Частотный преобразователь устройство, принцип работы, назначение

Особенности построения схемы частотного преобразователя для управления асинхронным трехфазным двигат

Довольно часто у многих радиолюбителей или просто хозяйственных людей возникает необходимость в регулировании частоты вращения трехфазного двигателя. Использовать для этого банальный регулятор мощности нет смысла, потому что он построен на принципе изменения напряжения, а ведь, как известно, двигатели переменного тока не хотят регулироваться таким способом, даже однофазные.

Обороты, конечно, будут изменяться, но только в небольшом и практически незаметном пределе, после чего при достижении нижнего порога, а при питании 220 В при напряжении 150 В, обороты и вовсе останавливаются. Если с вала необходимо получит еще и нормальный момент, например, при регулировании скорости движения конвейера или протяжной рейки, в зависимости к чему он подключен, то подойдет только частотный преобразователь.

Что такое частотное преобразование

Под понятием частотное преобразование, а далее и частотный преобразователь, следует понимать целую систему, которая нечто делает. А именно преобразует частоту питающего обмотки асинхронного двигателя напряжения. То есть акцентируем ваше внимание на том, что здесь изменяется не напряжение, а именно его частота. В таком режиме управления момент на валу двигателя сохраняется при изменении его скорости вращения.

Но чтобы сделать преобразователь частоты своими руками, необходимо вспомнить конструкцию и возможные характеристики работы асинхронных двигателей. Более того, решая конкретно изготовить такое устройство, первым делом необходимо найти подходящий по параметрам двигатель, который справится с возлагаемой на него работой в составе готового комплекса.

Выбор двигателя

Для проектирования самодельного частотника сначала стоит вспомнить, что такое асинхронный двигатель и как он работает. Несинхронный двигатель или ДПТ представляет собой механическое устройство, состоящее из статора с обмотками возбуждения и ротора. Второй компонент может быть:

  • короткозамкнутым, то есть средние проводники соединены по торцам кольцами, а сами они толстые и короткие, из-за чего конструкция получила название «беличье колесо»;
  • фазным, ротор имеет несколько обмоток, которые присоединены к токосъемным кольцам, применяемым для отвода напряжения в режиме генератора.

Принцип действия двигателя очень прост и заключается во влияние создаваемого в статоре вращающегося магнитного поля на короткозамкнутый ротор, в котором возникает ЭДС. Из-за этого в роторе начинает протекать ток, что ведет к образованию сил, взаимодействующие с магнитным полем статора. При этом частота вращения ротора и магнитного поля неравны, оттого и название асинхронный двигатель.

Разумно предположить, что если изменить частоту питающего статор напряжения, то и измениться скорость вращения ротора. На деле оно так и есть, поэтому все серьезные компании используют именно частотные преобразователи для управления такими моторами. Когда проектируется схема частотного преобразователя для электродвигателя своими руками, следует учесть тип мотора и все его характеристики. В частности, мощность, число полюсов и максимальную скорость вращения. Скачать готовые схемы можно с интернет-журнала «Радиокот». Там их представлено очень много.

Получение магнитного поля

Для получения вращающегося магнитного поля трехфазного, необходимо через виток катушки на статоре пропустить ток с необходимой частотой, который будет определяться по формуле: iA = I m sinωt. В результате действия этого тока по оси витка начинает действовать МДС FA. Так как витки в статоре чередуются по фазам, то и пульсация будет иметь такой же характер, создавая общую пульсирующую силу F, являющеюся константой. Она определяется как корень из квадратов сил в двух витках, смещенных относительно друг друга под углом 90ºС.

В результате чего возникает вращение поля с угловой скоростью, выраженную формулой для каждого витка в отдельности: ω =2π f 1. Но для расчета скорости поля во всей машине необходимо учитывать общее количество пар полюсов, выраженное символом p. И тогда скорость поля будет равна: ω 0 =2π f 1 /р. Соответственно, можно высчитать и частоту вращения, выраженную в об/мин: n0 =60 f 1 /р.

Кроме этих данных, необходимо помнить, что характеристики будут отличаться от режима в холостом ходе, то есть при ω = ω 0, и при нагрузке, когда ω ≠ ω 0. А также было бы полезным вспомнить, что под нагрузкой возникает такое понятие, как скольжение, которое появляется из-за отставания ω от ω 0. И оно выражается как: s =( ω 0 — ω)/ ω 0. Это говорит о том, что при построении САУ с увеличением этой величины необходимо автоматически изменять частоту напряжения в обмотках, чтобы обеспечить стабильность скорости при различных нагрузках.

