Частотный преобразователь - эффективный способ экономии

Размещено на http://www.allbest.ru/

Частотный преобразователь-эффективный способ экономии

Частотный преобразователь (или частотно-регулируемый электропривод) - это статическое преобразовательное устройство, предназначенное для изменения скорости вращения асинхронных электродвигателей переменного тока.

Асинхронные электродвигатели просты по своей конструкции и удобны в обслуживании, поэтому имеют значительное преимущество перед электродвигателями постоянного тока. Этот факт обуславливает их однозначное преобладание и повсеместное применение практически во всех отраслях промышленности, энергетики и т.д.

Регулирование скорости вращения исполнительного механизма можно производить посредством различных по своему составу и принципу действия устройств. Так, например, наиболее известными и распространенными устройствами являются следующие:

1. Гидравлическое устройство - гидравлическая муфта.

2. Механическое устройство - механический вариатор.

3. Электрические устройства:

· электромеханический преобразователь частоты (системы Генератор-Двигатель)

· дополнительно вводимые в статор или фазный ротор сопротивления и др.

· статический преобразователь частоты

При использовании частотных преобразователей отсутствуют все недостатки, присутствующие при использовании остальных устройств, а именно:

· низкое качество регулирования

· малый диапазон регулирования

· низкая экономичность

· сложности в применении

· сложность эксплуатации и обслуживания

Регулирование скорости вращения асинхронного электродвигателя в этом случае производится путем изменения частоты и величины напряжения питания двигателя.

КПД такого преобразования очень высокое и составляет порядка 98 %. При этом из сети потребляется практически только активная составляющая тока нагрузки. частотный преобразователь привод электродвигатель

Микропроцессорная управляющая система обеспечивает высокое качество управления электродвигателем и контролирует множество его параметров, предотвращая тем самым возможность возникновения аварийных ситуаций.

Состав силовой части такого преобразователя приведён на рис. 1.

· входной неуправляемый выпрямитель

· звено постоянного тока с LC-фильтром

· автономный инвертор напряжения с ШИМ

Частотный преобразователь необходим для решения стандартных проблем практически любого предприятия или организации, например таких как:

· экономия энергоресурсов

· снижение затрат на плановые ремонтные работы и капитальный ремонт

· увеличение срока службы технологического оборудования

· обеспечение оперативного управления и достоверного контроля за ходом выполнения технологических процессов

Значительная экономия электроэнергии достигается при одном условии - приводной механизм должен что-либо регулировать (поддерживать какой-либо технологический параметр):

· если используется насос, то необходимо регулировать расход воды, давление в сети или температуру чего-либо охлаждаемого или нагреваемого

· если используется вентилятор или дымосос, то регулировать нужно температуру или давление воздуха, разрежение газов

· если используется конвейер, то часто бывает нужно регулировать его производительность

· если используется станок, то нужно регулировать скорости подачи или главного движения

Можно выделить типовые механизмы, эксплуатационная и экономическая эффективность которых значительно увеличивается при внедрении частотных преобразователей и систем автоматизации на их базе:

· насосы, вентиляторы, дымососы;

· конвейеры, транспортеры;

· подъемники, краны, лифты и др.

Особый экономический эффект от использования частотных преобразователей дает применение принципа частотного регулирования на объектах, обеспечивающих транспортировку жидкостей.

До сих пор самым распространённым способом регулирования производительности таких объектов является использование задвижек или регулирующих клапанов, но сегодня абсолютно доступным становится частотное регулирование асинхронного двигателя, приводящего в движение, например, рабочее колесо насосного агрегата или вентилятора. Перспективность частотного регулирования наглядно видна на рис.2.

Для дросселирования - в точке Q=0(Pmin) задвижка закрыта, а в точке Q=1(Pmax) задвижка открыта.

Можно заметить, что при дросселировании энергия потока вещества, сдерживаемого задвижкой или клапаном, просто теряется, не совершая никакой полезной работы. Применение частотного преобразователя в составе насосного агрегата или вентилятора позволяет просто задать необходимое давление или расход, что обеспечит не только экономию электроэнергии, но и снижение потерь транспортируемого вещества.

В промышленно развитых странах уже практически невозможно найти асинхронный электродвигатель без преобразователя частоты.

Экономическая и техническая эффективность частотно регулируемого привода

Несмотря на кажущуюся значительную стоимость современных преобразователей, окупаемость вложенных средств за счёт экономии энергоресурсов и других составляющих эффективности не превышает в среднем 1,5 лет. Это вполне реальные сроки, а учитывая многолетний ресурс подобной техники, можно подсчитать ожидаемую экономию на длительный период и принять правильное решение.

