Частотно-регулируемые приводы и устройства плавного пуска: грамотный подход к выбору необходимого оборудования

Применение частотных преобразователей для регулирования приводов тягодутьевых вентиляторов

Частотные преобразователи – устройства для плавного пуска, разгона и регулировки частоты вращения и момента на валу электродвигателя. Принцип их действия основан на влиянии частоты переменного напряжения, подаваемого на обмотки электрической машины, на скорость вращения вала. ПЧ трансформируют напряжение 50 Гц в напряжение большей или меньшей частоты. Коэффициент полезного действия частотных преобразователей составляет более 95 %. Эти электротехнические устройства потребляют около 1-2 % мощности, подаваемой на электродвигатель.

Кроме регулировки угловой скорости и момента, ПЧ позволяют реализовать практически любую схему управления с обратной связью по нескольким характеристикам, выполняют функции защиты от ненормальных режимов. Встроенные контроллеры также обеспечивают обмен данными с ПК и другими устройствами управления.

При прямом запуске асинхронных двигателей возникают пусковые токи, в несколько раз превышающие номинальную величину. Момент на валу двигателя при протекании переходных процессов достаточно мал. Значительный момент инерции тягодутьевых вентиляторов также вызывает значительные перегрузки, которые могут привести к перегоранию обмоток.

При подаче напряжения низкой частоты, индуктивное сопротивление электродвигателя снижается, что делает возможным увеличение тока, подаваемого на обмотки. Пусковой момент на валу достигает 200% от номинала, это позволяет преодолеть инерцию без сильных перегрузок по току.

Таким образом, частотно-регулируемый привод решает проблему перегрузок при пуске дутьевых вентиляторов и дымососов. Управление пуском и разгоном двигателя осуществляется согласно заданному алгоритму. Настройки ПЧ выбирают по параметрам тягодутьевой системы котла.

При раскручивании вентилятора дымососа естественной тягой и запуске двигателя также возникают значительные токовые перегрузки. Ток в обмотках электрической машины возрастает при расхождении скорости вращения вала и магнитного поля. Частотные преобразователи осуществляют динамическое торможение электродвигателей. При этом используется 2 метода:

• Торможение постоянным током.
• Сменой порядка фаз на обмотках.

Первый способ состоит в подаче постоянного напряжения на электродвигатель. Частотный преобразователь с ШИМ-модулятором позволяет создавать тормозной момент до 20% от номинального момента электродвигателя. Это достаточно для остановки вращения вентилятора, раскрученного естественной тягой. При этом двигатель начинает работать в режиме генератора. Кинетическая энергия преобразуется в электрическую, рассеивается на обмотках ротора и поступает на звено постоянного тока частотного преобразователя. Для защиты конденсаторов они шунтируются тормозным резистором. Добавочное сопротивление управляется силовым выключателем и включается в цепь только в режиме торможения. Выбор резистора делается исходя из режима работы двигателя, его характеристик, параметров ПЧ. Значение сопротивления указывается в паспорте преобразователя частоты.

При динамическом торможении противовключением изменяют порядок фаз, подключаемых к обмоткам двигателя. Вал начинает вращаться против направления возникающего магнитного поля и постепенно останавливается. Для ограничения токов в обмотки ротора включают добавочные сопротивления.

Применение таких способов управления торможением позволяет отказаться от тормозных колодок и других механических устройств.

3.2. Условия регулирования параллельной группы насосов

При больших расходах воды в тепловой сети мощности одного насоса недостаточно и на источниках тепла, как правило, устанавливают несколько насосов, работающих параллельно. Установка нескольких насосов требуется также по условиям надежности теплоснабжения.

Регулирование режима работы насосной группы при этом также должно осуществляться по располагаемому напору или по давлению на напорном коллекторе насосной станции одним из рассматриваемых выше способов.