Промышленные частотные привода

Все промышленные частотники обеспечивают различные принципы регулирования скоростью и моментом на валу асинхронных двигателей за счет изменения не только частоты, но и сдвига фаз, времени нарастания управляющих импульсов, динамическим торможением и многими другими параметрами. При этом все это выполняется в автоматическом режиме без дополнительного участия извне. Поэтому промышленная схема частотного преобразователя для трехфазного двигателя состоит из следующих компонентов:

  • Центрального процессора, выполняющего роль формирователя задающих и управляющих импульсов.
  • Силовая часть: выпрямитель и одновременно блок управления, построенный на IGBT — модулях.
  • Блок ввода и вывода данных или просто интерфейс для взаимодействия с пользователем.
  • Преобразователь шины для работы с системой программного управления.

Трехфазный двигатель может быть оснащен датчиком, тогда требуется обратная связь. Датчик может быть оптическим, индуктивным или магнитным. В высоко оборотистых двигателях расчет скорости ведется программно на основании характеристик.

Плюсы использования частотных преобразователей

Недаром человек стал активно применять частотные преобразователи на всех видах предприятий и даже в быту, потому что они намного более экономичны, чем коллекторные двигатели и могут работать в таких условиях, в которых двигатель со щетками быстро выйдет из строя. Кроме всего этого, использование частотного преобразователя дало возможность заменить механические вариаторы с приводными системами, что позволило намного упростить конструкцию оборудования. А учитывая, что ДПТ при работе практически не требует ремонт, то использование ПЧ является просто идеальным решением.

Но следует понимать, что есть пределы регулирования, при которых принцип управления асинхронным двигателем также будет изменяться:

  • При регулировании скорости в диапазоне 16:1 и менее, необходимо применять использовать ПЧ, работающий по вольт — частотной характеристике.
  • Для регулирования в диапазоне 50:1 необходимо использовать бессенсорное векторное регулирование.
  • В больших диапазонах следует применять обратную связь с использованием датчиков или встроенного в ПЧ пид-регулятора.

В любом случае, когда двигатель планируется применять в тяжелых условиях работы, что обычно и бывает, то лучше использовать именно векторное регулирование.

Читайте также:  Как из напильника сделать настольные ножницы по металлу 1

Векторное и частотное регулирование

Чтобы построить качественную систему САУ с управлением асинхронным двигателем, необходимо хорошо разбираться в понятиях, а именно в векторном регулировании или частотном регулировании.

Частотный принцип применяется в системах, где нет надобности жестко контролировать скорость, а важен создаваемый двигателем поток без значительной нагрузки. Но когда требуется с первого оборота обеспечить высокий момент и хорошее тяговое усилие, то следует использовать векторное управление.

Векторные САУ также применяются в следящих системах с небольшими скоростями подач. Например, в станках для подачи столов или шпиндельных суппортов. Здесь не только надо преодолеть инерцию станины, но и обеспечить необходимое усилие при обработке детали.

Проектируя частотник для трехфазного электродвигателя своими руками, необходимо учитывать тип нагрузки, потому что от этого будет зависеть и характеристика управления силовыми ключами для достижения необходимой мощности при минимальных потерях.

Техническая реализация ПЧ

Вот мы и подошли к построению блок-схемы управления асинхронным электродвигателем. И сразу стоит уверить, что практически все производители этого вида преобразователей используют одну и ту же блоку схему, которая может быть применена и вами для конструирования собственного преобразователя. И она состоит из следующих компонентов:

  • Неуправляемого выпрямителя трехфазного 380 В или однофазного 220 В напряжения сети.
  • Шины постоянного тока со встроенным LC — фильтром, состоящей из набора конденсаторов, которые обеспечивают ее стабильный заряд и исключают пульсации при скачках в сети.
  • Инвертора напряжения, преобразующего постоянное промежуточное напряжение в переменное нужной частоты. Он оснащен ШИМ для качественного управления.
  • Асинхронного электродвигателя, которым и осуществляется управление.

