Константин Цыплаков, АО «Систэм Электрик»
В этой статье мы постараемся разобраться, действительно ли низковольтный преобразователь частоты настолько хорош и у него «практически нет недостатков», кроме цены.
Часто приходится сталкиваться с распространенными заблуждениями и искажением информации в области электротехники. Например, не все знают, какая мощность указывается на потребителе электроэнергии — потребляемая из сети или самого устройства.
Также существует заблуждение, что устройство плавного пуска (УПП) — это просто «дешёвый» преобразователь частоты (ПЧ). На самом деле это разные по устройству аппараты, разработанные для разных задач.
Ещё одно распространённое мнение — установка одного ПЧ на несколько маленьких моторов всегда выгоднее, чем установка отдельного ПЧ на каждый электродвигатель (ЭД). Однако у этого решения масса недостатков и выгода по цене, если она и сохраняется, то не настолько существенная.
Часто говорят, что для защиты ПЧ нужно использовать автоматический выключатель с характеристикой D или даже автомат защиты двигателя без тепловой защиты. Но это тоже не обязательно.
Также ошибочно считать, что достаточно закрыть клеммы ПЧ с защитой IP20 крышкой, чтобы установить его вне шкафа. Согласно правилам устройства электроустановок (ПУЭ), такие устройства должны устанавливаться в шкафах со степенью защиты не ниже IP31, но установка подобных аксессуаров, по сути, не способна увеличить класс защиты ПЧ, а придает лишь видимый эффект.
И наконец, финальное заблуждение. Некоторые считают, что ПЧ всегда экономит электроэнергию, даже если регулирование не требуется и ЭД работает на полной скорости.
Эти и другие заблуждения часто принимаются как данность, пока не возникают реальные проблемы. У меня был опыт выбора бензогенератора для загородного дома, который не справлялся с пусковыми токами насоса для подачи воды в дом. Этот случай очередной раз призвал меня задуматься о том, что одна и таже та же информация воспринимается каждым человеком по-разному в зависимости от жизненного опыта.
Плюсы применения ПЧ
Частотное регулирование скорости двигателя совершило настоящий прорыв во многих отраслях, позволив регулировать скорость асинхронного двигателя с короткозамкнутом ротором (АДКЗ). Помимо того, что такой двигатель не имеет коллектора, дешев в обслуживании и производстве переменный ток легче передавать на большие расстояния. Благодаря ПЧ появились высокоскоростные электропоезда и электромобили. Например, Tesla использует АДКЗ в своих электрокарах, а китайские автопроизводители применяют больше синхронные двигатели. Их отличие в том, что в ротор встраивают постоянные магниты. Такие моторы имеют чуть больше КПД и значительно большую стоимость. Такими моторами ПЧ тоже научился управлять. Кстати, в ближайшее время «Систэм Электрик» планирует дополнить линейку SystemeVar Hertz SVPM, который сможет управлять синхронными двигателями на постоянных магнитах.
Другой важный плюс в том, что ПЧ позволяет легко встраивать ЭД практически любой мощностей в сложные технологические процессы, обеспечивая комплексную защиту (контроль параметров, равномерный расход ресурса механизмов, возможность создания автоматической системы управления несколькими двигателями без использования ПЛК). В частности, SystemeVar Hertz позволяет сделать полноценную насосную станцию управления двумя насосами с функцией сна без ПЛК (инструкция доступна по ссылке). ПЧ также позволяет использовать другие прикладные функции, не доступные ранее, например ведущий-ведомый, плавное заполнение трубопровода и.т.п.
Еще одно преимущество - универсальность или гибкость ОЕМ-решений. Часто при создании пожарной установки нет достоверных данных о давлении в трубе присоединения, из-за чего нельзя подобрать мощность двигателя. Решение на ПЧ позволяет подстроить установку на месте по факту.
Также ПЧ позволяет иногда экономить электроэнергию при определённых факторах: должны быть центробежная нагрузка и запас мощности ЭД. Считается, что максимальная экономия электроэнергии достигается при регулировании 40-80%. Также влияют тип ЭД, его техническое состояние, характер нагрузки, режим работы оборудования (непрерывный/циклический) и качество электросети. Для достижения максимальной эффективности при использовании ПЧ рекомендуется провести детальный энергоаудит системы перед модернизацией, выбрать оборудование с учётом запаса мощности 15–20%, оптимизировать параметры управления через программное обеспечение и регулярно проводить техническое обслуживание.