Самая привлекательная особенность этого оборудования заключается в том, что оно представляет из себя один из наиболее выгодных объектов для инвестирования средств предприятия.

С одной стороны, инвестируя средства в преобразователи частоты для своего производства, предприятие гарантированно возвращает эти средства за период срока окупаемости, а в последующие 15-20 лет предприятие просто получает чистую прибыль. С другой стороны, сделанные инвестиции ни на минуту не покидают пределов вашего предприятия.

Обоснование технической эффективности внедрения частотного привода

При использовании преобразователя частоты появляются следующие технические возможности:

· регулирование скорости от нуля до номинальной и выше номинальной

· плавный разгон и торможение

· ограничение тока на уровне номинального в пусковых, рабочих и аварийных режимах

· увеличение срока службы механической и электрической частей оборудования

· высвобождается некоторое оборудование

· монтаж частотного преобразователя возможен в стандартной ячейке распредустройства на месте высвобождаемого оборудования

Обоснование экономической эффективности внедрения частотного привода - расчет окупаемости:

Оценим величину экономического эффекта от применения преобразователя частоты Lenze SMD ESMD223L4TXA (цена со склада в Петербурге 37 000 р. с НДС) на насосном агрегате мощностью 22 кВт.

Величина экономии электроэнергии при внедрении преобразователей частоты может составлять до 45 %. Мы в своих расчетах примем экономию за 20% хотя на практике она может составлять и 40%. Таким образом, для насосного агрегата мощностью 22 кВт и работающего, к примеру, 9 месяцев в году, величина экономии электроэнергии за 1 год составит:

Е(1 год, кВт*ч) = 90 кВт * 0,2 * 24 часа * 22 дней * 12 месяцев = 27 878,4 кВт*ч.

В денежном выражении при стоимости 1 кВт*ч = 106,85 коп. (тариф на электроэнергию для промышленных и приравненных к ним потребителей с присоединенной мощностью > 750 кВА, 2007 г.) величина экономии составит:

Е(1 год, руб.) = 27 878,4 кВт*ч * 1,0685 руб. = 29 788,07 руб.

Таким образом, срок окупаемости в этом случае составляет 37 000/ 29 788,07 = 1,24 года, дальше будем экономить более 9 000 руб. ежемесячно.

Технико-экономическое обоснование необходимости установки частотного преобразователя в приводах канализационно-насосных станций

С целью реализации программы энерго- и ресурсосбережения предлагается установить частотные преобразователи для регулируемых электроприводов на основе асинхронных двигателей. Это позволит осуществлять оптимальное управление двигателями и оптимизировать режим работы КНС. Зачастую аастотные преобразователи устанавливаются в шкафы силовые.

Цель предложения

Экономия материальных средств и снижение энергозатрат в коммунальном хозяйстве.

Регулирование режимов работы электродвигателей позволит:

· обеспечить экономию электроэнергии;

· увеличить срок службы оборудования;

· существенно снизить затраты на текущее обслуживание;

· значительно увеличить ресурс электродвигателя.

· Экономия электроэнергии (20 % и более) обеспечивается за счет:

· существенного уменьшения потребляемой электродвигателем средней мощности при обеспечении заданного уровня в резервуаре.

· регулирование производительности насосного агрегата посредством изменения частоты вращения электродвигателя позволяет отказаться от «ступенчатого» регулирования.

· Снижение затрат на текущее обслуживание обеспечивается за счет:

· уменьшения износа основных узлов электродвигателей и насосных агрегатов из-за меньших механических нагрузок;

· уменьшения износа коммутационной аппаратуры из-за меньшего числа переключений, малых токов коммутации.

Увеличение ресурса электродвигателя (в 1,5-2 раза) обеспечивается за счет:

· существенного уменьшения средней частоты вращения;

· обеспечения частотным преобразователем мягкого пуска электродвигателя, так как пусковые токи не превышают рабочих;

· повышения эффективности защиты электродвигателя от перегрузки, обрыва фазы, от пониженного (повышенного) напряжения, от работы при неисправном насосном агрегате.

Технико - экономическое обоснование

При определении экономической эффективности применения частотного преобразователя на объектах учитываются следующие факторы:

а) экономия электроэнергии (20 % и более);

б) снижение затрат на текущее обслуживание;

в) увеличение ресурса электродвигателя (в 1,5-2 раза).

Ниже приведена упрощенная формула расчета срока окупаемости частотных преобразователей:

(1)

где:

- срок окупаемости в месяцах;

- стоимость преобразователя;

Размещено на http://www.allbest.ru/

- стоимость сэкономленной электроэнергии за месяц.