Следует сказать, что производители долго шли к созданию идеальной ШИМ, с помощью которой можно было бы стабильно управлять двигателем. И только с появлением IGBT — модулей это стало возможным. Поэтому и для построения своего преобразователя рекомендуется использовать ключи с напряжением не менее 1200 В с учетом возможных пульсаций сети и с хорошим запасом по току. На рынке вполне можно отыскать транзисторы и модули до 100 и более А.

Упрощенная блок схема преобразователя будет выглядеть следующим образом:

  • Выпрямитель, его подключение выполняется по принципу одно или 2-фазной мостовой схеме. Он предназначен для преобразования переменного напряжения в постоянное, пригодное для дальнейшего преобразования частоты от 0 Гц до частоты сети. Промежуточный контур условно состоит из двух блоков:
  • Устройства плавного заряда шины, чтобы не повредит токоведущие линии при заряде конденсаторов. Оно получило название балластного сопротивления.
  • Блок конденсаторов – он же фильтр.

Расчетное напряжение промежуточного контура в √2 раз больше U N. После достижения на шине необходимого уровня постоянного напряжения резистор шунтируется контактной парой. Последний блок в схеме – инвертор. Это окончательный формирователь выходных импульсов, которые затем поступают на двигатель, обеспечивая его вращение с заданной скоростью.

Обобщенное строение силового модуля показано на следующем рисунке:

Для построения инвертора применяются высоко токовые транзисторы, работающие в чисто переключающем режиме. В процессе работы они сильно нагреваются, поэтому устанавливаются на больших радиаторах с большой площадью рассеивания тепла.

Для проектирования схемы управления инвертором, необходимо себе четко представить порок работы ключей. Для этого обратите внимание на рисунок ниже:

На нем представлены временные интервалы для каждого из ключей, установленных именно в таком порядке, как было показано на прошлом рисунке. То есть в фазе U работают транзисторы Т1 и Т4, в фазе V – Т3 и Т6 и так далее. Для каждой из обмоток двигателя свая пара IGBT. При построении ПЧ для маломощных моторов с небольшими токами можно использовать простые биполярные или полевые транзисторы.

На временной диаграмме видно, что в первый момент времени открываются транзисторы Т1, Т5 и Т6. Далее, транзистор Т1 и Т6 продолжают быть открытыми, в то время, как Т5 закрывается и открывается Т2 и так далее. Эта диаграмма полностью повторяет диаграмму напряжений в 3-фазной сети, но только импульсы имеют прямоугольную форму и имеют заданную контроллером частоту.

В результате получается своего рода циклическое переключение транзисторов, при этом ток в фазах получается сдвинут на 120º относительно друг друга. А для получения управляющего напряжения, состоящего из множества импульсов, в виде синусоидального сигнала с минимальным числом гармоник, пользуются отношением времени включения и выключения транзисторов.

Чтобы минимизировать потери в двигателе, которые обычно возникают при попытках регулирования за счет уменьшения напряжения на обмотках двигателя, прибегают к увеличению частоты.

Принцип регулирования скорости

Для изменения скорости вращения вала двигателя необходимо изменить частоту f 1, но делать это следует осторожно. Ведь необходимо сохранить ток намагничивания неизменным. Для поддержания этого баланса U 1 должны быть пропорционально f 1. но если баланс нарушен, то ток намагничивания будет либо уменьшаться, либо увеличиваться. Соответственно, поле будет ослабляться или перенасыщаться. Чтобы обеспечить это u / f -характеристику выбирают линейной до достижения угловой частоты. Она наступает тогда, когда напряжение на обмотках повышается до максимальной отметки.

Частотные преобразователи. Работа и устройство. Типы и применение

Ротор электродвигателя начинает свое вращение с помощью электромагнитных сил от вращающегося магнитного поля, вызванного обмоткой якоря. Число оборотов определяется частотой тока в сети. Стандартное значение частоты тока составляет 50 герц. Это означает, что 50 периодов колебаний совершается за 1 секунду. В минуту число колебаний составит 50 х 60 = 3000. Значит, ротор будет вращаться 3000 оборотов в минуту.

Если научиться изменять частоту тока, то появится возможность регулировки скорости двигателя. Именно по этому принципу действуют частотные преобразователи.