При регулировании группы насосов следует учитывать обеспечение условий надежности работы системы и, в частности, работы насосов в условиях регулирования. С этой точки зрения следует различать реализацию способов регулирования по месту установки регулирующего органа и характеру его воздействия на работу насосов в сети. Так возможны две схемы реализации рассматриваемых способов регулирования. При первом из них регулирующее воздействие производится по суммарному потоку воды в напорных трубопроводах насосной группы. При втором — регулирующее воздействие осуществляется на одном из насосов, другие насосы несут базовую нагрузку.

Использование дросселирования общего расхода воды после насосной группы требует повышенного качества регуляторов и регулирующих клапанов, устанавливаемых на основном напорном трубопроводе, поскольку выход из строя такого регулятора может привести к недопустимым гидравлическим режимам в присоединенной системе, обусловленным неправильной работой регулятора. В этом смысле более предпочтительным является использование регулирования рециркуляцией, при которой регулирующий клапан устанавливается на перепускной линии, и при выходе регулятора из строя может быть отключен с переводом насосной группы на ручное регулирование.

Организация частотного регулирования также может осуществляться целиком для насосной группы. При этом изменение частоты производится одновременно у электродвигателей всех насосов. Для такой схемы регулирования выход из строя частотного регулятора или сбои в программном обеспечении регулирующего контроллера приводят к нарушению гидравлического режима присоединенной цирксистемы.

Режимы работы и затраты электроэнергии на перекачку при указанных выше условиях мало отличаются от аналогичных показателей для одного насоса при каждом способе регулирования. Однако определение режимных показателей в системе насос-сеть будет производиться по суммарной характеристике насосов, построенной для параллельного их подключения. Затраты электроэнергии будут суммироваться по всем работающим насосам с равномерным распределением расходов воды по агрегатам. Основной сложностью при этом будет являться определение количества работающих насосов, которое может меняться при существенном изменении расходов воды в присоединенной сети.

При организации регулирования с использованием для этих целей по одному из насосов в группе, когда регулятор давления устанавливается только на регулируемый насос или только этот насос оснащается регулятором ЧРП, а остальные насосы обеспечивают базовую нагрузку, надежность работы системы повышается за счет возможности перехода на ручное регулирование. При этом в насосной группе может быть предусмотрено по два регулируемых насоса, которые обеспечивают их взаимное резервирование, что еще больше повышает надежность обеспечения гидравлических режимов системы.

В этом случае определение режимных показателей и расчет затрат мощности существенно осложняется и может быть произведен путем разработки режимных карт загрузки оборудования, в которых в табличном виде представлены состав и состояние насосного оборудования по потребляемому току в зависимости от расходов воды через насосную группу. Методика составления режимных карт, используемые для этого подходы и требуемые исходные данные при различных способах регулирования приведена в .

Преобразователь частоты однофазный

Компактное устройство преобразования частоты служит для управления однофазными электродвигателями для оборудования бытового предназначения. Большинство частотных преобразователей обладает следующими конструктивными возможностями:

1. Большинство моделей использует в своей конструкции новейшие технологии векторного управления.
2. Они обеспечивают улучшенный вращающий момент однофазного двигателя.
3. Энергосбережение введено в автоматический режим.
4. Некоторые модели частотных преобразователей используют съемный пульт управления.
5. Встроенный PLC контроллер (он незаменим для создания устройств сбора и передачи данных, для создания систем телеметрии, объединяет устройства с различными протоколами и интерфейсами связи в общую сеть).
6. Встроенный ПИД регулятор (контролирует и регулирует температуру, давление и технологические процессы).
7. Напряжение выхода регулируется в автоматическом режиме.

Рис.№7. Современный преобразователь Optidrive с основными функциональными особенностями.

Частотный преобразователь не служит для двойного преобразования напряжения, благодаря наличию в конструкции ШИМ-регулятора, он может поднять величину напряжения не более чем на 10%.

