алгоритма.

  • Расчет требуемого крутящего момента на валу двигателя. Необходимо проверять мощность на валу с учетом момента нагрузки и условий окружающей среды. Обычно когда температура уменьшается, мощность на валу увеличивается.
  • Предварительный выбор мощности двигателя. Мощность двигателя должна быть больше мощности нагрузки.
  • Предварительный выбор мощности преобразователя частоты. Мощность преобразователя частоты выбирается так, чтобы номинальный ток двигателя был меньше или равен току на выходе преобразователя частоты.
  • Расчет момента инерции и проверка времени ускорения и замедления.
  • Окончательный выбор мощности двигателя и преобразователя частоты.

Дополнительные требования к стандартному асинхронному короткозамкнутому самовентилируемому электродвигателю при управлении от преобразователя частоты

Стандартные асинхронные короткозамкнутые самовентилируемые электродвигатели (АД) наиболее распространены в промышленности. Это обусловлено простотой их конструкции, очень высокой надежностью в эксплуатации, стандартизацией и высоким коэффициентом полезного действия. АД позволяют вносить изменения в конструкцию для удовлетворения специальному применению и различным условиям среды. Фактически они имеют только два недостатка: большой пусковой ток (5-7 Iном.) и ограниченные возможности регулирования частоты вращения.

Асинхронный двигатель общего применения сконструирован так, что оптимальная плотность электромагнитного потока у него при номинале питающего напряжения 200 В и частоте 50 Гц. Когда изменяется частота, необходимо в то же самое время и изменять напряжение питания электродвигателя. Это необходимо в случае поддержания постоянной величины скольжения. При таких условиях управление АД с изменением частоты вращения называется управлением с постоянным соотношением напряжения к частоте U/f.

Соотношение U/f - Линейное. Напряжение на двигателе растет линейно с увеличением частоты двигателя. Номинальное напряжение подается на двигатель при номинальной частоте. Линейное соотношение U/f следует использовать в электроприводах с постоянным моментом на валу (не зависящим от скорости рабочего органа).

Соотношение U/f - Квадратичное. Напряжение двигателя изменяется по квадратичной зависимости по мере возрастания частоты от 0 Гц до номинальной частоты двигателя. При этом на двигатель подается номинальное напряжение при номинальной частоте. Двигатель работает с уменьшенным магнитным потоком на частотах ниже номинальной. Он имеет меньший критический момент, чем при линейном соотношении U/f, и создает меньше шума. Квадратичное соотношение U/f используется для приводов, в которых требуемый момент пропорционален квадрату скорости. Таковыми являются центробежные вентиляторы и насосы.

Выходные токи и напряжение преобразователя частоты в отличие от стандартной сети имеют не синусоидальную форму, а пики, высшие гармоники тока и напряжения, быстрое изменение частоты и напряжения во времени. Это приводит к увеличению напряжения на изоляции двигателя, увеличиваются потери двигателя, его вибрация и шум. Так как техническим условием завода-изготовителя не предусматриваются испытания стандартного асинхронного двигателя при питании его от преобразователя частоты, появляется необходимость в проведении дополнительных проверок двигателя. Международным электротехническим комитетом, в состав которого входит Российская Федерация, принят стандарт МЭК 34-17 «Асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором, питаемые от преобразователей частоты». Первая редакция стандарта была выпущена в 1992 году, вторая в 1998 году. В первой редакции МЭК 34-17 в целях исключения негативных воздействий на двигатель, питаемый от преобразователя частоты, были введены дополнительные проверки, которые состоят из трех групп:
• 1 группа - Общая проверка двигателя при питании от преобразователя частоты;
• 2 группа - Проверка двигателя при частоте вращения ротора выше номинальной (при питании от преобразователя частоты);
• 3 третья группа - Проверка двигателя при частоте вращения ротора ниже номинальной (при питании от преобразователя частоты).

Проверки должны производиться на заводе-изготовителе электродвигателя или поставщика преобразователей частоты по требованию заказчика.

Нагрузочные характеристики электропривода

Момент сопротивления механизма характеризуется начальным статическим моментом при трогании с места и характером изменения момента сопротивления в зависимости от скорости. В общем виде для большинства вращающихся механизмов момент сопротивления Мс выражается формулой

где Мс.нач - начальный момент сопротивления вращающегося механизма (без учета момента трения покоя), н·м.; Мс.н - номинальный момент сопротивления механизма, н·м; Р - показатель степени; n - режимная частота вращения; nН - номинальная частота вращения, об/мин.