Современное исполнение преобразователей частоты выглядит в виде высокотехнологичного устройства, состоящего из полупроводниковых приборов, совместно с микроконтроллером электронной системы. С помощью этой системы управления изменяются важные параметры электродвигателя, например, число оборотов.

Изменить скорость привода можно и с помощью механического редуктора шестеренчатого типа, либо на основе вариатора. Но такие механизмы имеют громоздкую конструкцию, их нужно обслуживать. С использованием частотника (инвертора) снижается расход на техническое обслуживание, повышается функциональность привода механизма.

Виды
По конструктивным особенностям частотные преобразователи делятся:
  • Индукционные.
  • Электронные.

Электродвигатели асинхронного типа с фазным ротором, подключенные в режим генератора, представляют подобие индукционного частотного преобразователя. Они имеют малые КПД и эффективность. В связи с этим такие виды преобразователей не нашли популярности в использовании.

Электронные виды частотников дают возможность плавного изменения оборотов электродвигателей.

При этом реализуются два возможных принципа управления:
  1. По определенной зависимости скорости от частоты тока.
  2. По способу векторного управления.

Первый принцип самый простой, но не совершенный. Второй принцип применяется для точного изменения оборотов двигателя.

Конструктивные особенности

Рис. 1

Частотные преобразователи имеют в составе основные модули:
  • Выпрямитель.
  • Фильтр напряжения.
  • Инверторный узел.
  • Микропроцессорная система.

Все модули связаны между собой. Действие выходного каскада (инвертора) контролирует блок управления, с помощью которого меняются свойства переменного тока. Частотный преобразователь для электромотора имеет свои особенности. В его состав входит несколько защит, управление которыми осуществляется микроконтроллером. Например, проверяется температура полупроводников, работает защита от превышения тока и короткого замыкания. Частотник подключается к сети питания через устройства защиты. Для запуска электродвигателя не нужен магнитный пускатель.

Выпрямитель

Это первый модуль, по которому проходит ток. Он преобразует переменный ток в постоянный, благодаря полупроводниковым диодам. Особенностью частотника является возможность его питания от однофазной сети. Разница в конструкции состоит в разных типах выпрямителей.

Если мы говорим про однофазный частотник для двигателя, то нужно использовать в выпрямителе четыре диода по мостовой схеме. При трехфазном питании выбирается схема из шести диодов. В итоге получается выпрямление переменного тока, появляется два полюса: плюс и минус.

Читайте также:  Пассивация что это, описание процесса пассивирования, составы
Фильтр напряжения

Из выпрямителя выходит постоянное напряжение, которое имеет значительные пульсации, заимствованные от переменного тока. Для их сглаживания используют такие элементы, как электролитический конденсатор и катушка индуктивности.

Катушка имеет много витков, и обладает реактивным сопротивлением. Это дает возможность сглаживать импульсы тока. Конденсатор, подключенный к двум полюсам, имеет интересные характеристики. При прохождении постоянного тока он в силу закона Киргофа должен быть заменен обрывом, как будто между полюсами ничего нет. При прохождении переменного тока он должен быть проводником, то есть, не иметь сопротивления. В результате доля переменного тока замыкается и исчезает.

Инверторный модуль

Это узел, имеющий наибольшую важность в преобразователе частоты. Он изменяет параметры тока выхода, состоит из шести транзисторов. Для каждой фазы подключены по два транзистора. В каскаде инвертора применяются современные транзисторы IGBT.

Если изготавливать частотные преобразователи своими руками, то необходимо выбирать элементы конструкции, исходя из мощности потребления. Поэтому нужно сразу определить тип электродвигателя, который будет питаться от частотника.

Микропроцессорная система

В самодельной конструкции не получится добиться таких параметров, имеющихся у заводских моделей, так как в домашних условиях сделать управляющий модуль сложно. Дело не в пайке деталей, а в создании программы для микроконтроллера. Простой способ – это сделать управляющий блок, которым можно регулировать обороты двигателя, осуществлять реверс, защищать двигатель от перегрева и перегрузки по току.

Чтобы изменить обороты мотора, нужно применить переменное сопротивление, подключенное к вводу микроконтроллера. Это устройство подает сигнал на микросхему, которая производит анализ изменения напряжения и сравнивает его с эталоном (5 вольт). Система действует по алгоритму, который создается до начала создания программы. По нему действует микропроцессорная система.