Главная задача однофазного преобразователя частоты – обеспечить питание как одно- так и трехфазного электродвигателя. В этом случае ток двигателя будет соответствовать параметрам подключения от трехфазной сети, и оставаться постоянным

Приборы для автоматического контроля

Чтобы осуществлять контроль над работой насосного оборудования, в систему водоснабжения, внедряются различные приборы. Что это за датчики, и каковы их функции?

Ознакомиться с их перечнем вам поможет небольшая инструкция, приведённая ниже:

Данные приборы чётко фиксируют любые изменения, происходящие в работающей системе. Чтобы их легче было отслеживать, режим работы насоса, либо насосной установки, включающей в себя несколько насосов, должен непрерывно регулироваться. Вот для этого и нужен частотный преобразователь.

Блок управления насосом (инвертор)

Электродвигатель насоса подключается через него, что позволяет привести в соответствие работу всей сети. Это особенно ценно для систем, в которых используется несколько насосов.

Для автономных водопроводов это тоже не редкость. Допустим, в случае большой удалённости скважины от дома, в сеть приходится внедрять ещё и повысительную насосную станцию.

В таких случаях, используют прибор, который называется: «инверторный блок управления для скважинного насоса» — именно его вы видите на фото сверху. Инвертор объединяет в себе различные комбинации контрольных приборов, которыми не оснащён сам насос, и в том числе, имеет встроенный преобразователь частот.

Достоинства частотных преобразователей в системе водоснабжения

Плюсов несколько:

Не нужен большой гидроаккумулятор. Это экономия пространства и денежных средств.
Частотный преобразователь делает водоснабжение комфортным. Вы получаете постоянное давление в системе независимо от того, сколько кранов вы открыли. Бывает так, что на первом этаже открыли душ, на втором срабатывает стиральная машина. При этом человека обдает кипятком, либо холодной водой, так как разность горячей и холодной воды обуславливается разностью давления в 0,5 атмосферы. Это чувствительно при приеме душа. В нашем случае это не зависимо, сколько человек пользуется водой, давление в системе остается постоянным.
Экономия электроэнергии

Это также очень важно. Преобразователь частоты стоит не дешево, но экономия от его использования окупается через два года.
Преобразователь защищает насос

Если в системе закончится вода, то преобразователь отключится, тем самым предотвратит сгорание насоса. Если в насосе заклинят рабочие колеса, он также выключится. Если в системе есть утечки, он будет несколько раз перезапускаться, потом отключится, так как наличие утечек может повредить насос. В частотнике предусмотрена защита от перенапряжения. Если напряжение высокое, он просто не запустится. При очень низком напряжении преобразователь тоже не запустит насос, так как двигатель может выйти из строя. Также частотник имеет защиту по току. Часто бывает, что на вал двигателя могут намотаться посторонние предметы, или попасть песок, который будет подклинивать рабочие колеса. В этом случае ток в обмотке двигателя будет расти, но тепловая защита еще не сработает, частотник также отключит насос, чтобы можно было провести чистку насоса. Обычные средства защиты не спасают от повышенного тока, потому что тепловая защита рассчитана на максимальный ток. А когда номинальный ток повышается на 20%, это незаметно, но происходит медленное убивание мотора насоса. Повышенный ток приводит к расслоению обмоток двигателя, лака на них, постепенно обмотка сгорает. Потребитель заметит этот процесс только через 2-3 месяца.

Частотник обладает большим комфортом. Его использование в частном доме позволяет получить полноценный водопровод с постоянным давлением. Занимает малые габариты, экономит электроэнергию

Это немаловажно, так как насосы обычно имеют большую мощность, 1,5 – 2 кВт. На преобразователи дается гарантия от 1 до 2-х лет заводом производителем

Автоматизация насоса с разгоном и автоподдержкой давления

Мотор подключается к клеммам частотника. При нажатии кнопки «пуск» реле срабатывает, подключает частотник, дает возможность плавной работы по заданной программе. В аварийном положении частотника или мотора цепь замыкается, включает реле, которое отключает выход частотника. Снова включить схему защита позволит только при устранении поломки и нажатии сброса блокировки.