Расчет срока окупаемости по формуле (1) для частотного преобразователя EI-7011.CS мощностью 37 кВт. Необходимые данные предоставлены.

· Учитывая существующий диапазон изменения нагрузки, ожидаемую экономию электроэнергии принимаем равной 20 %.

· Определяем среднемесячную экономию электроэнергии

· = 730 час * 37 кВт * 20 % = 5 402 кВт * час (2)

· Определяем стоимость сэкономленной электроэнергии с учетом величины тарифа 2,16 руб./кВт*час.

· = 5 402 кВт*час*2,16 руб./кВт*час = 11 668,32 руб.

· Определяем срок окупаемости преобразователя стоимостью 69,998 тыс. руб.:

месяцев (4)

Выводы.

Указанные расчеты показывают, что частотный преобразователь окупится после полугода эксплуатации (экономия фонда заработной платы ФЗП оперативного персонала не учтена).

НПО "СТРОЙТЕХАВТОМАТИКА"

Наиболее распространены следующие способы регулирования скорости асинхронного двигателя: изменение дополнительного сопротивления цепи ротора, изменение напряжения, подводимого к обмотке статора, двигателя изменение частоты питающего напряжения, а также переключение числа пар полюсов.

Регулирование частоты вращения асинхронного двигателя путем введения резисторов в цепь ротора

Введение резисторов в цепь ротора приводит к увеличению потерь мощности и снижению частоты вращения ротора двигателя за счет увеличения скольжения, поскольку n = nо (1 - s).

Из рис. 1 следует, что при увеличении сопротивления в цепи ротора при том же моменте частота вращения вала двигателя уменьшается.

Жесткость механических характеристик значительно снижается с уменьшением частоты вращения, что ограничивает диапазон регулирования до (2 - 3) : 1. Недостатком этого способа являются значительные потери энергии, которые пропорциональны скольжению. Такое регулирование возможно только для двигателя с фазным ротором.

Регулирование частоты вращения асинхронного двигателя изменением напряжения на статоре

Изменение напряжения, подводимого к обмотке статора асинхронного двигателя, позволяет регулировать скорость с помощью относительно простых технических средств и схем управления. Для этого между сетью переменного тока со стандартным напряжением U1ном и статором электродвигателя включается регулятор напряжения.

При регулировании частоты вращения асинхронного двигателя изменением напряжения, подводимого к обмотке статора, критический момент Мкр асинхронного двигателя изменяется пропорционально квадрату подводимого к двигателю напряжения Uрет (рис. 3), а скольжение от Uрег не зависит.

Рис. 1. Механические характеристики асинхронного двигателя с фазным ротором при различных сопротивлениях резисторов, включенных в цепь ротора

Рис. 2. Схема регулирования скорости асинхронного двигателя путем изменения напряжения на статоре

Рис. 3. Механические характеристики асинхронного двигателя при изменении напряжения подводимого к обмоткам статора



Если момент сопротивления рабочей машины больше пускового момента электродвигателя (Мс > Мпуск), то двигатель не будет вращаться, поэтому необходимо запустить его при номинальном напряжении Uном или на холостом ходу.

Регулировать частоту вращения короткозамкнутых асинхронных двигателей таким способом можно только при вентиляторном характере нагрузки. Кроме того, должны использоваться специальные электродвигатели с повышенным скольжением. Диапазон регулирования небольшой, до nкр.

Для изменения напряжения применяют трехфазные автотрансформаторы и тиристорные регуляторы напряжения.

Рис. 4. Схема замкнутой системы регулирования скорости тиристорный регулятор напряжения - асинхронный двигатель (ТРН - АД)

Замкнутая схема управления асинхронным двигателем, выполненным по схеме тиристорный регулятор напряжения - электродвигатель позволяет регулировать скорость асинхронного двигателя с повышенным скольжением (такие двигатели применяются в вентиляционных установках).



Регулирование частоты вращения асинхронного двигателя изменением частоты питающего напряжения

Так как частота вращения магнитного поля статора nо = 60f/р, то регулирование частоты вращения асинхронного двигателя можно производить изменением частоты питающего напряжения.

Принцип частотного метода регулирования скорости асинхронного двигателя заключается в том, что, изменяя частоту питающего напряжения, можно в соответствии с выражением при неизменном числе пар полюсов р изменять угловую скорость nо магнитного поля статора.

Этот способ обеспечивает плавное регулирование скорости в широком диапазоне, а механические характеристики обладают высокой жесткостью.