Приобрели большую популярность управляющие модули Siemens. Частотные преобразователи этой фирмы надежны, могут применяться для любых электродвигателей.

Принцип действия

Основа работы инвертора состоит в двойном изменении формы электрического тока.

Напряжение подается на блок выпрямления с мощными диодами. Они удаляют гармонические колебания, однако оставляют импульсы сигнала. Чтобы их удалить, подключен конденсатор с катушкой индуктивности, образующие фильтр, который стабилизирует форму напряжения.

Далее, сигнал идет на частотный преобразователь. Он состоит из шести мощных транзисторов с диодами, защищающими от пробоя напряжения. Ранее для таких целей применялись тиристоры, но они не обладали таким быстродействием, и создавали помехи.

Чтобы подключить режим замедления мотора, в схему устанавливают транзистор управления с резистором, который рассеивает энергию. Такой способ дает возможность удалять образуемое двигателем напряжение, чтобы защитить емкости фильтра от выхода из строя вследствие перезарядки.

Метод управления векторного типа частотой инвертора дает возможность создания схемы, которая автоматически регулирует сигнал. Для этого применяется управляющая система:
  • Амплитудная.
  • Широтно-импульсная.

Амплитудная регулировка работает на изменении напряжения входа, а ШИМ – порядка действия переключений транзисторов при постоянном напряжении на входе.

При регулировании ШИМ образуется период модуляции, когда обмотка якоря подключается по очереди к выводам выпрямителя. Так как тактовая частота генератора высокая и находится в интервале 2-15 килогерц, то в обмотке мотора, имеющего индуктивность, осуществляется сглаживание напряжения до нормальной синусоиды.

Принцип подключения ключей на транзисторах

Каждый из транзисторов включается по встречно-параллельной схеме к диоду (Рис. 1). Через цепь транзистора протекает активный ток электродвигателя, реактивная часть поступает на диоды.

Чтобы исключить влияние помех на действие инвертора и электродвигателя, в схему подключают фильтр, который удаляет:
  • Радиопомехи.
  • Помехи от электрооборудования.

Об их образовании дает сигнал контроллер, чтобы снизить помехи, применяются экранированные провода от двигателя до выхода инвертора.

Чтобы оптимизировать точность функционирования асинхронных двигателей, в цепь управления инверторов подключают:
  • Ввод связи.
  • Контроллер.
  • Карта памяти.
  • Программа.
  • Дисплей.
  • Тормозной прерыватель с фильтром.
  • Охлаждение схемы вентилятором.
  • Прогрев двигателя.
Схемы подключения

Частотные преобразователи служат для работы в 1-фазных и 3-фазных сетях. Но если имеются промышленные источники питания на 220 вольт постоянного тока, то инверторы также можно подключать к ним.

Частотные преобразователи для 3-фазной сети рассчитаны на 380 вольт, их подают на мотор. 1-фазные частотники работают от сети 220 вольт, выдают на выходе 3 фазы. Частотник может подключаться к электродвигателю по схеме звезды или треугольника.

Обмотки мотора соединяются в «звезду» для частотника, работающего от трех фаз 380 вольт.

Обмотки двигателя соединяют «треугольником», когда инвертор запитан от 1-фазной сети.

При выборе метода подключения электродвигателя к частотнику необходимо определить мощности, которые создает двигатель на разных режимах, в том числе и медленный режим, тяжелый запуск. Преобразователь частоты нельзя эксплуатировать с перегрузкой длительное время. Его мощность должна быть с запасом, тогда работа будет без аварий, и срок службы продлится.

Применение

Частотные преобразователи используются в устройствах с необходимостью регулировки скорости двигателя.

  • Приводы насосов. Уменьшает потери тепла и воды на 10%. Снижает количество аварий, защищает электродвигатели.
  • Вентиляционные системы. Экономия больше, чем при работе с насосами, так как для запуска мощных вентиляторов применяют мощные приводы агрегатов. Экономия появляется за счет снижения потерь на холостом ходу.
  • Транспортеры. Инверторы адаптируют скорость двигателя к скорости технологической системы, которая постоянно изменяется. Мягкий пуск повышает ресурс привода системы, так как нет ударных нагрузок, которые вредят оборудованию.
  • Компрессоры.
  • Дымососы.
  • Центрифуги.
  • Лифтовое оборудование.
  • Оборудование в деревообработке.
  • Робототехника.

