Единая точка входа для раздела автоматизированных систем управления (стартовая страница) доступна по ссылке. Ну а теперь непосредственно к теме статьи.
Частотный преобразователь
Частотный преобразователь (инвертор, преобразователь частоты или ПЧ) — устройство силовой электроники, предназначенное для изменения частоты и амплитуды напряжения внешней сети после себя. Используется как компонент щитов станций управления (ЩСУ) в системах управления технологическим оборудованием. В иностранной терминологии — это щиты управления двигателями или MCC (Motor Control Center). ПЧ позволяет управлять моментом и скоростью вращения подключенного через него электродвигателя.
Изменяя частоту напряжения, мы можем изменять скорость вращения бесколлекторных (асинхронных и синхронных) электродвигателей. Таким образом, имеется возможность реализовать автоматическое управление работой привода по любым законам регулирования. При этом мы тратим столько электроэнергии, сколько требуется для процесса, достигая ее экономии в сравнении со случаем, если бы двигатель все время работал на номинальных параметрах. Так, например, для системы водоснабжения при увеличении расхода до пикового в утренние часы насос будет работать на полной мощности, но при снижении водозабора днем произойдет снижение скорости вращения рабочего механизма и, соответственно, потребляемая мощность уменьшится. На этом построены методики расчета окупаемости применения ПЧ.
Создавая сначала медленное магнитное поле, а затем ускоряя его до номинального режима, преобразователь частоты (ПЧ) обеспечивает плавный запуск электродвигателя и исключает пусковые токи, которые при прямом пуске достигают 4-8 кратных значений рабочего тока.
Программным способом меняя фазы местами с помощью частотного преобразования мы способны получить реверс без физического переключения фаз.
Добавляя в устройство различные вспомогательных модули, можно реализовать и иные полезные функции: защиту двигателя, сохранение и копирование параметров, обмен информацией с вышестоящим уровнем системы управления и т. д.
Для понимания процесса я могу порекомендовать читателю поискать в интернете отчеты-журналы, где наши Кулибины такие устройства собирают в домашних условиях. Это увлекательно и содержит интригу в лучших традициях — бахнет получившийся агрегат при включении или нет. Принципиально сложного в создании ПЧ ничего нет: выпрямляем переменное напряжение до постоянного, а затем с помощью блоков тиристорных ключей формируем из него сигнал (сигналы, если нужно иметь на выходе три фазы) требуемой частоты. Включая свет в комнате с разным ритмом, получаем светомузыку, которая будет наглядным аналогом того, что формируется на выходе ПЧ.
Вид нагрузки ПЧ
Важно помнить, что двигатель а) крутится (с угловой скоростью и частотой вращения), б) раскручивает некоторую нагрузку с определенным моментом (сопротивление на валу). В зависимости от сферы применения двигателя эти величины могут иметь или не иметь взаимной зависимости. Для продолжительного режима работы электродвигателя можно выделить два вида.
Нормальный режим характерен при нагрузке с переменным вращающимся моментом. Нагрузка растет пропорционально росту числа оборотов. То есть для механизма требуется низкий вращающийся момент при низкой частоте вращения, а при увеличении частоты вращения увеличивается вращающий момент. Это двигатели насосов, вентиляторов, части конвейеров, станков, дозаторов, компрессоров и т. д.
Тяжелый режим характерен при нагрузке с постоянным вращающимся моментом. Необходимый крутящий момент высок с момента пуска и не меняется пропорционально росту числа оборотов. Это электродвигатели подъемно-транспортного оборудования, дробилок, экструдеров и т. д.
Как правило, производители ПЧ разделяют нормальный и тяжелый режимы работы. Для каждого может выпускаться, например, своя серия устройств, а для универсального типа в таблицах выбора могут отличаться характеристики для подбора.
Способы управления электроприводом
Для большинства задач, где не требуется высокая динамика, а нагрузка либо постоянна, либо изменяется по известному закону используется скалярное управление (подойдет для 80% всех электродвигателей). Грубо говоря, на выходе ЧП поддерживается постоянное отношение между напряжением и частотой. Данная зависимость уже задана в ЧП (линейно, параболически, гиперболически) или может быть настроена пользователем по характерным точкам.