При Р = 0 момент сопротивления не зависит от частоты вращения, при Р = 2 момент сопротивления механизма вентиляторного типа изменяется пропорционально квадрату частоты вращения (числу оборотов в минуту).

Для того, чтобы сдвинуть механизм с места, нужно преодолеть момент трения покоя в подшипниках (начальный статический момент). Этот начальный момент сопротивления при трогании механизма необходимо знать для правильного выбора двигателя. Начальный момент двигателя должен быть выше начального статического момента сопротивления агрегата, иначе двигатель не сможет тронуться с места.

Начальные статические моменты составляют:

  • для вентиляторов, дымососов и центробежных насосов от 0,05 до 0,36 номинального момента сопротивления;
  • для поршневых компрессоров от 0,13 до 0,36 номинального момента сопротивления;
  • для турбокомпрессоров 0,13 номинального момента сопротивления.

Момент сопротивления центробежных насосов в зависимости от величины статического давления (высоты подачи или противодавления) изменяется пропорционально частоте вращения во второй или более высокой степен. Частотный преобразователь для двигателя купить легче, чем новый двигатель, помимо долговечности, от использования частотников очень резко уменьшается расходы на электроэнергию и обслуживание.

Частотно-регулируемый привод

Обзор ЧРП на КС-10

Многочисленные исследования и опыт эксплуатации показывают, что немалый энерго- и ресурсосберегающий эффект для различных промышленных установок позволяет получить использование частотно-регулируемый электропривод (ЧРП). ЧРП базируется на преобразователях частоты (ПЧ) и асинхронных двигателях, являющихся приводами технологического оборудования (насосы, вентиляторы, компрессоры и т.п.)

В настоящее время в Сосногорском линейно-производственном управлении магистральными газопроводами (компрессорная станция №10) ООО «Севергазпром» установлены станции управления (СУ) частотным электроприводом насосных агрегатов СУ-ЧЭ-33-А-250 и СУ-ЧЭ-222-А-315-160 на теплофикационных насосных станциях ТНС-1 и ТНС-2, на подпиточном узле котельной ТОК; в процессе монтажных работ на насосных станциях 2-го и 3-го подъема, канализационной насосной станции КНС. Важнейшим показателем работы ЧРП является стабилизация рабочих характеристик теплофикационного оборудования, свидетельствующая о продлении срока службы и повышении надежности всех элементов системы тепловодоснабжения. Внедрение ЧРП на ТНС позволило снизить затраты электроэнергию на 30% и на 12% количество воды, необходимых для поддержания заданных параметров теплоносителя.

Станции управления предназначены для автоматического и ручного управления группой насосных агрегатов с асинхронными электродвигателями работающих в системе водоснабжения. СУ обеспечивает работу любого насоса от ПЧ в функции регулирования, и в нерегулируемом режиме с возможностью запуска электродвигателя от устройства плавного пуска (УПП) или непосредственно от сети [1]. СУ-ЧЭ работает под управлением встроенного программируемого контроллера, осуществляющего управление, контроль над работой насосов, преобразователя частоты, устройства плавного пуска, коммутационной аппаратурой.

Управление ПЧ осуществляется по скалярному принципу, основной задачей которого является формирование фазных напряжений на основании заданных значений амплитуды и частоты, получаемых путем широтно-импульсной модуляции (ШИМ) инвертора, огибающие которых представляют собой трехфазное напряжение для питания асинхронного электродвигателя. Данный принцип является наиболее простым способом реализации частотного управления и благодаря относительно низкой стоимости широко используется для привода механизмов, не предъявляющих высоких требований к качеству регулирования скорости.

СУ-ЧЭ представляют собой комплект оборудования, обеспечивающего функции: контроля над работой привода, защиты подключаемых электродвигателей, автоматического чередования электродвигателей через заданные интервалы времени для их равномерной загрузки, переключения на резервный агрегат при аварии рабочего насоса, возможности работы двигателей от сети при аварии УПП или преобразователя частоты, запуска и остановки насосных агрегатов в режиме автоматического и ручного управления.

