Преобразователи частоты

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

В настоящее время у большинства специалистов, эксплуатирующих насосное оборудование, уже сложилось четкое представление о возможностях использования преобразователей частоты для привода насосов и насосных агрегатов. Понимание этого вопроса обусловлено интенсивным внедрением частотно-регулируемого привода за последние годы и накопленным опытом его эффективного использования.

Для всех видов перекачиваемой жидкости преобразователи частоты обеспечивают более экономичное, более эффективное и более надежное регулирование, чем известные механические способы. Независимо от области использования (добыча и транспорт нефти, электроэнергетика, жилищно-коммунальное хозяйство и т.д.) эффект от частотного регулирования насосов общеизвестен:

- экономия электроэнергии до 30 - 60 %;

- снижение утечек жидкостей до 5 %;

- экономия тепловой энергии до 10 %;

- увеличение срока службы оборудования в 1.5-2 раза;

- уменьшение вероятности возникновения разрывов трубопроводов;

- повышение эффективности защиты электропривода;

- улучшение экологической обстановки.

1.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 схем управления позволили 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

при 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.

Методы управления электропривода

Для решения задач регулирования скорости и момента в современном электроприводе применяют два основных метода частотного управления:

* скалярное управление;

* векторное управление.

Асинхронный электропривод со скалярным управлением является на сегодняшний день наиболее распространенным. Он применяется в составе приводов насосов, вентиляторов, компрессоров и других механизмов, для которых важно поддерживать либо скорость вращения вала двигателя (при этом используется датчик скорости), либо технологический параметр (например, давление в трубопроводе, при этом используется соответствующий датчик).

Основной принцип скалярного управления - изменение частоты и амплитуды питающего напряжения по закону U/fn = const, где n ?1. Конкретный вид зависимости определяется требованиями, предъявляемыми к электроприводу нагрузкой. Обычно за независимое воздействие принимается частота, а значение напряжения при данной частоте определяет вид механической характеристики, значения пускового и критического моментов. Скалярное управление обеспечивает постоянство перегрузочной способности электропривода не зависимо от частоты напряжения, однако имеет место снижение развиваемого двигателем момента при низких частотах (при f<0,1fном). Максимальный диапазон регулирования скорости вращения ротора при неизменном моменте сопротивления для электроприводов со скалярным управлением достигает 1:10.

Метод скалярного управления относительно прост в реализации, но обладает двумя существенными недостатками. Во-первых, при отсутствии датчика скорости на валу двигателя невозможно регулировать скорость вращения вала, так как она зависит от нагрузки. Наличие датчика скорости решает эту проблему, однако остается второй существенный недостаток - нельзя регулировать момент на валу двигателя. С одной стороны, эту проблему можно решить установкой датчика момента, однако такие датчики имеют очень высокую стоимость, зачастую превышающую стоимость всего электропривода. Но даже при наличии датчика управление моментом получается очень инерционным. Более того, при скалярном управлении нельзя одновременно регулировать и момент и скорость, поэтому приходиться выбирать, которая является наиболее важной для данного технологического процесса.

Для устранения недостатков, присущих скалярному управлению, фирмой Siemens еще в 1971 году был предложен метод векторного управления. Первые варианты электроприводов с векторным управлением требовали использование двигателей со встроенными датчиками потока. Это существенно ограничило применение таких приводов.

В современных электроприводах в систему управления закладывается математическая модель двигателя, которая позволяет рассчитывать момент на валу и скорость вращения вала. При этом необходимыми являются только датчики тока фаз статора двигателя. Благодаря специальной структуре системы управления обеспечивается независимое и практически безинерционное регулирование двух основных параметров - момента на валу и скорости вращения.

На сегодняшний день сформировалось два основных класса систем векторного управления - бездатчиковые системы (без датчика скорости на валу двигателя) и системы с обратной связью по скорости. Применение того или иного метода векторного управления определяется областью применения электропривода. При небольших диапазонах изменения скорости (не более 1:100) и требованиях к точности ее поддержания не более ±0,5% применяют бездатчиковое векторное управление. Если же скорость вращения вала изменяется в широких пределах (1:10000 и более), имеются требования к высокой точности поддержания скорости вращения (до ±0,02% при частотах вращения менее 1 Гц) и есть необходимость позиционирования вала, а также при необходимости регулирования момента на валу двигателя на очень низких частотах вращения, применяют методы векторного управления с обратной связью по скорости.

При использовании метода векторного управления достигаются следующие преимущества:

- высокая точность регулирования скорости даже при отсутствии датчика скорости;

- плавное, без рывков, вращение вала в области малых частот;

- возможность обеспечения номинального момента на валу при нулевой скорости (при наличии датчика скорости);

- быстрая реакция на изменение нагрузки: при резких скачках нагрузки практически не происходит скачков скорости;

- обеспечение такого режима работы двигателя, при котором снижаются потери на нагрев и намагничивание, а следовательно, повышается КПД.