Применение частотного регулирования в квартальных системах теплоснабжения

Отдаем тепло

С момента принятия Федерального закона «Об энергосбережении» в 2009 г. на территории всей страны разворачиваются масштабные действия по реконструкции и реорганизации тепловых сетей. Вновь построенные и уже эксплуатируемые здания оснащаются автоматическими индивидуальными тепловыми пунктами и управляемыми насос­ными узлами с погодозависимым регулированием. В итоге потребление тепла становится динамическим. Соответственно, на источниках теплоты также необходимо изменять его подачу таким образом, чтобы в сети не циркулировал перегретый теплоноситель. В большинстве случаев вопрос решается дросселированием: в систему с перекачивающими насосами ставятся специальные задвижки, которые уменьшают расход воды.

У названного способа есть ряд недостатков:

  • Сложности в применении, обслуживании, эксплуатации. Во-первых, асинхронные двигатели насосов подключаются к электрической сети напрямую. Во-вторых, дополнительные дроссели и клапаны нуждаются в системе управления.
  • Давление в линии меняется не оперативно и ступенчато, что обуславливает низкий диапазон регулирования.
  • «Прямой» пуск асинхронных двигателей насосных агрегатов из-за высоких значений пусковых токов в сети губителен для двигателей и повышает вероятность возникновения гидроударов в трубопроводах.

Кроме всего вышеперечисленного, дросселирование неэкономично. Даже при отсутствии потребления насосы продолжают работать «на заслонку», попусту перегоняя теплоноситель. Бессмысленно тратятся и тепло, и электроэнергия.

Вот и получается, что потребители в лице управляющих компаний и ТСЖ устанавливают в домах автоматику и экономят на своих объектах, а теплосети, ставшие заложниками энергосбережения, платят генерирующим компаниям за неиспользуемые излишки.

Ситуацию усугубляет и опережающее развитие городской инфраструктуры. Строится все больше зданий, а значит, увеличивается и потребление тепла. Чтобы обеспечить нужды мегаполиса, приходится вводить новые генерирующие мощности. На подобные мероприятия не всегда хватает средств.

Выход заключается в регулировании частоты вращения рабочих колес циркуляционных насосов в зависимости от динамически меняющегося расхода теплоносителя на объектах теплоснабжения. В этом случае агрегаты будут давать именно такой напор, который необходим, а значит, сократятся потери, что позволит не переплачивать генерирующим компаниям. Кроме того, тепловые сети смогут более эффективно использовать имеющиеся резервы и уменьшить потребность в строительстве новых ЦТП и котельных.

Читайте также:  Ремонт подвески Fiat Albea – цены на ремонт ходовой Фиат Альбеа

Частотное регулирование

Об эффективности регулирования режимов работы циркуляционных насосов путем изменения частоты вращения их рабочих колес известно давно. Однако долгое время такой способ не был популярен ввиду отсутствия надежных и недорогих регулируемых электроприводов, а также сравнительно низких цен на электроэнергию (не было нужды экономить). Ситуация существенно изменилась за последние 15–20 лет в связи с ростом цен на энергоресурсы. Кроме того, на рынке появился ряд доступных и совершенных технических средств для управления асинхронными двигателями, в частности, преобразователей частоты (ПЧ).

Рис. 1. Преобразователь частоты VLT HVAC Basic

По утверждениям специалистов теплотехнической отрасти, применение ПЧ с насосами дает возможность плавного пуска агрегатов. Это, в свою очередь, ведет к:

  • устранению гидроударов в системе, возникающих при прямом пуске от сети электродвигателей насосов;
  • снижению износа циркуляционного агрегата, исполнительных механизмов, запорно-регулирующей арматуры, инженерной системы в целом;
  • снижению износа коммутационной аппаратуры;
  • снижению мощности источника питания и сечения кабеля электропитания.

Вместе с тем установка ПЧ может иметь и отрицательные последствия, так как возникает выброс гармонических искажений в сеть. Сегодня на рынке представлены разнообразные решения для устранения данной проблемы: пассивные и активные фильтры, 12-пульсные приводы и т. д. Оптимальным вариантом является использование комплексных решений, например преобразователей частоты (ПЧ) VLT HVAC Basic (рис. 1) со встроенным дросселем на звене постоянного тока. В этом случае нет необходимости приобретать внешний фильтр гармоник, что дает 10% экономию на стоимости преобразователя.

