Правила выбора преобразователей частоты и устройств плавного пуска.

Общие понятия

Электрический привод (электропривод) — это управляемая электромеханическая система, которая превращает электрическую энергию в механическую (и обратно).

Важно: в этой статье мы рассматриваем электропривод с питанием до 1кВ.

Система электропривода представляет собой комплекс электрических машин, электрических аппаратов, преобразователей, усилителей и информационного устройства. Механические элементы электропривода  необходимы для передачи движения от двигателя к исполнительному механизму (рабочему органу машины) и управления им.

Электроприводы достаточно сильно различаются по вариантам исполнения, техническим характеристикам, способу управления, вариантам пуска, скорости вращения и т.д.

Электропривод присутствует практически на каждом производственном предприятии, встречается он и в быту.

Введение в экономику электропривода

Мы знаем, что электрический двигатель (чаще всего асинхронный с короткозамкнутым ротором) является основным средством приведения в движение рабочих машин и механизмов. Большая часть механической энергии,  используемая промышленностью и в сельском хозяйстве, производится с помощью электромеханических устройств, питание которых осуществляется от источника электрической энергии.

Так, мощность крупных прокатных станов, компрессоров и т.д. доходит до нескольких тысяч кВт. Мощность электроприводов в приборостроении и установках автоматики составляет несколько Вт, мощность бытовых приборов – 0,25 кВт ÷ 100 кВт.

 Как говорилось выше, основная масса таких механизмов оснащена асинхронным электродвигателем с короткозамкнутым ротором, это достаточно простой и надежный мотор, но имеет помимо неоспоримых преимуществ два серьёзных недостатка: отсутствие простого решения по управлению скоростью вращения и, как следствие, производительности рабочего органа машины.

 Современное производство требует диапазон скоростей: от десятых долей оборотов в минуту до 1000 оборотов и более в минуту, высокую энергоэффективность и КПД машин и механизмов.

Использование автоматизированного регулирования электроприводов позволяет оптимизировать технологические процессы с целью сокращения их энергоемкости.

 От эксперта:

Забегая вперёд, скажу, что не всегда нужно следовать общей тенденции внедрения частотно регулируемого привода (ЧРП), но там, где это в действительности необходимо, можно получить весомую экономию потребления электрической энергии вкупе с качественным управлением рабочего органа машины и продлением срока службы компонентов системы электропривода. Экономический эффект может достигать более 50% от первоначальных затрат без применения ЧРП.

Основные сферы использования электропривода с ЧРП

• Гидравлика (насосы для перекачки, нагнетания, подачи различных жидкостей).
• Мощность, потребляемая насосами, пропорциональна кубу скорости вращения.

Использование  преобразователя частоты позволяет экономить до 30% электроэнергии (в некоторых случаях и более), если сравнивать с регулированием  мощности, используя заслонки на трубе. Несложно подсчитать, что при такой экономии установка преобразователя частоты окупится приблизительно за 1 год.

При применении решения с ПЧ минимизируется один из главных рисков — вероятность гидравлического удара, так как запуск  и остановка насосного оборудования  будут плавными. Ведущие мировые производители постоянно совершенствуют  свое оборудование, в настоящий момент  в частотных преобразователях используется система управления, которая позволяет управлять сразу группой насосов, без использования внешнего контроллера, а значит систему насосной станции можно строить вокруг ПЧ.

• Вентиляция (вентиляция, дымоудаление, компрессоры).  

Вышеуказанные факты про насосы аналогичны и для вентиляторов, но возможностей для экономии электроэнергии здесь больше. Прямой пуск либо пуск по схеме “звезда/треугольник” для тяжелых вентиляторов обычно требует применения двигателей с повышенной мощностью.  Если проектируется новая установка, можно сэкономить, в том числе на применении ПЧ и электромашины меньшей мощности, если же модернизировать существующую установку, то с применением ПЧ можно снизить потери холостого хода. 

•  Перемещение (транспортеры, прокатные станы, краны, лифты).