То есть с помощью этого метода мы сможем включить и выключить некий «средний» привод, а также осуществлять регулирование его скорости (задавая ее принудительно, либо по информации от первичного преобразователя контроля технологического процесса) вращения без потери крутящего момента с некоторой, не очень большой точностью. Популярность такого метода обусловлена его простотой, как с точки зрения настройки, так и с точки зрения физической реализации в железе. Однако ПЧ не может одновременно управлять частотой вращения и моментом, то есть данный режим может не подходить для работы с приводом, в котором ожидается быстропеременная нагрузка и требуется постоянное точное поддержание скорости вращения. А в случае с синхронным двигателем при резком изменении нагрузки можно совсем потерять управление.
Для того, чтобы независимо управлять скоростью и моментом бесколлекторных электродвигателей используются векторные методы управления с заданной точность. Они обеспечивают максимальное быстродействие и регулирование во всем диапазоне скоростей. Это достигается физически динамическим регулированием параметров выходного сигнала, включая фазу. То есть изменяется величина и угол пространственного вектора напряжений на выходе ПЧ. Чтобы в полном объеме настроить такой способ регулирования нужно а) иметь математическую модель электродвигателя, б) получать обратную связь по скорости электродвигателя (от энкодера, устанавливаемого на вал). Понятное дело, это сложно и обычно не вызывает энтузиазма у служителей культа автоматики.
Схемы управления частотных преобразователей могут обеспечивать все два метода управления электродвигателем. Но некоторые простые типы ПЧ поддерживают только скалярный.
Когда следует использовать преобразователь частоты
Если его использование позволяет добиться экономической эффективности с точки зрения затрат электроэнергии или эффективности технологического процесса. Что на самом деле, учитывая стоимость ЧП, не такое частое явление. Совершенно очевидно, что если двигатель один раз включается и работает на постоянную нагрузку, то в установке частотника нет никакой необходимости.
Заказчик системы должен указать способ подключения привода в техническом задании (ТЗ). Инженер-проектировщик не имеет информации (а обычно и квалификации) для принятия решения и ориентируется на требования исходных данных.
Помимо способа подключения привода через ЧП в ТЗ также указывается необходимость наличия в схеме байпаса — то есть реализация возможности включения привода минуя ЧП для обеспечения требований повышенной надежности. Иногда к ПЧ подключают группу приводов, но это не сильно распространено. Куда более часто ЧП ставят на ряд однотипных приводов, насосов или вентиляторов, параллельно. С помощью схемы управления осуществляется последовательное подключение ЧП к приводу, его плавный разгон, поддержание физического параметра. Если мощности двигателя не хватает, то текущий двигатель переключается на схему прямого включения и работает на полную мощность, а ЧП переключается на следующий двигатель, осуществляя с его помощью регулирование в следующем диапазоне. И так далее.
При снижении величины физического параметра схема отрабатывает алгоритм в обратном порядке.
Если в ТЗ все-таки отсутствует указание на требуемый тип подключения привода, то решение об использовании ПЧ разработчик автоматизированной системы управления (АСУ) должен принимать обоснованно совместно с технологом (службой эксплуатации) и с учетом необходимости поддержания физических параметров автоматизируемого технологического процесса.
Следует также помнить, что только для решения проблемы пусковых токов применять ЧП неоправданно. Следует использовать устройство плавного пуска (УПП) или же классическую схему запуска с переключением «звезда-треугольник».
Алгоритм выбора
Как обычно, источником вдохновения для данной статьи стала досадная неприятность, а именно, пожар в шкафу с ЧП на предприятии у Заказчика.
Шкаф в составе системы управления окорочным станком. Причем японского производства. Производитель помогать отказался, обещал перестать снимать телефонную трубку, ибо на дворе санкции и его, видите ли, могут наказать. Нужно срочно по обрывкам документации и исходникам программного обеспечения разбираться как это все еще недавно работало, перепроектировать, собирать, монтировать и запускать. До этого мы работали в основном с финскими окорочниками Valon Kone, но и здесь ничего сверхъестественного я не обнаружил.