Комплектующие станции управления:

  • преобразователь частоты, обеспечивающий плавный пуск и останов, а также управление любым электродвигателем станции в функции выбранной технологической переменной;
  • устройство плавного пуска, обеспечивающее плавный пуск любого электродвигателя;
  • программируемый логический контроллер, осуществляющий получение и обработку информации, выдачу управляющих воздействий на ПЧ, УПП, электроприводные задвижки и насосные агрегаты;
  • панель управления и сигнализации, обеспечивающая возможность ручного и автоматического управления насосными агрегатами, визуальный контроль нормальных и аварийных режимов работы станции в целом и каждого насосного агрегата в отдельности;
  • пусковая аппаратура, осуществляющая подключение выбранного насосного агрегата к ПЧ, УПП или непосредственно к питающей сети.

Исходя из теории автоматического управления, работа станции основывается на принципе взаимозависимого контроля и управления технологическими параметрами (давление Р, расход Q) трубопроводной сети (рисунок 1). В этой динамической системе осуществляется коррекция регулируемых координат Р и Q между собой для выдачи управляющих сигналов на объекты управления (преобразователь частоты, устройство плавного пуска, насосные агрегаты, электроприводные задвижки, трубопроводная сеть). Для получения качественной регулируемой модели использованы отрицательные обратные связи по расходу и давлению. В качестве регуляторов должны быть использованы П- и ПИ-регуляторы для изменения выходных координат насосных агрегатов. Так как в логический контроллер в заводской конфигурации встроен типовой ПИД-регулятор, то И- и Д-каналы необходимо обнулять.

Эффективность ЧРП на примере СУ-ЧЭ-33-А-250 ТНС-1

Технико-экономические показатели эффективности работы частотно-регулируемого электропривода можно разбить на две группы:

1. Экономическая группа:

  • практическая экономия (экономия электроэнергии, воды, реагентов химводопод-готовки);
  • косвенная экономия (уменьшение вероятности аварий теплофикационного оборудования, увеличение интервалов капитальных ремонтов оборудования, снижение стоимости ремонтно-восстановительных и профилактических работ);

2. Эксплуатационно-техническая группа:

  • плавный пуск насосов (отсутствие гидроударов в трубопроводе);
  • КПД электродвигателя во всем диапазоне регулирования максимально соответствует коэффициенту полезного действия электродвигателя в номинальном режиме;
  • высокая надежность работы насосных агрегатов в различных режимах эксплуатации;
  • автоматизация и дистанционный контроль;
  • высокий пусковой момент (МПУСК);
  • электрическая и тепловая защита электродвигателя;
  • снижение шума работы двигателя на 30-50 дБ.

Нормативно-технической базой для обоснования экономической эффективности является «Частная методика расчета технико-экономической эффективности частотно-регулируемого электропривода насосных агрегатов систем тепловодоснабжения для ООО «Севергазпром», основанная на таких нормативных документах, как:

  • Инструкция по расчету экономической эффективности применения частотно-регулируемого электропривода. Министерство топлива и энергетики РФ;
  • ВРД 39-1.10-052-2001. Методические указания по выбору и применению асинхронного частотно-регулируемого привода мощностью до 500 кВт. ОАО «Газпром» (Управление энергетики);
  • ГОСТ 13109-97. Совместимость технических средств электромагнитная. «Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения»;
  • Рекомендации американского научно-исследовательского института электричества EPRI (Electric Power Research Institute).

Для определения экономической эффективности внедрения частотно-регулируемого привода ТНС-1 Сосногорского ЛПУ МГ необходимо провести анализ-сравнение энергетических показателей работы насосного агрегата с частотным регулированием и без него.