В данном случае управление скоростью, как правило, завязано на технологический процесс, скорость перемещения не является постоянной. Используя плавный пуск и регулирование скорости, мы существенно можем увеличить ресурс механизмов, практически сводя к нулю ударные нагрузки, кроме этого обеспечиваем точность перемещения объектов по технологическому процессу.

Структура электропривода

1. Преобразовательное устройство.2. Электромотор.3. Передающее устройство (преобразовательный механизм). 4. Управляющее устройство.5. Информационное устройство.* РО рабочий орган машины.

       1. Преобразовательное устройство – это прибор, исполненный на полупроводниках (тиристоры, силовые транзисторы, диоды и т.д.). Преобразователь необходим для управляемого и целенаправленного изменения параметров электропривода (скорость, момент, ускорение и т.п.). В нерегулируемом электроприводе  преобразователя нет, за исключением случая, когда электромашина запитывается постоянным током от сети переменного.К электрическим преобразовательным устройствам относятся управляемые выпрямители, преобразователи частоты, машины.

       2. К электромоторам (электромашинам) относятся различные типы электродвигателей. Чаще всего встречаются асинхронные, но видов намного больше:

• Двигатели постоянного тока (последовательное, смешанное, независимое возбуждение).
• Синхронные двигатели.  
• Асинхронные двигатели.  
• Линейные двигатели.
• Шаговые двигатели.
• Коллекторные двигатели  и многие другие.

       3. Передающее устройство – это механическая часть электропривода.Вариантов решений для передачи энергии достаточно много: это могут быть ременные, цепные передачи, муфты, редукторы и т.д.Также есть и безредукторные варианты решения для электропривода, они применяются для машин, работающих в динамическом режиме и высокоточных механизмов, но за это приходится расплачиваться увеличенными габаритами и массой приводного электродвигателя, так как данные параметры для одной и той же мощности будут обратно пропорциональны номинальной скорости электродвигателя.

      4. Управляющее устройство (система управления)  – это часть  электропривода, представляющая собой совокупность жизненно важных для электропривода элементов: управление информационными устройствами, аппаратов защиты, устройств сопряжения. Вариативность решений достаточно велика. Отметим также, что система управления может быть как локальной, так и внешней, она обеспечивает статические и динамические свойства электропривода.

      5. Информационное устройство собирает, обрабатывает и передает информацию о параметрах работы объекта управления. В нем есть различные типы датчиков: скорость, температура,  давление, микроконтроллеры и т.д. Одной из главных функций информационно-управляющей структуры является реализация технологического процесса с минимальными затратами электрической энергии.

Устройства плавного Пуска (УПП)

УПП, софтстартер —  это наиболее часто встречающееся название достаточно недорогого решения для электропривода, где нет необходимости управлять частотой вращения двигателя в технологическом процессе.

Применение данных устройств приносит существенную выгоду, облегчая управление технологическими процессами, а также увеличивая срок службы технологического оборудования.

При применении УПП пуск осуществляется плавным ускорением, без рывков. Например, при использовании в гидравлике УПП избавляет от гидроудара.

Современные устройства плавного пуска позволяют управлять запуском нескольких электродвигателей (до 5).

УПП разделяются на три типа: с одной, двумя и со всеми управляемыми фазами.

• Первый тип применяется для однофазного двигателя и обеспечивает надежную защиту от перегрузки, перегрева и снижения влияния электромагнитных помех.
• Второй тип в схеме, как правило, помимо полупроводниковой платы управления включает в себя байпасный контактор. После того как двигатель раскрутится до номинальной скорости, байпасный контактор срабатывает и обеспечивает прямую подачу напряжения на электродвигатель.
• Трехфазный тип является самым оптимальным и технически совершенным решением. Он обеспечивает ограничение тока и силы магнитного поля без перекосов по фазам. 

Преобразователь частоты (ПЧ)

В случае, когда технологический процесс требует не только плавного пуска/остановки, но и управления скоростью вращения, необходимо применять преобразователь частоты.