Принципиальная схема подключения ПЧ при использовании с циркуляционным насосом приведена на рис. 2. Она предусматривает ручной перевод ПЧ на байпас, а также попеременное включение рабочего и резервного насосов для обеспечения равномерной наработки. Переход между режимами осуществляется с помощью реверсивного рубильника QS2–QS4 («работа от ПЧ» — работа напрямую от сети). При этом алгоритм действий следующий: перевести переключатель SА1 в положение «Выкл.», дождаться остановки насоса и индикации «Стоп» (при работе от ПЧ). Затем отключить рубильник QS1 и переключить QS2–QS4. Поставить ручку SA1 в нужное положение.

Рис. 2. Схема автоматизации циркуляционных насосов (рабочего и резервного)

Переключение между насосами М1 и М2 осуществляется реверсивным рубильником QS3–QS5 только при отключенном вводном рубильнике QS1 в шкафу управления и остановленных насосных агрегатах.

Блок варисторов, присутствующий на схеме, является необязательным элементом, но он настоятельно рекомендуется к установке для защиты питающей сети от импульсных перенапряжений.

Как показывает практика, оснащение циркуляционных агрегатов преобразователями частоты позволяет сэкономить не менее 30% потребляемой электроэнергии. Помимо общего эффекта энергосбережения за счет снижения частоты вращения двигателя, использование некоторых ПЧ дает дополнительную экономию. Например, частотные преобразователи Danfoss имеют встроенную функцию автоматической оптимизации энергопотребления (АОЕ). С ее помощью привод использует энергии ровно столько, сколько необходимо для нагрузки в данное время. АОЕ позволяет обеспечивать минимальное потребление реактивной составляющей тока двигателя, поддерживая при этом требуемый момент, что увеличивает до максимума КПД мотора. В среднем использование АОЕ позволяет дополнительно экономить 5–10% электроэнергии.

Экономический эффект от использования ПЧ: пример расчета

Допустим, что имеются два агрегата (рабочий и резервный) мощностью по 10 кВт каждый. Они обеспечивают подачу воды для системы водоснабжения жилого дома. Насосы работают на номинальной мощности только в периоды с 1 ч ночи до 7 ч утра и днем с 10 до 16 ч. В остальное время производительность оборудования составляет 50% от номинала (25 Гц).

Учитывая, что потребляемая мощность электродвигателя прямо пропорциональна кубу производительности насоса, а КПД насосной установки приблизительно равен 0,6, получим:

Потребляемая мощность = 10 кВт (0,53)/КПД установки (0,6) = 2,1 кВт = 21% (от номинального значения).

Стоимость ПЧ VLT HVAC Basic FC101 мощностью 11 кВт ≈ 43 200 руб.

Стоимость 1 кВт электроэнергии ≈ 3 руб.

Экономия за сутки = (10 кВт–2,1 кВт) × 12 часов = 94,8 кВт.

Экономия за сутки = 3 × 94,8 = 284,4 руб.

Экономия за год = 284,4 руб. × 365 дней ≈103 500 руб.

Отдельно посчитаем экономию, которая достигается за счет энергосберегающих характеристик ПЧ Danfoss.

Функция автоматической оптимизации энергопотребления дает 5% экономии, автоматическая адаптация двигателя добавляет 5%, а функция «Сон» дополнительно сберегает 5% энергии.

Общая дополнительная экономия составит 15%.

Экономия за сутки = 3 руб. × 0,15 × 10 кВт × 12 ч = 54 руб.

Экономия за год = 365 × 54 = 19 710 руб.

Общая экономия электроэнергии = 103 500 + 19 710 ≈ 123 210 руб.

Экономия на дополнительном конвертере шлюзов достигает 6000 руб.

Экономия за счет встроенного дросселя на звене постоянного тока — около 6000 руб.

Экономия за счет встроенного логического контроллера — 4000 руб.