Для получения высоких энергетических показателей асинхронных двигателей (коэффициентов мощности, полезного действия, перегрузочной способности) необходимо одновременно с частотой изменять и подводимое напряжение. Закон изменения напряжения зависит от характера момента нагрузки Мс. При постоянном моменте нагрузки напряжение на статоре должно регулироваться пропорционально частоте.

Схема частотного электропривода приведена на рис. 5, а механические характеристики АД при частотном регулировании -- на рис. 6.

Рис. 5. Схема частотного электропривода



Рис. 6. Механические характеристики асинхронного двигателя при частотном регулировании

С уменьшением частоты f критический момент несколько уменьшается в области малых частот вращения. Это объясняется возрастанием влияния активного сопротивления обмотки статора при одновременном снижении частоты и напряжения.

Частотное регулирование скорости асинхронного двигателя позволяет изменять частоту вращения в диапазоне (20 - 30) : 1. Частотный способ является наиболее перспективным для регулирования асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором. Потери мощности при таком регулировании невелики, поскольку минимальны потери скольжения.

Большинство современных преобразователей частоты построено по схеме двойного преобразования. Они состоят из следующих основных частей: звена постоянного тока (неуправляемого выпрямителя), силового импульсного инвертора и системы управления.

Звено постоянного тока состоит из неуправляемого выпрямителя и фильтра. Переменное напряжение питающей сети преобразуется в нем в напряжение постоянного тока.

Силовой трехфазный импульсный инвертор содержит шесть транзисторных ключей. Каждая обмотка электродвигателя подключается через соответствующий ключ к положительному и отрицательному выводам выпрямителя. Инвертор осуществляет преобразование выпрямленного напряжения в трехфазное переменное напряжение нужной частоты и амплитуды, которое прикладывается к обмоткам статора электродвигателя.

В выходных каскадах инвертора в качестве ключей используются силовые IGBT-транзисторы. По сравнению с тиристорами они имеют более высокую частоту переключения, что позволяет вырабатывать выходной сигнал синусоидальной формы с минимальными искажениями. Регулирование выходной частоты Iвых и выходного напряжения осуществляется за счет высокочастотной широтно-импульсной модуляции.

Регулирование частоты вращения асинхронного двигателя переключение числа пар полюсов

Ступенчатое регулирование скорости можно осуществить, используя специальные многоскоростные асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором.

Из выражения nо = 60f/р следует, что при изменении числа пар полюсов р получаются механические характеристики с разной частотой вращения nо магнитного поля статора. Так как значение р определяется целыми числами, то переход от одной характеристики к другой в процессе регулирования носит ступенчатый характер.

Существует два способа изменения числа пар полюсов. В первом случае в пазы статора укладывают две обмотки с разным числом полюсов. При изменении скорости к сети подключается одна из обмоток. Во втором случае обмотку каждой фазы составляют из двух частей, которые соединяют параллельно или последовательно. При этом число пар полюсов изменяется в два раза.



Рис. 7. Схемы переключения обмоток асинхронного двигателя: а - с одинарной звезды на двойную; б - с треугольника на двойную звезду

Регулирование скорости путем изменения числа пар полюсов экономично, а механические характеристики сохраняют жесткость. Недостатком этого способа является ступенчатый характер изменения частоты вращения асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором. Выпускаются двухскоростные двигатели с числом полюсов 4/2, 8/4, 12/6. Четырехскоростной электродвигатель с полюсами 12/8/6/4 имеет две переключаемые обмотки.

Использованы материалы книги Дайнеко В.А., Ковалинский А.И. Электрооборудование сельскохозяйственных предприятий.

Основные сведения о частотно-регулируемом электроприводе

Частотный преобразователь в комплекте с асинхронным электродвигателем позволяет заменить электропривод постоянного тока. Системы регулирования скорости двигателя постоянного тока достаточно просты, но слабым местом такого электропривода является электродвигатель. Он дорог и ненадежен. При работе происходит искрение щеток, под воздействием электроэрозии изнашивается коллектор. Такой электродвигатель не может использоваться в запыленной и взрывоопасной среде.

Асинхронные электродвигатели превосходят двигатели постоянного тока по многим параметрам: они просты по устройству и надежны, так как не имеют подвижных контактов. Они имеют меньшие по сравнению с двигателями постоянного тока размеры, массу и стоимость при той же мощности. Асинхронные двигатели просты в изготовлении и эксплуатации.

Основной недостаток асинхронных электродвигателей - сложность регулирования их скорости традиционными методами (изменением питающего напряжения, введением дополнительных сопротивлений в цепь обмоток).

