Системы частотного регулирования электродвигателей (частотно-регулируемые приводы)

Системы частотного регулирования — это комплекс оборудования, состоящий из преобразователя частоты и электродвигателя. Чаще всего он осуществляет управление насосами, вентиляторами, станками и другими приводными механизмами.

Направление энергоэффективности Остек-СМТ предлагает электродвигатели с частотным регулированием широкого диапазона мощности: от 0,18 до 630 кВт и более при стандартном питании 220/380 В и 50–60 Гц. Срок окупаемости проекта по внедрению преобразователей частоты составляет от 3 месяцев до 2 лет.

Особенности частотно-регулируемого привода

  • высокая точность регулирования;
  • экономия электроэнергии в случае переменной нагрузки (то есть работы электродвигателя с неполной нагрузкой) и в результате оптимизации возбуждения электродвигателя;
  • равный максимальному пусковой момент;
  • возможность удаленной диагностики привода по промышленной сети;
  • повышенный ресурс оборудования за счет плавного пуска;
  • уменьшение гидравлического сопротивления трубопровода из-за отсутствия регулирующего клапана;
  • подхват вращающегося электродвигателя, стабилизация скорости вращения при изменении нагрузки;
  • значительное снижение акустического шума электродвигателя;
  • как правило, наличие ПИД-регулятора и возможность подключаться напрямую к датчику регулируемой величины (например давления);
  • управляемое торможение и автоматический перезапуск при пропадании сетевого напряжения;
  • возможность заменить собой автоматический выключатель.

Немаловажно, что, помимо экономического и оптимизационного эффекта, система частотного регулирования также имеет ряд мониторинговых и организационных особенностей:

  • контроль состояния высоковольтных выключателей, электродвигателей и агрегатов;
  • мониторинг состояния системы (состояние элементов устройств, силовой цепи и защит) и взаимодействие с ней (команды управления, параметры конфигурации и параметры пуска);
  • регулирование технологических параметров;
  • релейная защита и автоматика электрооборудования и подключенных к нему электродвигателей;
  • обмен информацией с АСУ верхнего уровня;
  • организация исторических событий пусков — штатных и аварийных.

Применение электродвигателей с частотным регулированием

Применение системы частотного регулирования электропривода и АСУ ТП на его основе позволяет:

  • уменьшить расходы электроэнергии до 30%;
  • снизить расход ресурсов на 2–3% за счет стабилизации давления в трубопроводе и уменьшить утечки;
  • уменьшить строительные объемы зданий и сооружений при вводе новых мощностей и оптимизации энергосистемы потребителя за счет снижения пиковой мощности;
  • уменьшить износ электротехнического и гидромеханического оборудования;
  • снизить вероятность возникновения аварий, вызванных гидроударами в трубопроводах, благодаря плавному изменению режимов работы насосных агрегатов;
  • сократить расходы на аварийный ремонт оборудования (доказано, что ресурс службы оборудования повышается минимум в 1,5 раза);
  • автоматизировать процесс регулирования технологического параметра (производительности насосного агрегата).

Электродвигатели с частотным регулированием: принцип работы

Скорость вращения вала устройства определяется частотой подаваемого питающего напряжения. Максимальной эффективности при установлении скорости вращения позволяет достичь применение частотных преобразователей. Как работает данный метод? Из значения выходного напряжения (U) формируется напряжение с переменными параметрами. Следует обратить внимание на тот факт, что мгновение нагрузки является постоянным, а сила тока находится в зависимости от нагрузки. В результате, напряжение изменяется, что способствует сохранению потока намагничивания в неизменном состоянии и обеспечивает такой же крутящий момент. Кроме того, сохраняется неизменное значение тока. Таким образом, скорость и вращающий момент постоянно корректируются относительно рабочей нагрузки. Как следствие, становится возможным обеспечить минимальные потери, что достижимо в результате поддержания постоянного скольжения, обеспечиваемого при различной скорости и для всех нагрузок.