Опыт применения

Рис. 3. Перекачивающая насосная станция «Фортум»

Перекачивающая насосная станция компании «Фортум»

В рамках реализации инвестиционного проекта по созданию кольцевой схемы теплоснабжения Челябинска Уральской теплосетевой компанией (УТСК) была произведена реконструкция перекачивающей насосной станции (ПНС) № 4 (рис. 3). Данное решение было принято в связи с тем, что используемое оборудование устарело и не соответствовало современным требованиям безопасности и энергосбережения.

В результате реконструкции станция была оснащена насосами производительностью 1500 м 3 /ч каждый, ПЧ Danfoss серии VLT Aqua Drive мощностью 355 кВт каждый, а также современными трансформаторами. Объект полностью автоматизирован и управляется с диспетчерского пункта Челябинских тепловых сетей. В итоге, по свидетельствам специалистов УТСК, электропотребление насосной станции сократилось на 30%.

Кроме того, внедрение ПЧ на ПНС № 4 позволило:

  • быстро реагировать на изменения давления в тепловой сети, в том числе при разрывах трубопроводов;
  • предотвратить токовые перегрузки двигателей и коммутационного электротехнического оборудования при пусках-остановах насос­ных агрегатов и обеспечить все виды защит электродвигателей в эксплуатационных режимах;
  • значительно снизить кавитационный износ рабочих органов насосов и предотвратить гидравлические удары в трубопроводной сети при пусках-остановах насосных агрегатов;
  • снизить уровень аварийности, сократить время простоев и затраты на ремонт гидромеханического и электротехнического оборудования;
  • значительно снизить потребление электроэнергии, воды и теплоносителя.

Дома Якутска

Рис. 4. Преобразователь частоты Danfoss VLT Micro Drive

В рамках проекта реконструкции центрального теплового пункта (ЦТП) 43-го квартала Якутска был предусмотрен монтаж насосной станции, состоящей из трех агрегатов. Установку планировали оснастить частотно-регулируемым приводом с целью управления насосами в автоматическом режиме без постоянного присутствия обслуживающего персонала.

Службой эксплуатации ОАО «Нерюнгриэнергоремонт» предполагалось приобретение готовой насосной станции. Но специалисты обратили внимание, что в комплектных установках реализованы функции, которые не будут использоваться в процессе эксплуатации. Было принято решение рассмотреть вариант поставки насосной станции отечественного производства на основе импортных компонентов. Сотрудники проектной группы ОАО «Нерюнгриэнергоремонт» обратились с запросом к специалистам компании «ТЭТ-РС» и предложили сотрудничество по вопросу поставки насосной станции на базе преобразователей частоты. Общими силами специалисты двух компаний разработали проект насосной станции для управления тремя насосами на базе ПЧ Danfoss VLT Micro Drive FC-51 (рис. 4) мощностью 18,5 кВт. Стоит отметить, что данная серия ПЧ имеет по умолчанию встроенные фильтры электромагнитной совместимости (ЭМС), что значительно упростило решение проблемы ЭМС-оборудования.

Как пояснили специалисты эксплуатирующей организации, помимо автоматизации работы насосной станции была достигнута значительная экономия электроэнергии, а также снижен износ двигателей и увеличен срок их службы.

Очевидно, что России необходима реформа отрасли теплоснабжения. При этом, чтобы привести отрасль в соответствие с современными стандартами энергоэффективности, необходимо пересмотреть подход к организации отпуска тепла абонентам. Осуществить это позволяет использование современного оборудования, в частности, преобразователей частоты.

Ссылка на основную публикацию
Цоколи, типы и виды автомобильных ламп
Что означает маркировка автомобильных ламп С точки зрения автомобилиста – любителя автомобильные лампы можно разделить на три вида: лампы впереди...
Царь, просто царь тест-драйв Peterbilt 359 EXHD — – автомобильный журнал
Peterbilt 359 культовый дальнобойщик Peterbilt 359 — не автомобиль, а дорожный монстр. Такому грозному тягачу сложно составить конкуренцию даже в...
Царь-наковальня в Подмосковье фото, история, отзывы
Кузнечные наковальни виды, конструкции, изготовление Наковальня кузнеца. От правильного конструирования этого, на первый взгляд, весьма нехитрого предмета зависит производительность ковки...
Частичная замена масла в АКПП как выполняется
Какая замена масла в АКПП лучше частичная или полная Долговечность работы АКПП зависит не только от общих правил эксплуатации, но...
Adblock detector