Управление асинхронным электродвигателем в частотном режиме до недавнего времени было большой проблемой, хотя теория частотного регулирования была разработана еще в тридцатых годах. Развитие частотно-регулируемого электропривода сдерживалось высокой стоимостью преобразователей частоты. Появление силовых схем с IGBT-транзисторами, разработка высокопроизводительных микропроцессорных систем управления позволило различным фирмам Европы, США и Японии создать современные преобразователи частоты доступной стоимости.

Известно, что регулирование частоты вращения исполнительных механизмов можно осуществлять при помощи различных устройств: механических вариаторов, гидравлических муфт, дополнительно вводимыми в статор или ротор резисторами, электромеханическими преобразователями частоты, статическими преобразователями частоты.

Применение первых четырех устройств не обеспечивает высокого качества регулирования скорости, неэкономично, требует больших затрат при монтаже и эксплуатации.

Статические преобразователи частоты являются наиболее совершенными устройствами управления асинхронным приводом в настоящее время.

Принцип частотного метода регулирования скорости асинхронного двигателя заключается в том, что, изменяя частоту f1 питающего напряжения, можно в соответствии с выражением

неизменном числе пар полюсов p изменять угловую скорость магнитного поля статора.

Этот способ обеспечивает плавное регулирование скорости в широком диапазоне, а механические характеристики обладают высокой жесткостью.

Регулирование скорости при этом не сопровождается увеличением скольжения асинхронного двигателя, поэтому потери мощности при регулировании невелики.

Для получения высоких энергетических показателей асинхронного двигателя - коэффициентов мощности, полезного действия, перегрузочной способности - необходимо одновременно с частотой изменять и подводимое напряжение.

Закон изменения напряжения зависит от характера момента нагрузки Mс . При постоянном моменте нагрузки Mс=const напряжение на статоре должно регулироваться пропорционально частоте:

Для вентиляторного характера момента нагрузки это состояние имеет вид:

При моменте нагрузки, обратно пропорциональном скорости:

Таким образом, для плавного бесступенчатого регулирования частоты вращения вала асинхронного электродвигателя, преобразователь частоты должен обеспечивать одновременное регулирование частоты и напряжения на статоре асинхронного двигателя.

Преимущества использования регулируемого электропривода в технологических процессах

Применение регулируемого электропривода обеспечивает энергосбережение и позволяет получать новые качества систем и объектов. Значительная экономия электроэнергии обеспечивается за счет регулирования какого-либо технологического параметра. Если это транспортер или конвейер, то можно регулировать скорость его движения. Если это насос или вентилятор - можно поддерживать давление или регулировать производительность. Если это станок, то можно плавно регулировать скорость подачи или главного движения.

Особый экономический эффект от использования преобразователей частоты дает применение частотного регулирования на объектах, обеспечивающих транспортировку жидкостей. До сих пор самым распространённым способом регулирования производительности таких объектов является использование задвижек или регулирующих клапанов, но сегодня доступным становится частотное регулирование асинхронного двигателя, приводящего в движение, например, рабочее колесо насосного агрегата или вентилятора.

Перспективность частотного регулирования наглядно видна из рисунка 1

Таким образом, при дросселировании поток вещества, сдерживаемый задвижкой или клапаном, не совершает полезной работы. Применение регулируемого электропривода насоса или вентилятора позволяет задать необходимое давление или расход, что обеспечит не только экономию электроэнергии, но и снизит потери транспортируемого вещества.

Структура частотного преобразователя

Большинство современных преобразователей частоты построено по схеме двойного преобразования. Они состоят из следующих основных частей: звена постоянного тока (неуправляемого выпрямителя), силового импульсного инвертора и системы управления.

Звено постоянного тока состоит из неуправляемого выпрямителя и фильтра. Переменное напряжение питающей сети преобразуется в нем в напряжение постоянного тока.

Силовой трехфазный импульсный инвертор состоит из шести транзисторных ключей. Каждая обмотка электродвигателя подключается через соответствующий ключ к положительному и отрицательному выводам выпрямителя. Инвертор осуществляет преобразование выпрямленного напряжения в трехфазное переменное напряжение нужной частоты и амплитуды, которое прикладывается к обмоткам статора электродвигателя.

В выходных каскадах инвертора в качестве ключей используются силовые IGBT-транзисторы. По сравнению с тиристорами они имеют более высокую частоту переключения, что позволяет вырабатывать выходной сигнал синусоидальной формы с минимальными искажениями.

Принцип работы преобразователя частоты

Преобразователь частоты состоит из неуправляемого диодного силового выпрямителя В, автономного инвертора , системы управления ШИМ, системы автоматического регулирования, дросселя Lв и конденсатора фильтра Cв (рис.2). Регулирование выходной частоты fвых. и напряжения Uвых осуществляется в инверторе за счет высокочастотного широтно-импульсного управления.