При эксплуатации насосного оборудования в стандартных условиях напор и расход изменяется дросселированием запорной арматуры, создавая дополнительное гидравлическое сопротивление в трубопроводной сети. Дроссельная задвижка оказывает сопротивление движущемуся потоку жидкости, таким образом, часть энергии рассеивается на задвижке. Используя характеристики насоса несложно построить зависимость изменения мощности потребляемой электродвигателем в отношении расхода, создаваемого насосным агрегатом. В насосных агрегатах часто используют частотные преобразователи Delta

Управление однофазным двигателем

Три способа управления однофазными асинхронными двигателями

  • Однофазным частотным преобразователем с выходом 1 фаза 220 В (вариант 1)
  • Однофазным частотным преобразователем с выходом 3 фазы 220 В (вариант 2)
  • Тиристорным регулятором напряжения (вариант 3)

Каждый день инженеры проектируют системы, в которых используются асинхронные двигатели с однофазным питанием. В свою очередь, управление скоростью однофазных двигателей желательно в большинстве применений, так как это не только обеспечивает требуемую скорость, но и уменьшает потребление электроэнергии, и снижает уровень акустического шума.

Большинство серийно выпускаемых однофазных двигателей не реверсивные, т.е. они разработаны, чтобы вращаться только в одном направлении. Изменить направление их вращения можно только с помощью дополнительных средств: добавочной обмотки, внешних реле и переключателей, механического редуктора и т.д. Так же, если позволяет конструкция двигателя, реверсировать его можно с помощью преобразователей для регулировки скорости.

Существует множество разновидностей асинхронных двигателей с однофазным питанием. Конструкция и принцип их действия подробно описаны в литературе по электромеханике. Наиболее распространенным типом является двигатель с двумя статорными обмотками, одна из которых имеет в своей цепи постоянно-включенный рабочий конденсатор, который обеспечивает сдвиг тока в обмотках на 90 электрических градусов для образования вращающегося магнитного поля. Такой двигатель называется конденсаторным. О нем и пойдет речь в данной статье.

Основным способом плавной регулировки скорости конденсаторного однофазного двигателя является частотный метод, реализуемый с помощью трехфазных или однофазных ШИМ-инверторов (преобразователи частоты), а также метод фазовой регулировки напряжения с помощью тиристорных регуляторов мощности. Рассмотрим эти методы подробнее.

Вариант 1. V/F управление с помощью однофазного ШИМ-инвертора

image

На выходе инвертора, состоящего из четырех IGBT-транзисторов (рис.1), формируется однофазное напряжение с переменной частотой и среднеквадратичным значением с линейной зависимостью V/F (вольт-частотная характеристика). За счет конденсатора в обмотке двигателя получается поле, близкое к круговому. Данный способ управления реализуется с помощью специализированных преобразователей частоты, которые разработаны исключительно для управления однофазными двигателями. В них, как правило реализованы специальные алгоритмы, управления двигателем, обеспечивающие устойчивый пуск и стабильную работу в заявленном диапазоне частот.

Регулировать частоту можно, как вниз, так и вверх от номинальной, но в отличие от частотно-регулируемых трехфазных приводов, диапазон регулирования однофазного двигателя меньше. Оно, как правило, не превышает 1:10, за счет того, что емкостное сопротивление напрямую зависит от частоты.

К основным достоинствам данного метода управления можно отнести: 1) простоту ввода в эксплуатацию, т.к. не требуется конструктивных изменений двигателя; 2) гарантированно надежную и устойчивую работу, так как частотный преобразователь специально разработан для таких двигателей и в нем учтены все особенности их эксплуатации; 3) хорошие характеристики управления и возможности, присущие большинству преобразователей частоты (аналоговые и дискретные входы/выходы, ПИД-регулятор, предустановленные скорости, коммуникационные интерфейсы, защитные функции, и т.д.).

К недостаткам относится: 1) только однонаправленное вращение (невозможность без внешних коммутирующих устройств реверсировать двигатель); 2) достаточно высокая стоимость частотных преобразователей для однофазных двигателей, так как в них используются IGBT-модули со значительным запасом по току (например, в однофазном частотнике мощностью 1.1кВт используется IGBT-модуль такой же как в трехфазном на 2.2кВт) и из-за ограниченности предложения на рынке.

Вариант 2. V/F управление с помощью трехфазного ШИМ-инвертора

image

В данном случае используется стандартный преобразователь частоты с мостовой схемой IGBT-транзисторов (рис.2), формируемый на выходе трехфазное напряжение с фазовым сдвигом на 120 градусов. Обе обмотки однофазного двигателя и их средняя точка подключаются ко трем выходным фазам инвертора. Конденсатор, при этом, из схемы должен быть исключен. Так как обмотки геометрически сдвинуты на 90 градусов , а напряжение, прикладываемое к ним – на 120 электрических градусов, то полученное поле не будет круговым, и как следствие, момент будет пульсирующим. Причем среднее его значение за период будет меньше (рис.2), чем в случае питания от напряжений со сдвигом 90 гадусов.