Справедливости ради, сгореть ПЧ могли не только из-за неправильного подбора. Недостаточная вентиляция, скачки напряжения, короткое замыкание, ошибки в заземлении (или отсутствие заземления корпуса), сильная запыленность, дефекты изготовления. И еще много причин, которые, впрочем, не отменяют главного — к процессу подбора оборудования следует подходить ответственно.
Но перейдем к непосредственно к процессу выбора устройства.
1) А нужен ли ЧП?
Если о ЧП нет упоминаний в ТЗ, а человек, который будет заниматься автоматизацией и эксплуатацией системы на месте, старательно избегает общения с Вами, то смело реализовывайте прямой пуск. Для случая большой мощности и высоких пусковых токов используйте схему «звезда-треугольник» или устройство плавного пуска.
Только если привод требует регулирования по физическому параметру или какому-то закону, то переходите к следующему пункту.
2) Для какого двигателя мы подбираем ЧП?
Минимально вы имеете данные об его (а) мощности, (б) номинальном напряжении (количестве фаз) при рабочем соединении схемы подключения («звезда» или «треугольник»), (в) типе (асинхронный/синхронный).
Внимание! Нам обязательно нужен также номинальный ток двигателя. Как известно, тот сильно зависит от cos(φ). И не для всех двигателей это значение составляет принимаемое всеми для оценочного расчета значение 0,8. А ведь еще есть КПД двигателя. Выбор ПЧ осуществляется строго по рабочему току.
Iпч ≥ 1,1 х Iдв,
где Iпч — номинальный ток ПЧ (А), Iдв — номинальный ток двигателя с учетом фактического исполнения (лучше всего брать из паспортных данных или шильдика изделия с учетом схемы соединения обмоток).
3) Тип нагрузки и режим эксплуатации
Обычно тип нагрузки определяется из названия привода. Грузоподъемное оборудование, общепромышленные нагрузки, насосное и вентиляторное оборудование. Некоторые производители выделяют серии своих ПЧ по типу нагрузки. Для нормального режима работы подходят одни ПЧ, для тяжелого — другие.
Как правило, перед инженером стоит выбор: взять ПЧ, где в названии серии указано его оборудование назначения или же остановиться на общепромышленном применении. И как существо ленивое, он скорее всего выберет общепромышленный вариант, что в общем-то не является оптимальным.
Если двигатель периодически работает на значительную пиковую нагрузку (значительный пусковой момент на валу, быстрый разгон, резкое торможение), это нужно учитывать и проверять конкретную модель на перегрузочную способность.
Если сомневаетесь, то сделайте звонок представителю бренда (изготовитель подбираемого ПЧ). Действие не займет много времени и не будет лишним, в минимальной технической консультации мне лично никогда еще не отказывали. Правда, не всегда знали правильные ответы на вопросы, но то мелочи.
Заодно надо определиться с требуемым методом управления. Если разработкой АСУ занимаетесь не вы, то идите к разработчику и прямо спрашивайте, как он докатился до такой жизни и какой метод управления будет использовать вот в этом ПЧ.
Хотя, я знаю, что когда информации нет, то разработчик по умолчанию склоняется к мысли, что надо заложить самый фарш, а там в процессе люди разберутся. В большинстве своем значительная точность регулирования все-таки не требуется и лучше заложить более дешевое устройство.
К слову. Вы знаете, в свое время многократно проверяя за инженерами-проектировщиками их работу, сделал наблюдение: их решения в подавляющем большинстве были неоптимальными. То есть если сесть и разобраться, то можно решить задачу на 15-30% дешевле. У меня был уникальный случай, когда резервы и перезаложенное «на всякий случай» потянуло на 50% от стоимости реализуемой системы. Почему, как, к каким последствиям это приведет и, наконец, что с этим делать — эти вопросы оставлю компетентным руководителям для размышления. Факт для размышлений.