Преобразователь частоты с широтно–импульсным управлением (ПЧ с ШИМ) снижает пусковые токи в 4-5 раз. Он обеспечивает плавный пуск асинхронного двигателя и осуществляет управление приводом по заданной формуле соотношения напряжение/частота.

ПЧ дает экономию по потреблению энергии до 50%. Появляется возможность включения обратных связей между смежными приводами, т.е. самонастройки оборудования под поставленную задачу и изменение условий работы всей системы.

Частотные преобразователи устанавливают как на однофазные конденсаторные двигатели мощностью менее 1 кВт, так и на синхронные электромашины мощностью в десятки МВт.

ПЧ позволяет снизить пусковые токи и регулировать потребляемую мощность двигателя в зависимости от фактической нагрузки. Во многих ПЧ реализована возможность подключения удаленных устройств телеметрии и телемеханики, они могут встраиваться в многоуровневые системы автоматизации.

ПЧ комплектуют защитой от перегрузок, коротких замыканий, пропадания фаз. Преобразователи также обеспечивают перезапуск при возобновлении подачи электроэнергии. В преобразователе частоты возможна бесступенчатая точная регулировка частоты вращения без потерь мощности, что невозможно при использовании редукторов и УПП.

Скалярное и векторное управление

По принципу управления различают 2 основных вида преобразователей частоты:

• ПЧ со скалярным управлением.

Преобразователи этого типа выдают на выходе напряжение определенной частоты и амплитуды для поддержания определенного магнитного потока в обмотках статора. Частотники с таким принципом регулирования отличаются относительно низкой стоимостью и простотой конструкции. Нижний предел регулировки скорости составляет около 10 % от номинальной частоты вращения. Их можно использовать для управления сразу несколькими двигателями. Скалярное управление наиболее распространено и максимально удовлетворяет требованиям таких механизмов, как насосы, вентиляторы, компрессоры, а также механизмов, для которых важно поддерживать скорость вращения или какой-либо технологический параметр. Метод довольно прост, но имеет небольшой диапазон регулирования скорости и требует установки дополнительных датчиков для реализации управления по скорости и моменту.

•  ПЧ с векторным управлением.

Микропроцессорные устройства преобразователей с векторным управлением автоматически вычисляют взаимодействие магнитных полей статора и ротора. ПЧ такого типа обеспечивают постоянную частоту вращения ротора вне зависимости от нагрузки. Они используются для оборудования, где необходимо поддерживать нужный момент силы при низких скоростях, высокое быстродействие и точность регулирования.

Применение векторных преобразователей частоты позволяет регулировать частоту вращения, задавать требуемый момент на валу.

 Управление  разделено на две большие подгруппы: управление по вектору тока (довольно простой метод, присущий абсолютному большинству преобразователей) и управление по вектору напряжения.

Касательно второго метода: как известно, напряжение пропорционально моменту, что позволяет без дополнительных пересчетов получить управление последней характеристикой. Все остальные методы, по большому счету, являются их дополнением, каждый производитель совершенствует по своему усмотрению расчеты и измерения таких показателей, как индуктивность, намагниченность, вектор электромагнитного поля и т.д.

Механическая часть электропривода

Электропривод  является компонентной системой и включает в себя различные части и опции, одна из них — это механическая часть, которая служит для преобразования электрической энергии в механическую и обратно. Это система движущихся масс, на которую воздействуют различные моменты и силы, созданные в электромеханическом преобразователе (двигателе) и обусловленные технологическим процессом.

Первый элемент механической системы- это  ротор электромашины (двигателя), потому что он первое передаточное звено крутящего м омента на рабочий орган машины. Следующий элемент системы — механический преобразователь, в зависимости от типа и задач выполняет механическую работу по увеличению/уменьшению скорости и изменяет вид движения, например, вращение в поступательное движение. Как уже говорилось выше, механическая часть (механические преобразователи) — это различные редукторы, винтовые, зубчатые, зубчато-реечные, ременные передачи, кривошипно-шатунные механизмы, барабаны с тросом и многое другое. Главная характеристика механического преобразователя — коэффициент передачи, который отражает  отношение скорости на входе к скорости на выходе. Также преобразователи характеризуются механической инерционностью и упругостью его элементов, зазорами и трением в зацеплениях и сочленениях преобразователя.