Наряду с очевидными преимуществами, методу векторного управления присущи и некоторые недостатки, такие, как большая вычислительная сложность и необходимость знания параметров двигателя. Кроме того, при векторном управлении колебания скорости на постоянной нагрузке больше, чем при скалярном управлении. Следует отметить, что существуют области, в которых возможно использование только скалярного управления, например в групповом электроприводе, где от одного преобразователя питаются несколько двигателей.

2.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.

Рис. 1 - Зависимость экономии электроэнергии от потребляемой мощности.

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.

3.Структура частотного преобразователя

электропривод частотный преобразователь

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.

4.Области применения преобразователей частоты

4.1 Применение частотно-регулируемого привода для глубинных насосов

Рис. 2 - Структурная схема частотно-регулируемого привода глубинного насоса.

Преимущества применения частотно-регулируемого электропривода:

1. Экономия электроэнергии от 30 до 60%.

2. Исключение гидроударов, что позволяет резко увеличить срок службы трубопроводов и запорной арматуры.

3. Отсутствие больших пусковых токов, полная защита электродвигателей насосных агрегатов, работа электродвигателей и пусковой аппаратуры с пониженной нагрузкой, что значительно увеличивает срок службы электродвигателей.

4. Значительная экономия воды за счёт оптимизации давления в сетях и уменьшения разрывов трубопроводов.

5. Возможность полностью автоматизировать насосные станции.

6. Вода к потребителю может подаваться напрямую через закрытые трубы без накопления в резервуаре или водонапорном баке.

7. Не требует строительства, обслуживания водонапорных баков или накопительных резервуаров.

4.2 Применение частотно-регулируемого привода в системах вентиляции и кондиционирования воздуха

Обычно вентиляторы имеют такие размеры, чтобы обеспечить максимальный расход воздуха, требуемый системой.

Однако условия функционирования часто требуют снижения расхода.

Это может достигаться за счёт дросселирования при постоянной частоте вращения вала вентилятора, а так же за счёт изменения скорости вращения вала вентилятора при использовании частотно-регулируемого привода.

Производительность вентилятора частоты можно менять в зависимости от сезонных, климатических условий, баланса тепло и влаговыделений, выделений вредных газов и паров.

Зависимость потребляемой мощности вентилятора от скорости вращения вала вентилятора такая же как и у центробежного насоса Р=f(Q3), т.е. снижение скорости вращения вала вентилятора приводит к уменьшению потребляемой мощности в 8 раз. Экономия электроэнергии при применении частотно-регулируемого привода может составить до 60%.

4.3 Принцип работы преобразователей частоты

На рис. 3 представлена блок-схема силовой части преобразователя с промежуточным звеном постоянного тока (так называемый U - инвертор).

Рис. 3 - Блок-схема силовой части преобразователя

Напряжение сети U1 стандартной частоты f1 подается на вход неуправляемого выпрямителя, преобразующего переменное напряжение U1 в постоянное E0.

Рис. 4 - Входное напряжение сети

Выпрямленное напряжение Е0 подается на вход инвертора, который преобразует его в трехфазное напряжение U1рег регулируемой частоты f1рег, поступающее на двигатель. Частота выходного напряжения инвертора f1рег регулируется блоком управления в функции сигнала управления Uy.

Остановимся подробнее на работе управляемого инвертора (рис. 5), полагая, что с помощью управляемого выпрямителя на его вход подается постоянное напряжение Е0.

Рис. 5 - Коммутационная схема инвертирования

Предположим, что трехфазная нагрузка zА, zВ и zС (обмотки статора асинхронного двигателя) соединена в звезду, а транзисторы VT1…VT6, на которых выполнен инвертор, соединены по мостовой схеме и по сигналам с блока управления открываются в требуемой последовательности. Обычно продолжительность открытого состояния каждого транзистора составляет половину или треть периода Трег=1/fрег, а сдвиг моментов открытия транзисторов VT1…VT6 - шестую часть этого периода. Рассмотрим сначала работу схемы со временем открытия транзисторов =Трег/2. Временная токовая диаграмма работы транзисторов для этого случая показана на рис. 8, где токи фаз IA, IB, IC, проходящие через нечетные транзисторы, отложены в положительном направлении, а через четные - в отрицательном. В каждый момент времени включены (открыты) три транзистора из шести, причем за время периода можно выделить шесть интервалов (I, II, III, IV, V, VI) различных сочетаний открытых и закрытых состояний транзисторов. Для определения формы напряжения на нагрузке рассмотрим схемы включения фаз статора асинхронного двигателя на каждом из шести временных интервалов.