Датчик давления соединен с входом частотника, создавая обратную связь в уравновешивании давления. Работа стабилизации контролируется регулятором частотника. Нужное давление устанавливается потенциометром с помощью пульта частотника. При аварии горят индикаторные лампы. Шкаф с устройством управления подогревается специальными нагревателями, которые включаются от термореле. От коротких замыканий защищает автоматический выключатель.

Автоматизация водоснабжения считается в техническом развитии важнейшим аспектом. Это нашло свою актуальность не только на крупных станциях водоснабжения. Насосы с приборами автоматики создают комфортную работу отдельных водопроводов. Для организации такого водопровода необходимо рассчитать скважинный насос, подобрать по результатам расчета преобразователь частоты.

Преобразователь частоты и водоснабжение

На схеме изображен процесс автоматизации погружного насоса, с обратным клапаном, расходомером. Управление работой водоснабжения выполняется по следующему сценарию. Если насос выключен, а давление снижается до минимального значения, датчик сигнализирует на запуск насоса. Привод запускается медленным повышением частоты тока мотора. Когда обороты привода насоса достигают необходимого значения, помпа выходит на нормальный режим. Частотник программируется для создания необходимого ускорения помпы. Использование привода насосов с регулированием дает возможность создать водоснабжение с прямотоком, с автоподдержанием давления.

Функции, обеспечиваемые блоком управления и частотником:

• Плавный разгон и замедление насоса.
• Автоуправление.
• Блокировку сухого хода.
• Автоотключение насоса при отсутствии одной фазы, малом напряжении, аварийной ситуации.
• Блокировка от чрезмерного напряжения на частотнике.
• Сигнализация об аварии, работе насоса.
• Поддержание рабочей температуры в холодное время.

Модели преобразователей для насоса

Преобразователи, выпускаемые компанией, расположенной в Дании и производящей насосы. Как следствие, эти частотники спроектированы в максимальном соответствии с конструкцией моделей насоса от Грундфос. Прибор отвечает за тонкую регуляцию работы всего механизма, выполнение предохраняющих и управляющих функций. Преобразователи системы Cue отличаются разнообразием высококачественных моделей (более 15-ти видов в ассортименте), однако стоимость у них соответствующая. Кроме того цена напрямую зависит от того, для механизма какой мощности требуется преобразователь частоты. Среди спектра моделей можно найти преобразователи и для однофазного насоса (Micro Drive FC 51), и для трёхфазного (Micro Drive FC101).

Erman E-9

Преобразователи этой компании отличаются бюджетностью. Отвечают за компенсацию крутящего момента, плавность запуска, контроль давления и обладают различными режимами управления числом до 24-х. Соответствие по мощности подбирается в индивидуальном порядке. Имеется защитный корпус, предохраняющий от воздействия пыли и грязи.

Hyundai N 50

Преобразователь частот однофазного типа. Можно использовать в бытовых приборах. Уровень мощности составляет 0,7-2,5 кВт. Малогабаритный, что делает его удобным для установки в любых устройствах. Примечателен тем, что обеспечивает тонкую настройку благодаря нескольким режимам настройки и 16-ти дискретным скоростям. Стоит примерно вдвое больше предыдущей модели.

PowerFlex 40

Модели этой марки отличаются универсальностью и весьма популярны. Их отличительная особенность — качественный привод и векторное управление. Привод помимо прочего гасит шумы во время работы двигателя, автоматически подхватывает частоты вращения электрического двигателя, защищает весь механизм от перегрузки и перегрева, обеспечивает плавный старт. По стоимости сопоставимо с Grundfos Cue.

5.14. ОДНОФАЗНЫЕ АСИНХРОННЫЕ ДВИГАТЕЛИ

Статор однофазного двигателя
имеет однофазную обмотку, которая занимает 2/3 общего числа пазов статора. Ротор
— коротко-замкнутый.