При схеме подключения на рис.2 действующее напряжение на главной обмотке (Vгл) будет равно разности напряжений фаз A и C, а напряжение на дополнительной обмотке (Vдоп) = Vb-Vc. Изменяя порядок коммутации IGBT-транзисторов, можно легко изменять чередование напряжение на обмотках, а следовательно и направление вращения двигателя (рис.3) без каких-либо дополнительных аппаратных средств.

Здесь стоит отметить, что не любой преобразователь частоты подойдет для управления однофазным двигателем, так как токи в фазах будут не симметричны, и в случае наличия защиты от асимметрии выходных фаз, работа преобразователя будет блокироваться. Как впрочем, и не любой конденсаторный двигатель подойдет для данного способа, так как у некоторых типов двигателей весьма затруднительно или невозможно убрать емкость из дополнительной обмотки, и дополнительная обмотка как правило выполнена более тонким проводом, что при отсутствии конденсатора может привести к её перегреву и межвитковому замыканию.

Иногда на свой страх и риск используют подключение однофазного двигателя с конденсатором к трехфазному инвертору, что большинством производителей частотных преобразователей запрещено. В этом случае надо выбирать частотник со значительным запасом по току по отношению к двигателю, в частотнике не должно быть защиты от обрыва/перекоса выходных фаз, и надо помнить, что при определенной частоте может возникнуть электрический резонанс в контуре конденсатор-обмотка двигателя, что приведет к его повреждению.

Итак, достоинствами метода являются: 1) доступность на рынке и достаточно низкая цена преобразователей частоты с трехфазным выходом; 2) возможность реверсивной работы; 3) хороший диапазон регулирования скорости и возможности, присущие большинству преобразователей частоты (аналоговые и дискретные входы/выходы, ПИД-регулятор, предустановленные скорости, коммуникационные интерфейсы, защитные функции, и т.д.).

Недостатки метода: 1) пониженный и пульсирующий момент двигателя, повышенный его нагрев; 2) не все преобразователи частоты и конденсаторные двигатели годятся для данного метода, требуется предварительный анализ характеристик преобразователя и конструкции двигателя. К тому же, большинство производителей частотных преобразователей в своих инструкциях запрещают подключение однофазных двигателей, и в случае поломки могут снять с изделия свои гарантийные обязательства.

Вариант 3. Фазовая регулировка напряжения с помощью тиристорного регулятора

image

Отсутствие до недавнего времени доступного и качественного преобразователя частоты для однофазных двигателей приводило к поиску других решений, одно из которых - изменение напряжения статора при неизменной его частоте.

На выходе тиристорного регулятора, состоящего из двух, включенных встречно-параллельно тиристоров (рис.4), формируется однофазное напряжение с постоянной частотой и регулируемым среднеквадратичным значением за счет изменения угла (альфа) открывния тиристоров.

Критический момент при таком регулировании будет снижаться пропорционально напряжению, критическое скольжение в останется неизменным.

Проведём оценку метода.
1) Регулирование однозонное – только вниз от основной скорости.
2) Диапазон регулирования в разомкнутом контуре, примерно, 2:1; стабильность скорости удовлетворительная; плавность высокая.
3) Допустимая нагрузка резко снижается с уменьшением скорости.
4) Рассмотренный способ регулирования неэффективен для использования в продолжительном режиме. Даже для самой благоприятной нагрузке - вентиляторной необходимо двух-трехкратное завышение установленной мощности двигателя, интенсивный внешний обдув, так как, допустим, если двигатель вращается 750 об/мин (когда синхронная частота 1500) - скольжение 0,5, и 0,5 мощности идет в нагрузку, а 0,5 - греет ротор (не считая других потерь).
5) Тиристорный регулятор - простое устройство в 3-4 раза более дешевое, чем преобразователь частоты, и именно эта особенность системы регулировки скорости напряжением приводила в ряде случаев к её неоправданному применению.

Заключение

Все три способа имеют право на существование, только выбор одного из них нужно делать исходя из конкретной прикладной задачи.

Частотные преобразователи Hyundai