Недостатки и нюансы использования ПЧ
Высокую стоимость самого устройства и его дальнейшего обслуживания, сложность конструкции, большие габариты и высокие требования к квалификации персонала и к климатическим условиям работы можно вынести за скобки, чтобы сконцентрироваться на технической стороне вопроса применения низковольтного ПЧ.
Что происходит на стороне после ПЧ:
1. ЭД получает вместо стандартного синусоидального напряжения на вход его широтно-импульсную модуляцию (ШИМ). Это пики с резким фронтом нарастания напряжения, некоторые из них могут достигать 2Un. (2*400=800В). Это вредно для изоляции ЭД. Поэтому производили двигателей рекомендуют опции ее усиления при напряжении питания более 400В. Также ШИМ вызывают акустические шумы при работе, дополнительный нагрев ЭД, снижают класс энергоэффективности двигателя IE. (International Efficiency — международная стандартизированная система, которая классифицирует асинхронные электродвигатели по их КПД).
2. Паразитные токи утечки через подшипники вала ЭД обедняют смазку, приводя к образованию канавок выработки и их разрушению. С определённой мощности, например с 100 или даже с 45 кВт, в зависимости от производителя, целесообразно использовать изолированный щит или изолированный подшипник с неприводной стороны вала. Иногда это не помогает решить вопрос и тогда ставят дорогие изолированные подшипники с керамическими телами качения как с неприводной, так и с приводной стороны вала или применяют заземляющую втулку вала, которая дополнительно отводит токи утечки от подшипника, предотвращая его разрушение.
3. На большие мощности (более 300кВт) может понадобиться фильтр синфазных помех, который уменьшает вероятность возникновения токов утечки через подшипники.
4. Если ЭД уже установлен, но не имеет подготовки к работе с ПЧ или сам двигатель средневольтный (на 6кВ), рекомендуется устанавливать sin-фильтр. Он позволяет максимально приблизить форму выходного сигнала ПЧ к синусоидальной форме, а также убирает акустические шумы ЭД и радиопомехи от работы ПЧ. Такой подход в свою очередь может накладывать ряд ограничений, (например, работа ПЧ только в скалярном режиме управления).
5. Свыше 30кВт важно использовать симметричный экранированный моторный кабель с симметричным концевым заземлением на обоих концах. Это важно для работы ЭМС-фильтров и уменьшения воздействия помех на окружающие устройства. На мощности до 30кВт также рекомендуется применять такой кабель.
6. Кроме того, длины моторного кабеля имеют ограничения по длине как правило около 100 метров в зависимости от мощности ПЧ. И при ее превышении необходим dU/dt дроссель или dV/dt фильтр. sin-фильтр также подходит для данной задачи, позволяя увеличивать длины моторного кабеля вплоть до 1000 метров.
6. Дополнительные ограничения по температуре можно встретить во взрывозащищённых двигателях при эксплуатации во взрывоопасных зонах. Могут потребоваться опции дополнительных заводских испытаний, чтобы гарантировать отсутствие вероятности детонации от нагрева корпуса ЭД или возможного появления искр при работе.
7. При регулировании скорости электродвигателя меньше 100%. Момент может падать до 60% при нулевой скорости. Поэтому важно использовать программное обеспечение производителя подбора ЭД. Для центробежной нагрузки это не так критично, так как момент сопротивления падает быстрее скорости ЭД, а для нагрузок с постоянным моментом (не зависящим от скорости вращения) это необходимо учитывать. Кроме того, в стандартном исполнении двигателя на валу установлен вентилятор охлаждения. При регулировании меньше 100% падает его эффективность. Не всегда есть запас мощности ЭД, что может привести к перегреву. В этой связи рекомендуется ставить защиту на РТС и устанавливать независимое охлаждение.
8. При регулировании скорости электродвигателя выше 100%. Момент гораздо быстрее падает, а момент нагрузки, особенно квадратичной, сильно растёт. Поэтому надо выбирать ЭД с достаточным запасом по мощности.