Широтно-импульсное управление характеризуется периодом модуляции, внутри которого обмотка статора электродвигателя подключается поочередно к положительному и отрицательному полюсам выпрямителя.

Длительность этих состояний внутри периода ШИМ модулируется по синусоидальному закону. При высоких (обычно 2…15 кГц) тактовых частотах ШИМ, в обмотках электродвигателя, вследствие их фильтрующих свойств, текут синусоидальные токи.



Таким образом, форма кривой выходного напряжения представляет собой высокочастотную двухполярную последовательность прямоугольных импульсов (рис. 3). Частота импульсов определяется частотой ШИМ, длительность (ширина) импульсов в течение периода выходной частоты АИН промодули-рована по синусоидальному закону. Форма кривой выходного тока (тока в обмотках асинхронного электродвигателя) практически синусоидальна.

Регулирование выходного напряжения инвертора можно осуществить двумя способами: амплитудным (АР) за счет изменения входного напряжения Uв и широтно-импульсным (ШИМ) за счет изменения программы переключения вентилей V1-V6 при Uв = const.

Второй способ получил распространение в современных преобразователях частоты благодаря развитию современной элементной базы (микропроцессоры, IBGT-транзисторы). При широтно-импульсной модуляции форма токов в обмотках статора асинхронного двигателя получается близкой к синусоидальной благодаря фильтрующим свойствам самих обмоток.



Такое управление позволяет получить высокий КПД преобразователя и эквивалентно аналоговому управлению с помощью частоты и амплитуды напряжения.

Современные инверторы выполняются на основе полностью управляемых силовых полупроводниковых приборов - запираемых GTO - тиристоров, либо биполярных IGBT-транзисторов с изолированным затвором. На рис. 2.45 представлена 3-х фазная мостовая схема автономного инвертора на IGBT-транзисторах.

Она состоит из входного емкостного фильтра Cф и шести IGBT-транзисторов V1-V6 включенными встречно-параллельно диодами обратного тока D1-D6.

За счет поочередного переключения вентилей V1-V6 по алгоритму, заданному системой управления, постоянное входной напряжение Uв преобразуется в переменное прямоугольно-импульсное выходное напряжение. Через управляемые ключи V1-V6 протекает активная составляющая тока асинхронного электродвигателя, через диоды D1-D6 - реактивная составляющая тока.



И - трехфазный мостовой инвертор;В - трехфазный мостовой выпрямитель;

Сф - конденсатор фильтра;

Принцип работы частотного преобразователя. Схема частотного привода

Переити в каталог продукции: Частотные преобразователи

Электроприводы постоянного тока являются очень простыми с точки зрения организации системы регулирования скорости вращения двигателя, но сам электродвигатель является слабым звеном системы, ведь он достаточно дорогой и при этом не отличается особой надежностью. К тому же область применения данных двигателей ограничена из-за излишнего искрения щеток и, следовательно, повышенной электроэрозии и износа коллектора, что к общем не позволяет использовать двигатели постоянного тока в пыльных условиях и в средах с опасностью взрыва. Альтернативой электроприводам постоянного тока является комплексное применение асинхронных двигателей переменного тока с частотными преобразователями.

Асинхронные двигатели повсеместно используются в виду очень простого устройства и надежности, при меньших габаритах и массе они обеспечивают такую же мощность, как и двигатели постоянного тока. Главным минусом их является сложность организации системы регулирования скорости двигателя традиционными для двигателей постоянного тока методами. Теоретическая база для разработки первых частотных преобразователей, которые могли уже тогда стать решением вопроса регуляции скорости, была заложена еще в 30-е годы двадцатого века. Отсутствие микропроцессоров и транзисторов не позволяло воплотить теорию в практику, но с появлением транзисторных схем и управляющих микропроцессоров в Японии, США и Европе примерно в одно время были разработаны варианты частотных преобразователей.

При наличии других способов управления скорости вращения исполняющих механизмов (речь идет о механических вариаторах, резисторных группах, вводимыми в ротор/статор, электромеханических частотных преобразователях, гидравлике) наиболее эффективным является использование статических частотных преобразователей, который экономическим выгоднее других вариантов в виду дешевизны монтажа, эксплуатации и высокого КПД. Неприхотливость преобразователей также обусловлена отсутствием подвижных частей в виду того, что регуляция осуществляется на этапе подачи тока и основана на изменении параметров питания, а не на контроле за скоростью вращения при помощи средств механического управления.