Рис. 6 - Временная токовая диаграмма работы транзисторов

В течение интервала I открыты транзисторы VT1, VT5 и VT6 начала фаз zА и zС соединены с плюсовым выводом источника +Е0, а начало фазы нагрузки zВ - с минусовым выводом -Е0 (рис. 7,а). Если при этом сопротивления всех трех фаз одинаковы, то эквивалентное сопротивление параллельно соединенных фаз нагрузок zА и zС будет в два раза меньше сопротивления фазы нагрузки zВ. Тогда и напряжение на параллельно соединенных фазах нагрузок zА и zС будет в два раза меньше, чем на фазе нагрузки zВ, и составит Е0/3.

Рис. 7 - Схемы включения фаз статора

На интервале II (рис. 6) открыты транзисторы VT1, VT6 и VT2, фазы нагрузок zВ и zС (рис. 7,б) включены параллельно, к ним прикладывается напряжение Е0/3, а к фазе нагрузки zА - напряжение 2Е0/3.

При переходе к интервалу III (рис. 6) закрывается транзистор VT6 и открывается транзистор VT3 (транзисторы VT1 и VT2 по прежнему открыты), в соответствии с чем фазы нагрузок zА и zВ включены параллельно (рис. 7,в).

Аналогично можно изобразить схемы соединения фаз обмотки статора для интервалов IV, V и VI, которые будут соответствовать схемам для интервалов I, II и III, но иметь другую полярность напряжения на началах фаз. График изменения напряжения на фазах нагрузки при =Трег/2 (рис. 8) имеет ступенчатую форму, и оно является переменным, причем максимумы этого напряжения сдвинуты по фазам на треть периода регулируемой частоты. Другими словами, на нагрузке получается стандартная система трехфазного напряжения переменного тока, хотя и несинусоидальной формы.

Рис. 8 - Напряжение на двигателе

4.4 Выбор преобразователя частоты

При выборе модели преобразователя частоты необходимо определить его выходную мощность (кВт) и выходной ток (А). В самом простом случае выходную мощность и выходной ток преобразователя можно определить, зная параметры приводного электродвигателя.

На первом шаге при самостоятельном выборе модели известного типа частотного преобразователя рекомендуется поступать следующим образом:

1. Определить номинальный ток преобразователя, который необходимо выбирать равным номинальному току электродвигателя.

2. Определить полную выходную мощность преобразователя, ориентируясь на номинальную мощность электродвигателя.

Необходимо принять во внимание, что:

В общем случае после первого шага может сложиться ситуация, когда не удается выбрать преобразователь из предлагаемого ряда мощностей, поскольку полученным значениям потребной мощности и выходного тока одновременно не отвечает ни один преобразователь. Поэтому необходимо обратить внимание на то, что главным параметром при выборе преобразователя является потребляемый электрический ток двигателя, поскольку он определяет режим работы выходных силовых транзисторов. Полная выходная мощность преобразователя в этом случае может отличаться от номинальной мощности двигателя. Данная ситуация не является исключительной, так как в настоящие время в эксплуатации находится огромное количество асинхронных электродвигателей самых различных серий и типоразмеров, многие из которых работают уже не одно десятилетие. Преобразователи же проектируются для общепринятого стандартизированного ряда мощностей.

4.5 Расчет срока окупаемости преобразователя.

Оценим величину экономического эффекта от применения преобразователя частоты на насосном агрегате мощностью 75 кВт.

Для расчетов возьмем величину возможной экономии - 35 %. Таким образом, для насосного агрегата мощностью 75 кВт и работающего 24 часа в день, величина экономии электроэнергии за 1 месяц составит:

Е = 75 • 0,35 • 24 • 30 = 18900 (кВт•ч)

В денежном выражении при стоимости 1 кВт*ч = 17,5 коп. с НДС. Величина

экономии составит:

Е = 18900 * 0,285 = 5386,5 (грн)

Стоимость преобразователя частоты на 75 кВт (переменный момент), со встроенным

сетевым дросселем и входным фильтром радиопомех составляет 49796,53 грн. Таким образом, срок окупаемости в этом случае составляет

Ок = 49796,53 / 5386,5 =9,2 месяца.

Заключение

электропривод частотный преобразователь

Из всего вышесказанного можно сделать вывод, что применение частотно-регулируемого электропривода является экономически выгодным и эффективным. Поэтому необходимо использовать его повсеместно для получения продукции самого высокого качества без лишних затрат на электроэнергию и ремонты приводных электродвигателей.

Список использованных источников

1. Москаленко В.В. Электрический привод: Учеб. пособие для студ. учреждений сред. проф. Образования.: Мастерство: Высшая школа, 2000. - 368 с.

2. Трехфазный привод. Основы. - KEB Antriebstechnik GmbH, Германия, 1996. - 88 с.: ил.

3. Материалы с сайта http://www.eltp.ru/.

4. Материалы с сайта http://www.chastotnik.info/.

5. Размещено на Allbest.ru