Производители приводной техники

Как и в любой сфере, на рынке электропривода есть свои лидеры:

• Schneider Electric — линейки Altivar  и Altistart. 
• ABB — линейки АС* 3**,4**,5**,8**.
• Siemens — линейки Sinamics и Micromaster. 
• Danfoss -включая Vacon и VLT.

К менее известным, но не менее достойным производителям можно отнести:

• Lenze.
• Control Techniques.
• Toshiba.
• LSis.
• Mitsubishi.

Есть и российские производители:

• Веспер.
• Триол.
• ОВЕН.

Это далеко не полный список производителей преобразовательной техники.

Поскольку большинство компаний уже давно являются транснациональными, производство приводной техники раскидано по всему миру. Заводы АВВ, например, расположены в Финляндии, Китае, Польше, Индии. Заводы VLT (Danfoss) производятся в Московской области. 

 Ни для кого не секрет, что усиливают свои позиции и китайские производители: CHINT, Delta, ESQ.

Выбор есть всегда под любые цели, задачи и бюджет.

Компетенции НПК «Катарсис»

НПК «Катарсис» не первый год решает различные задачи заказчиков, в том числе и в области электропривода.

Мы предлагаем:

• Разработку и изготовление шкафов управления с различным типом пуска электродвигателя.
• Подбор и поставку частотных преобразователей (включая опции), устройств плавного пуска по техническому заданию заказчика.
• Подбор и поставку аналогов устаревшего приводного оборудования разных производителей. Мы специализируемся на оборудовании ведущих производителей Schneider Electric и АВВ.
• Подбор и поставку электродвигателей АВВ.
• Поставку редукторов и механических узлов АВВ.
• Пуско-наладочные работы.

Основные правила выбора частотного преобразователя

Любой производитель, вкладывая ресурсы и инвестиции, хочет продавать как можно больше своих изделий. Исходя из возможностей видения рынка, сегмента, в котором он работает, выбирается продукт и опции к нему, за которые, по мнению, производителя заказчик/пользователь готовы заплатить. Дополнительный функционал, узкая специализация, ЗИП добавляются как опции при заказе оборудования. Например, у некоторых производителей документация на русском языке является опцией и стоит далеко не дешево — 200/400 евро.

В выборе техники и цены изделия всегда есть компромисс: чем больше функционал в базовой версии, тем дешевле он стоит, но тем дороже весь прибор. И наоборот, чем больше функционал является “навесным”, т.е. опциональным, тем дешевле базовая версия, но тем дороже расширение функционала, плюс опции так или иначе снижают надежность готового изделия, так как появляются различные разъемы, провода, усложняется система охлаждения и т.д.

Кроме того, количество одновременно подключаемых опций также ограничено. Поэтому стоит выбирать оборудование, имеющее в базовой версии максимум необходимых для технологического цикла функций, а одну-две опции можно заказать дополнительно.

При выборе УПП или ПЧ важно ответить минимум на 3 вопроса:

• Каким механизмом предстоит управлять?
• Токи — номинальное или пиковое значение?
• Необходимость ЭМС (электромагнитная совместимость).

 Что касается именно технической стороны вопроса, остальные вводные: цена, надежность, сервис и срок поставки — можно будет вводить после выбора нескольких вариантов по техническим характеристикам. 

 Совет: 

Сначала откидываем те линейки оборудования, которые явно не соответствуют поставленной  задаче.

Пример:

Нет модели с необходимой мощностью, нет соответствующего IP, блоки открытого исполнения (встраиваемые). Для этого необходимо определить, какой способ управления нам необходим (отталкиваемся от типа механизма) скалярное, векторное или прямое. 