Каков принцип частотных методов регулирования? Наглядное объяснение можно вывести из следующей формулы

Из выражения видно, что путем изменения частоты входного питающего напряжения (f1) изменяется угловая скорость статора, точнее его магнитного поля, но этом взаимозависимые характеристики. Эффект достигается при постоянном числе пар полюсов (p). Что это дает? В первую очередь, плавность регулирования (в особенности при пиковых нагрузках в момент пуска двигателя) скорости при очень высокой жесткости механических характеристик. Также достигается повышенное скольжение асинхронного двигателя, что существенно снижает потери мощности и увеличивает коэффициент полезного действия.

Высокие показатели КПД, коэффициента мощности, перегрузочной способности достигаются при одновременном изменении частоты и напряжения. Законы изменения этих параметров напрямую зависят от момента нагрузки, который может иметь статичный, вентиляторный и обратно пропорциональный скорости вращения характер.

При постоянном моменте нагрузке напряжение на статоре будет регулироваться в пропорциональной зависимости от частоты, что хорошо видно из формулы:

Если момент нагрузки имеет вентиляторный характер, то напряжение будет пропорционально квадрату частоты питающего напряжения.

Ну и моменте нагрузки, который обратно пропорционален скорости получим:

Как видно из вышеописанного при обеспечении одновременного регулирования частоты питающего напряжения и параметров напряжения на статоре частотным преобразователем достигается плавное бесступенчатое регулирование скорости вращения вала двигателя. При этом отсутствие передач позволяет более точно регулировать скорость вращения по заданным пользователем параметрам.

Основные достоинства применения регулируемых приводов на предприятиях

Интеграция систем регулирования качественно изменяет технические характеристики всех участников технологического процесса, нуждающегося в регуляции. Большая часть экономической эффективности заключается в возможности регулирования при помощи частотного преобразователя технологических характеристик процессов, температуры, давления, скорости движения, скорости подачи главного движения. Конечно же, максимальная эффективность достигается на объектах, предназначенных для перемещения жидких масс. До сих пор популярным способом регулирования скорости потока и мощности является применение заслонок и заглушек, в частных случаях различных регулирующих механических клапанов, но эти методы менее эффективны чем изменение скорости самого исполнительного механизма и чреваты потерями транспортируемой жидкости.



Разница в производительности и эффективности между дросселированием посредством механических средств и применением частотных преобразователей очевидна на следующем рисунке. (схема 1) Из схемы становится ясно, что возрастает экономия ресурсов, а также нивелируются проблемы, связанные с полной потерей динамической мощности потока во время закрытия заслонок, что приводит, по сути, к холостой работе двигателя. Это увеличивает экономическую эффективность частотных преобразователей.

Конструкция типового частотного преобразователя

Принципиальной задачей преобразователя частоты является изменение параметров электрического тока, это осуществляется при помощи транзисторного выпрямления тока и преобразования его до необходимых заданных значений. Типовой частотный преобразователь состоит из трех частей:

- Звено постоянного тока. Состоит из выпрямителя и фильтрационных устройств. Звено постоянного тока принимает входной сигнал и перенаправляет его в инвертор.

- Импульсного инвертора. Силовой трехфазный инвертор обычно имеет шесть транзисторов-ключей и осуществляет преобразование тока до заданных частот и амплитуд, а затем подает его на статор. Инвертор может состоять из тиристорной схемы.

- Микропроцессорной системы управления. Управляет системами преобразования и защиты преобразователя.

Четкая синусоида выходного сигнала - результат работы IGBT-транзисторов в качестве ключей инвертора, которые работают с более высокой частотой переключения, чем устаревшие тиристоры.



Как работает частотный преобразователь?

Схема преобразователя представлена в наглядном виде на следующем рисунке. (схема 2)

На схеме отображены основные структурные части преобразователя, а именно: инвертор, диодный силовой выпрямитель, модуль управления широтно-импульсной модуляцией, система управления, дроссель и конденсатор фильтра. Регуляция выходной частоты и напряжения (fвых. и Uвых., соответственно) осуществляется путем широтно-импульсного управления высокой частоты. Управление зависит от периодичности модуляции. Это период, в течение которого статор по очереди получает сигнал от положительного и отрицательного полюса напряжения. Длительность периода модулируется согласно синусоидальному закону гармонических частот, дополнительное преобразование происходит уже в обмотках двигателя, где после фильтрации ток имеет уже строго синусоидальную форму.