При подключении к сети
однофазная статорная обмотка создает не вращающийся, а пульсирующий магнитный
поток с амплитудой Ф. Этот поток может быть искусственно разложен на два вращающихся
потока Ф_I и Ф_II, каждый из которых равен Ф/2. Обозначим
Ф_I прямым потоком, а Ф_II — обратным. Частота вращения
каждого потока — n_1I=n_1II=n₁.

Предположим, что ротор
двигателя уже вращается в направлении прямого потока. Тогда скольжение двигателя
относительно прямого потока Ф_I равно:

а относительно обратного потока:

Потоки Ф_I и
Ф_II наводят в обмотке ротора ЭДС E_2I и E_2II,
которые создают токи I_2I и I_2II. Известно, что частота
тока в обмотке ротора пропорциональна скольжению f₂=Sf₁.
Т.к. S_II>S_I, то ток, наведенный обратным полем, имеет
частоту намного больше частоты, наведенной в обмотке ротора прямым полем f_2II>f_2I.

Пусть n₁=1500 об/мин, n₂=1450 об/мин, f₁=50 Гц, тогда:

Нам также известно, что
индуктивное сопротивление роторной обмотки x₂ зависит от частоты
f₂:

Поскольку f_2I<<f_2II,
то и сопротивление x_2I<<x_2II

Переходя к токам I₂,
которые, как известно, обратно пропорциональны сопротивлениям x₂,
можно записать: I_2I>>I_2II.

Вращающие моменты двигателя
пропорциональны магнитным потокам статора и токам в обмотке ротора. (М~ФI₂).

Исходя из значений токов
I_2I и I_2II и учитывая, что Ф_I=Ф_II
можно записать:

Следовательно, если ротор
двигателя уже вращается в сторону прямого потока, то он будет продолжать вращаться
в этом направлении. Тормозящее воздействие М_II не будет оказывать
заметного влияния на работу двигателя.

Вспомним, что мы условно
предполагали вращение ротора в сторону прямого потока Ф_I. А если
бы он вращался вначале в сторону обратного потока Ф_II?

Тогда, проведя аналогичные
рассуждения, можно заключить, что ротор будет устойчиво вращаться в сторону
обратного потока. Рассмотрим механическую характеристику однофазного двигателя
(рис. 5.14.2).

Из характеристики М=f(S)
видно, что при пуске, когда S=1, пусковой момент М_п=О. Двигатель
при включении его в сеть сам не начнет вращаться. Необходим его сдвиг в ту или
иную сторону.

Если сдвинуть точку М_п
влево от S=1, то момент будет положительным, если вправо — отрицательным.

Другими словами, направление
устойчивого вращения ротора двигателя будет зависеть от направления первоначального
импульса.

Проведенный анализ показал, что однофазный двигатель нуждается в принудительном пуске.

Пусковые устройства могут быть механическими (пуск от руки) и электрическими.

Первый способ пуска практически выжил себя, и на его смену пришел второй — электрический.

Для создания необходимого пускового момента однофазный двигатель снабжается дополнительной пусковой обмоткой.
Эта обмотка размещается в оставшейся незаполненной 1/3 пазов.

Однофазный двигатель, таким
образом, превратился в двухфазный. Двухфазный двигатель обладает вращающимся
магнитным полем, если выполнены два обязательных условия.

Первое условие состоит
в пространственном сдвиге рабочей и пусковой обмоток на 90 эл. градусов. Такое
условие, легко реализуется на заводе-изготовителе.

Второе обязательное условие
диктуется сдвигом по фазе тока в пусковой обмотке на 90° относительно тока в
рабочей обмотке. Выполнение этого условия связано с включением в пусковую обмотку
фазосдвигающего элемента, например, конденсатора (рис. 5.14.3).

После того как ротор двигателя
придет во вращение, пусковую обмотку П_О отключают. Делается это с
помощью выключателя В. Иногда в бытовой технике отключение пусковой обмотки
производится автоматически по ходу разгона двигателя.