Система частотного регулирования: основные преимущества и отличительные черты

• Появляется возможность управлять электродвигателем из любого места, в том числе и на существенном расстоянии.
• Обеспечивается мягкий пуск.
• Данный способ значительно снижает затраты на техобслуживание устройства.
• Регулировка скорости позволяет увеличить производительность, если это необходимо для удовлетворения производственных потребностей.
• Повышение энергоэффективности осуществляется вследствие способа управления и используемого электродвигателя с частотным регулированием.
• Обеспечивается универсальность системы в результате появления следующих возможностей: во-первых, для переменного момента используется статистический преобразователь; во-вторых, применение в ситуации неизмененного момента и мощности содействует достижению высокого уровня эффективности вследствие плавного управления скоростью.
• Контроль скорости является непременным, что позволяет оптимизировать технологический процесс. Соответственно, качество продукции существенно улучшается.

Основные свойства и особенности

Проведение регулировки рекомендуется осуществлять с использованием выходного ШИМ напряжения. Оно будет служить в качестве промежуточного звена, что делает возможным управление, которое располагается между машиной асинхронного типа и сетевым напряжением. Получение сигнала, имеющего обозначенную частоту и заданное значение напряжения возможно в результате прохождения следующих 3-х этапов:
• Во-первых, используют выпрямительный диодный мост.
• Во-вторых, для того, чтобы сгладить ранее выпрямленное значение напряжения с использованием конденсаторов применяется фильтр постоянного тока.
• В-третьих, силовой модуль (он действует на основе IGВT) или инвертор. Устройство выступает как ключ, обладающий существенным рабочим током.

Рис №1. Основные звенья, составляющие устройство частотного преобразователя.

Разновидности частотного управления скоростью

Выделяют две основных разновидности осуществления управлением скоростью вращения, являющиеся наиболее часто применяемыми и оптимальными:
• Первый способ – это скалярное управление, которое осуществляется без использования обратной связи;
• Второй способ – управление векторное, для которого характерна возможность как применения обратной связи, так и ее отсутствия.

Особенности скалярного управления

Применение данного типа характеризуется сохранением отношения U/F в неизменном виде по отношению к частотному интервалу. Это способствует сбережению постоянного магнитного потока. Скалярное управление используют в тех случаях, когда нет необходимости мгновенной реакции на число оборотов и колебания момента вращения. Оно делает возможным подсоединение асинхронных машин к одному частотному устройству. Кроме того, данный способ отличает применение компенсации скольжения, осуществляемого в результате снижения скорости. На статоре двигателя понижается значение напряжения, которое компенсируется за счет возрастания постоянного момента вращения (коэффициент V/F повышается). Управление частотой вращения электродвигателя при помощи данного способа отличается простотой, поскольку не требуется высокая точность и мгновенное реагирование.

Отличительные черты векторного управления

Способ регулировки на основе изменения потокосцепления направлен на повышение результативности управленческих процессов в отношении рабочего привода. Максимальную результативность и точность показывает метод векторного регулирования фазы тока. Он отличается тем, что применяется энкодер или датчик позиционирования. Его использование показывает точное положение ротора в каждом вращающем моменте. Однако следует отметить, что применение данных устройств повышает цену электропривода. Вместе с тем, они дают возможность регулировки скорости со значительной точностью. Поэтому такой способ нередко эффективно используется, несмотря на его относительно высокую стоимость.

Для нейтрализации ограничения предлагается использование преобразователя интегральных схем ASIC, создающего адаптивную модель двигателя. Ее характеризует выраженность математически с отражением величины напряжений токов, индуктивности рассеивания на выходе и т.д. Кроме того, она позволяет смоделировать тепловые рабочие параметры, присущие разным режимам работы.

Немаловажным является и тот факт, что при подобном управлении без применения датчиков обратной связи обеспечиваются динамические погрешности, свойственные электроприводам. Данный тип управления без применения датчиков отличается конструктивной простотой, однако является не всегда приемлемым для применения на небольших скоростях. Для использования на высоких скоростях вращения он выступает отличным вариантом.

Информация по теме:

Частотное регулирование асинхронных двигателей

Частотный регулируемый привод двигателя

 

Возможно, вам будут интересны и гибридные генераторы.