Большинство современных частотников реализуют тот или иной вариант векторного управления двигателем (раздельное управление векторными переменными двигателя – подробнее см. соответствующую литературу), но, если необходимо, эти частотники имеют возможность работать и в более простом — скалярном режиме (поддержание постоянного отношения выходного напряжения к выходной частоте).

Этот режим вполне достаточен для несложных приводов – насосов, вентиляторов, конвейеров, транспортеров и т.п. Преимущество векторного управления — это возможность управлять более мощными машинами при использовании тех же силовых элементов. Нужно отметить, что на рынке уже минимум моделей, не имеющих векторного управления, поэтому не стоит  сильно расстраиваться, что в частотнике есть векторное управление, его можно будет просто отключить.

 Диапазон мощностей.

Если требуемое количество преобразователей определено, желательно облегчить жизнь службе эксплуатации. Сделать это довольно просто, мощностной ряд должен покрывать все необходимые в технологической цепочке мощности, кроме этого вы получите полную унификацию, проще будет выбирать  опции и заказывать запасные части.

 Совет:

Если у Вас  пока нет понимания, какие мощности потребуются при переходе на регулируемый привод , то выбирайте модельный ряд с наибольшим диапазоном по мощности – соображения те же.

Входное напряжение.

Этот параметр определяет, при каком напряжении в сети преобразователь частоты сохраняет работоспособность.

Совет: 

Узнайте, какое напряжение может быть в питающей сети (именно какое может быть, а не какое должно быть), и постарайтесь, чтобы преобразователь его пережил. Причем если пониженное напряжение приведет просто к остановке (а у хороших моделей – только к пропорциональному снижению скорости), то увеличение напряжения выше допустимого может привести к выходу прибора из строя.

Диапазон регулирования частоты.

Верхний предел важен при использовании двигателей с высокими номинальными частотами 200 -1000 Гц. Обычно это механизмы с очень большими скоростями: шлифовальные машины, центрифуги и т.п. Убедитесь, что преобразователь может дать ту частоту, на которую рассчитан двигатель и механизм. Нижний предел определяет диапазон регулирования скорости.

Совет: 

Если большой диапазон (больше 1:10) вам не нужен, то и не обращайте на это внимания. А если нужен, то даже заявленный диапазон частот от 0 Гц не гарантирует устойчивую работу и этот вопрос нужно прояснять с производителем особо. Кстати, в этом случае, скорее всего, потребуется векторное управление.

Количество входов управления.

Дискретные входы нужны для ввода различных команд: пуск, стоп, выбор фиксированной скорости, реверс, аварийное торможение, изменение задания и т.п. Эти входы обычно программируются пользователем, аналоговые – для ввода сигналов задания и обратной связи (обычно 0-10В или 4-20мА).

Цифровые входы (не путать с дискретными) нужны для ввода высокочастотных сигналов от энкодеров (цифровых датчиков скорости и положения). Большое количество входов нужно тогда, когда планируется построение сложной системы управления с множеством управляющих сигналов. Сказать заранее хватит входов или не хватит сложно, поэтому, чем больше входов, тем лучше, но отвергать модель только из-за малого количества входов не стоит.

Количество выходных сигналов.

Дискретные выходы также используются для построения сложных систем (например, уже упоминавшихся  ранее насосных станций) и для вывода сигналов о различных событиях, а аналоговые – для питания показывающих приборов и опять же для построения систем управления. Рекомендации по выбору – те же, что и для входов.

Управление.

Речь в данном случае идет об оперативном управлении, то есть о том, как будет осуществляться управление приводом в рабочем режиме. Управление может осуществляться через входы (см. выше), со встроенного или выносного пульта, а также по шине последовательной связи (от контроллера или компьютера). Часто допустимо комбинированное или переключаемое управление. Выбирайте то, чем будете пользоваться.

Срок гарантии косвенно позволяет судить о надежности техники, особенно импортной, поскольку организация сервисной службы в России – дело хлопотное и дорогое. Правда, по опыту автора, в России подавляющее количество выходов преобразователей частоты из строя происходит либо из-за некачественного электроснабжения, либо из-за всеми “любимого” человеческого фактора.