Кроме того, могут не выдержать подшипники ЭД, дополнительно появляется риск выхода на резонансные частоты при регулировании выше 100%. Могут потребоваться высокоскоростные подшипники, а также пропуск резонансных частот частотным преобразователем. В зависимости от скорости вращения может потребоваться дополнительная балансировка ЭД, чтобы минимизировать вибрации при работе двигателя.
Что происходит на стороне перед ПЧ:
1. Для обеспечения координации типа 2 и защиты ПЧ недостаточно быстродействия классического автоматического выключателя (АВ). Согласно ПУЭ, для защиты полупроводниковых силовых аппаратов нужно устанавливать быстродействующие предохранители типа aR. Быстродействия АВ достаточно для защиты линии до ПЧ, но не самого ПЧ.
2. Негативное влияние на питающую сеть. Речь о гармониках THDi, уменьшающих коэффициент мощности ПЧ. Важно, чтобы мощность питающей сети превышала суммарную нагрузку ПЧ минимум в 1,5-2 раза. Стандартный ПЧ для питания звена постоянного тока использует классический мост Ларионова. Существуют аксессуары, которые уменьшают это воздействие это активные/пассивные фильтры, внешние реакторы (сетевой дроссель) или встроенный дроссель в DC как например в SystemeVar STV630. Более продвинутые ПЧ используют управляемый выпрямитель, который позволяет не только минимизировать THDi <5%, а также позволяет возвращать избыточную энергию, при работе с инертными нагрузками, обратно в сеть.
3. ШИМ от работы транзисторов типа IGBT создают высокочастотные помехи, которые могут вызывать искажения сигналов 0-10В, 4-20мА, вызывать ложные свечения светодиодов индикаторов, а также токи неотпускания катушки реле управления. Именно поэтому контрольные кабели необходимо прокладывать отдельно от силовых. Протоколы связи Fieldbus также сильно подвержены помехам от работы ПЧ, что может вызывать потерю пакетов информации или приводит к полной потери связи.
4. Чтобы уменьшить влияние помех от работы ПЧ, необходимо применять фильтры электромагнитной совместимости (ЭМС). Они могут быть встроенными в ПЧ, например в SystemeVar Hertz встроен фильтр ЭМС класса С3 согласно стандарту МЭК 61800. Если таких фильтров не предусмотрено конструкцией ПЧ, необходимо применять внешние ЭМС-фильтры.
Резюме
Экономический аспект использования преобразователя частоты не всегда очевиден. Появляются дополнительные тепловые потери в двигателе, самом преобразователе, в кабелях и трансформаторе. Это приводит к общему снижению энергоэффективности решения на ПЧ. Поэтому если регулировка скорости не требуется, есть смысл рассмотреть устройство плавного пуска или прямой пуск в качестве решения. Вероятно, это будет даже энергоэффективнее.
Использование чуть более дорогого ПЧ со встроенным ЭМС-фильтром класса С3 и выше или DC-дросселем может быть более экономически оправданным выбором.
Ограничение по длине моторных кабелей иногда можно решить не только установкой дросселей или фильтров, но и установкой более мощного частотника.
Экономически оправданным может быть выбор устройства в корпусе IP55/IP54 для установки в непосредственной близости к электродвигателю. Кстати, у «Систем Электрик» есть четыре серии преобразователей частоты в защищенном исполнении (SystemeVar Сabinet IP54, SystemeVar STV900 IP55, SystemeVar STV900H IP55, SystemeVar Hertz IP55).
Фильтры гармоник, особенно активные, стоят дорого и при проектировании нового объекта, возможно, более экономичным решением может оказаться установка более мощного питающего трансформатора.
Если вы желаете получить рекомендации в выборе аксессуаров к ПЧ, или получить помощь в настройке, обращайтесь к нам по почте support@systeme.ru или по телефону +7 495 777 99 88. Опытные технические специалисты с более чем 20-ти летним стажем работы с удовольствием окажут техническую консультацию или предложат решение вашей задачи.
Напишите в комментариях, какие вопросы из перечисленных вы бы хотели рассмотреть подробнее.
Если вас интересуют новости Автоматизации, и вы хотите быть в курсе всех новых интересных и полезных статей и видео, подписывайтесь на наш канал Systeme Electric: Автоматизация в Telegram и MAX.