4) Дополнительные опции
4.1 Частотный преобразователь, как правило, является частью системы управления, поэтому предварительно должен быть решен вопрос с тем, как будет осуществляться обмен информацией. Как правило, все устройства объединены в промышленную сеть. Нужно уточнить, поддерживает ли ее устройство. Часто для поддержки требуется опционально установить в ПЧ соответствующую плату расширения.
4.2 Для управления двигателями с резко переменными нагрузками, быстрыми стартами и остановками (лифтовые, конвейерные двигатели) нужен ПЧ с модулем отвода излишков энергии, возникающих при торможении. Модуль (резистор) может быть встроенным или же должен заказываться отдельно.
4.3 Входной (сетевой) дроссель является буфером между сетью электроснабжения и преобразователем частоты и защищает сеть от высших гармоник. Защищает он от пиковых скачков напряжения в сети и сам ПЧ, особенно при резком скачке сетевого напряжения, который бывает, например, при отключении мощных асинхронных двигателей. Установка сетевого дросселя рекомендуется при нестабильных параметрах питания (пульсация, провалы напряжения), при перекосе фаз более 3%, при наличии во внешней сети значительных помех от другого оборудования, при присоединении большого количества ПЧ к одной линии электропитания и т. д.
И да, стороннее оборудование очень не любит сети, где присутствуют высшие гармоники. Как минимум на подстанции у Заказчика могут сгореть УКРМ (очень много печальных историй могу рассказать на эту тему), иногда вместе с подстанциями. Во-вторых, в нейтрали сети могут кратковременно возникать токи, значительной величины, что ни к чему хорошему не приводит.
4.4 Выходной (моторный) дроссель позволяет работать ПЧ, если длина кабельной линии от него до привода большая (разные производители указывают разное ее значение, навскидку среднее — 30 м, но уточняйте). Выходной фильтр ограничивает крутизну нарастания напряжения du/dt, сглаживает синусоиду тока на выходе из ПЧ, защищает двигатель от импульсных токов, уменьшает электромагнитные помехи, ограничивает амплитуды тока короткого замыкания (КЗ), снижает скорость его нарастания и, как следствие, улучшает защиту ПЧ от КЗ.
4.5 Стандартно ПЧ имеют степень защиты IP23 и могут устанавливаться только в чистых электрощитовых помещениях. Если их надо ставить в цеху (или не дай бог, на улице), то IP требуется повышать. У некоторых производителей имеются преобразователи с IP54, но, если говорить про импорт, такие сейчас не поставляют из-за дороговизны и бессмысленности. Куда легче установить ПЧ в шкаф требуемой степени защиты, добавить обогрев и вентиляцию по вкусу.
Единственное, что надо учесть — при работе полупроводниковые ключи выделяют достаточно большое количество тепла. В шкафах с ПЧ должна применяться активная система охлаждения в обязательном порядке.
5) Выбор производителя
Не являясь никем ангажированным, этот вопрос оставлю на предпочтение конкретного разработчика или стандартов его компании. Главное, чтобы все требуемые функции и аксессуары в продукции присутствовали, а качество, поддержка и гарантия позволяла потом спать спокойно.
Ну и документировано изделие было хорошо. Ведь кому-то еще его настраивать.
Ознакомиться с содержанием журнала.
Уважаемые коллеги, желаю хорошего дня. Подписывайтесь, чтобы иметь возможность обсудить со мной вашу задачу в комментариях. Буду рад лайку, альтернативному мнению или истории по теме статьи.
ПРЕДУПРЕЖДЕНИЕ №1: Оценки, суждения и предложения по рассматриваемым вопросам являются личным мнением автора.
ПРЕДУПРЕЖДЕНИЕ №2: Техническая информация, представленная на сайте, не является официальной и предоставлена только в целях ознакомления. Владелец сайта не несет никакой ответственности за риски, связанные с использованием информации, полученной из данного источника.
Все изображения, если не указано иное, либо выполнены автором, либо взяты из открытых источников.