К сожалению, высококлассных специалистов по приводной технике в России пока не так уж много. Естественно, что вышеуказанные случаи не являются гарантийными и последствия придется  исправлять за свой счет. Техника периодически подводит, а это значит, что более длительный срок гарантии тоже влияет на принятие решения покупки оборудования.

Если нет каких-то дополнительных специальных требований, влияющих на выбор линейки оборудования, то спокойно переходите на следующий этап выбора преобразователя, а именно выбираем конкретную модель.

Опустим выбор электродвигателя, так как это тема для отдельной статьи, представим, что электрический двигатель уже выбран, а, возможно, уже и установлен.

Сразу же исключаем самую распространенную ошибку — выбор по одному параметру “мощность”. Данная ошибка встречается у всех у проектировщиков. У поставщиков и у технических служб заказчика ошибка связана, к сожалению, с отсутствием необходимых знаний.  Конечно, проще взять и выбрать преобразователь по мощности равной или более мощности двигателя, особо думать не нужно, но выбор только по этому параметру может привести как просто к выходу из строя преобразователя частоты (ну или периодическим отказам), так и к невозможности реализовать необходимые алгоритмы работы для технологических процессов.

Совет: 

Выбирайте преобразователи частоты по токовым характеристикам, тем самым минимизируете риск ошибки и, возможно, сохраните энное количество денег и своих нервов. Первое на что необходимо обратить внимание — номинальный ток ПЧ должен быть равен или быть больше номинального тока электродвигателя. Данный параметр мы берем из паспорта электромотора или считываем с шильда! Если в работе не будет тяжелых режимов (и как следствие перегрузок), этого параметра достаточно для выбора. В качестве подсказки добавим, что минимальные перегрузки обычно бывают  с двигателями, приводящими в действия насосы и вентиляторы.

Если же вы планируете использовать привод в системах, работа которых подразумевает перегрузки, необходимо учитывать токи перегрузок, допустимых для двигателя и механизма.

Открывайте документацию на механизм, как правило, в ней указывается длительность и величина токов перегрузки, но бывает что, документация утеряна (ну или просто нет данных по перегрузкам, нонсенс, конечно, были случаи) тогда придется вызвать электролабораторию и измерить ток во всех режимах работы механизма (кроме пуска, здесь разговор особый и выходящий за рамки этой статьи, к счастью, на выбор преобразователя этот режим влияет очень редко).

Ну а если нет электролаборатории, нет бюджета на приглашения со стороны, а иногда и банально лень? Тогда напрягаем производителя оборудования либо открываем таблицы применений (у серьезных производителей они есть) и смотрим аналогичные механизмы и интересующие нас величины при перегрузках.

Обращаю внимание, что в подобных таблицах указывается максимальный ток, выдаваемый ПЧ в течение 1-2 минут, и при выборе нужно учитывать, что допустимое время протекания перегрузки и величина тока должны превышать ток перегрузок механизма.

 Ну и третий, и немаловажный параметр для выбора ПЧ — пиковые токи при ударных нагрузках. Пиковые нагрузки кратковременны (как правило, 2-3 секунды). Преобразователь должен допускать их, если пиковые токи допустимы для электродвигателя и механизма.

К сожалению, не все производители приводов могут реализовать возможность коротких бросков тока выше максимального значения (кстати, это нужно уточнять, иногда просто не указывают данный параметр).

 Пример:

Представьте себе, что экскаватор при работе натыкается на камень. Если не учтен бросок тока, то привод просто остановится, хотя проблемы бы не было, выдай преобразователь очень большой ток буквально на пару секунд, но нет, не учли, значит, не может.

Достаточно неприятная ситуация, которую можно исключить, выбрав преобразователь, где максимальный ток выше пиковых токов нагрузки.

Выбирая ПЧ по токовым характеристикам, необходимо соответствие всем трем требованиям: номинал, перегрузка, пиковые. При таком подходе на мощностные характеристики не обращаем внимания, ими можно пренебречь.