Сама кривая выходного напряжения - это двуполярная последовательность высокой частоты, созданная прямоугольными импульсами. Данные параметры также регулируются широтно-импульсной модуляцией, а сама ширина импульсов модулируется по синусоидальному закону. Изменение характеристик выходного напряжения осуществляется одним из двух способов: изменение AP (амплитуды) путем регуляции значения входного напряжения Uвх.; при Uвх., имеющим постоянное значение, путем внесения изменений в программу, контролирующую периодичность переключения переключателей V1-V6. Наличие современных IBGT-транзисторов на микропроцессорном управлении применение второго способа является более продуктивным и широко используемым. ШИМ также позволяет добиться формы кривой тока близкой к синусоиде, но уже благодаря свойствам обмоток, выполняющих функции фильтра.

Данный метод управления также позволяет существенно увеличить коэффициент полезного действия преобразователя и по своим характеристикам полностью аналогично методике управления путем изменения амплитуды и частоты тока. В наше время существует несколько компоновок инверторов с управляемыми ключами: запираемые GTO тиристоры; биполярные IGBT-транзисторные ключи с затвором. С примером можно ознакомиться на следующем рисунке. (рисунок 2) Здесь изображена мостовая трехфазная схема с использованием IGBT-транзисторов. Инвертор автономный. В данной схеме используется комплекс из 6 транзисторных ключей (на схеме V1-V6), емкостного фильтра тока. Транзисторы включены при помощи диодов обратного тока (на схеме D1-D6) по встречно-параллельной схеме.

Алгоритм переключения вентилей задается микропроцессором, переключение преобразует постоянное Uвх. в переменное выходное напряжение с прямоугольными импульсами. Активная составляющая токового потока асинхронного двигателя проходит через транзисторы, а реактивная - через диоды обратного тока.

И - трехфазный мостовой инвертор; В - трехфазный мостовой выпрямитель;

Сф - конденсатор фильтра;

Цель предложения

Экономия материальных средств и снижение энергозатрат в коммунальном хозяйстве.

Регулирование режимов работы электродвигателей позволит:

· обеспечить экономию электроэнергии;

· увеличить срок службы оборудования;

· существенно снизить затраты на текущее обслуживание;

· значительно увеличить ресурс электродвигателя.

· Экономия электроэнергии (20 % и более) обеспечивается за счет:

· существенного уменьшения потребляемой электродвигателем средней мощности при обеспечении заданного уровня в резервуаре.

· регулирование производительности насосного агрегата посредством изменения частоты вращения электродвигателя позволяет отказаться от «ступенчатого» регулирования.

· Снижение затрат на текущее обслуживание обеспечивается за счет:

· уменьшения износа основных узлов электродвигателей и насосных агрегатов из-за меньших механических нагрузок;

· уменьшения износа коммутационной аппаратуры из-за меньшего числа переключений, малых токов коммутации.

Увеличение ресурса электродвигателя (в 1,5-2 раза) обеспечивается за счет:

· существенного уменьшения средней частоты вращения;

· обеспечения частотным преобразователем мягкого пуска электродвигателя, так как пусковые токи не превышают рабочих;

· повышения эффективности защиты электродвигателя от перегрузки, обрыва фазы, от пониженного (повышенного) напряжения, от работы при неисправном насосном агрегате.

Технико - экономическое обоснование

При определении экономической эффективности применения частотного преобразователя на объектах учитываются следующие факторы:

а) экономия электроэнергии (20 % и более);

б) снижение затрат на текущее обслуживание;

в) увеличение ресурса электродвигателя (в 1,5-2 раза).

Ниже приведена упрощенная формула расчета срока окупаемости частотных преобразователей:

(1)

где:

- срок окупаемости в месяцах;

- стоимость преобразователя;

Размещено на http://www.allbest.ru/

- стоимость сэкономленной электроэнергии за месяц.

Расчет срока окупаемости по формуле (1) для частотного преобразователя EI-7011.CS мощностью 37 кВт. Необходимые данные предоставлены.

· Учитывая существующий диапазон изменения нагрузки, ожидаемую экономию электроэнергии принимаем равной 20 %.

· Определяем среднемесячную экономию электроэнергии

· = 730 час * 37 кВт * 20 % = 5 402 кВт * час (2)

· Определяем стоимость сэкономленной электроэнергии с учетом величины тарифа 2,16 руб./кВт*час.

· = 5 402 кВт*час*2,16 руб./кВт*час = 11 668,32 руб.

· Определяем срок окупаемости преобразователя стоимостью 69,998 тыс. руб.:

месяцев (4)

Выводы

Указанные расчеты показывают, что частотный преобразователь окупится после полугода эксплуатации (экономия фонда заработной платы ФЗП оперативного персонала не учтена).

Размещено на Allbest.ru