Частотный преобразователь для насоса

Содержание

1 Что собой представляют частотные преобразователи?

Часто производители водонасосов еще на этапе сборки их конструкций включают в них частотные преобразователи. Например, как в насосах Грундфос, которые пользуются высоким спросом. В более дорогих моделях в качестве преобразователей используются микропроцессоры, тем не менее, не во всех оборудованиях электроводонасосах предусматриваются преобразователи частоты и может потребоваться их отдельное приобретение и установка.

Таким образом вы можете выбирать как насос с уже включенным в систему частотным преобразователем со всеми опциями, так и приобретать их отдельно с возможностью подключением дополнительных возможностей, зависимо от меняющихся потребностей.

Схема частотного преобразователя

Инверторы для насосов представляют собой сочетание асинхронного двигателя с фазным ротором, который работает в режиме генератора-преобразователя. Им управляет микропроцессор, оснащенный большим функционалом, а сам частотник, несмотря на достаточно сложную конструкцию, имеет простой интерфейс, благодаря которому им сможет легко управлять обычный пользователь.

Частотный регулятор на водяной насос устанавливается на электродвигателе, в месте расположения штатной клемной коробки или на стене, в специальном шкафу. Сами инверторы отличаются по мощности и весу и характеризуются наличием надежной защиты от перегрузки.
к меню

1.1 Почему используют частотники?

Есть несколько причин, почему рекомендуют использовать частотник для насосов:

  1. Он защищает электродвигатель от токовых перегрузок и скачков напряжения.
  2. Он нивелирует возникновение разрушительных водяных ударов, сглаживая пусковые моменты двигателей.
  3. Он защищает насос от работы в холостую.
  4. Он на 30-50% увеличивает экономичность функционирования насоса, а также снижает количество его поломок.

Все частотные преобразователи оснащены специальным датчиком давления, который автоматически включает или выключает насос, при этом контролируя, чтобы заданное пользователем давление в системе оставалось неизменным.

Варианты частотных преобразователей

Это предоставляет возможность свободно перекачивать независимо от ее температуры и даже качать агрессивные жидкости.
к меню

1.2 Комплектации частотных преобразователей

На рынке представлено огромное количество моделей насосов с частотным регулированием на любой выбор с различным функционалом. Среди насосов с частотным преобразователем есть оборудование, оснащенное сразу всем необходимым для того, чтобы обеспечить безопасную и экономичную работу вашему насосу, а также те, которые нуждаются в дополнительной комплектации.

В первом случае вы получите более дорогую, универсальную и надежную конструкцию, а во втором – сам частотник будет недорогим, за то каждая приобретаемая опция будет стоить несколько дороже, а ее подключение и настройка должны будут производиться своими руками.
к меню

2 Как выбрать преобразователь?

На что следует обратить внимание при подборе частотных преобразователей на свой насос:

Блок управления насосами с частотным преобразователем

  1. Мощность оборудования – от этого зависит частота вращения насоса, регулируемая преобразователем.
  2. Диапазон входного напряжения – уровень напряжения в сети, при котором частотник сохраняет свою функциональность. В этом случае стоит произвести расчет, какое напряжение может возникнуть в сети. Этот показатель позволит «пережить» преобразователю колебания напряжения в сети, полностью сохранив свою работоспособность.
  3. Диапазон изменений частоты – убедитесь, что выбираемое оборудование выдает именно ту частоту, которую смогут поддерживать механизм насоса и его двигатель.
  4. Количество управляющих входов – для ввода различных команд, которые могут потребоваться при управлении насосом (старт, реверс, стоп, аварийная остановка и др.). Входы устанавливаются самим пользователем. Если вы стремитесь построить сложную систему, в таком случае, чем больше входов, тем лучше, для бытого применения подойдет частотник с небольшим количеством входов.
  5. Количество выходных сигналов – потребуются для аналогового управления преобразователем.
  6. Метод управления – как осуществляется оперативное управление преобразователем (через входы управления с автономного или локального пульта, от ПК или контролера, переключаемое или комбинированное управление).

Учитывая представленные характеристики, вы сможете подобрать такое оборудование, которое подойдет именно для вашего насоса и для ваших нужд.
к меню

2.1 SIRIO ENTRY 230 частотный преобразователь для насосов (видео)

к меню

3 Что нужно для качественной установки преобразователя?

Устанавливают частотники в специальный шкаф управления насосами (шун) с частотным преобразователем или в любое другое место, где будут соблюдены основные требования для их нормального функционирования.

Чтобы была произведена правильная установка частотного преобразователя, необходимо учесть следующие нюансы:

Порядок подключения частотного преобразователя

  • В месте расположения частотника необходимо обеспечить хорошую вентиляцию.
  • Температура окружающей среды не должна быть ниже 10˚C и выше 45˚C.
  • Должна соблюдаться относительная влажность менее 90%, на установленное оборудование не должна попадать вода.
  • В непосредственной близости с частотным преобразователем должны отсутствовать пожароопасные и легковоспламеняющиеся материалы и жидкости.
  • На устройство не должны попадать прямые солнечные лучи.
  • Нельзя допускать наличие поблизости капель масла, пыли или стальной стружки.
  • Размещать его необходимо в месте, с полностью отсутствующими вибрациями.
  • Установка должна производиться на устойчивую поверхность без наклонов.
  • Нельзя устанавливать оборудование в зоне электромагнитных помех.

Также учтите, что чем выше преобразователь будет установлен над уровнем моря, тем больше будет его номинальная мощность.

Используя представленные рекомендации, вы сможете подобрать такой частотный преобразователь для насосов, который отлично подойдет для организации работы вашего водонасосного оборудования. Различные модели прекрасно подходят как для оборудования скважинных, так и для фонтанных и других компрессоров, которые используются в жилых и частных домах.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано при создании электроприводов с двигателями переменного тока, регулируемыми изменением частоты фазных токов, при минимальных искажениях фазных токов высшими гармониками.

Известны регулируемые электроприводы с двигателями переменного тока при питании от трехфазных инверторов напряжения, преобразующих постоянный ток в переменный. В таких инверторах применяются полностью управляемые полупроводниковые приборы (УПП) (транзисторы или запираемые тиристоры), шунтированные «обратными» диодами. Инверторы могут быть двухуровневые или многоуровневые (см. патент US №6014323 от 08.08.1997 г., патент US №6166513 от 09.04.1999 г. и патент RU №2204880 от 03.05.2001 г.). Соответствующее управление обеспечивает работу УПП в ключевом режиме, а регулирование выходного напряжения таких инверторов осуществляется методом широтно-импульсной модуляции напряжений (метод ШИМ-Н), описанном, например, в разделе 4.2 книги Г.Г. Соколовского «Электроприводы переменного тока с частотным регулированием», Москва, ACADEMA, 2006. Импульсы управления УПП в указанных инверторах формируются в результате сравнения пилообразного напряжения единичной амплитуды и достаточно высокой частоты (несущей частоты) с тремя синусоидальными напряжениями управления. В результате многократных включений и выключений УПП обеспечиваются требуемые параметры основной волны (1-й гармоники) выходного напряжения. При работе двигателя переменного тока в составе электропривода с питанием от инвертора напряжения, формирующего методом ШИМ-Н синусоиды напряжений на входе электродвигателя, фазные токи искажаются также высшими гармониками противо-ЭДС двигателя. Частоты этих гармоник кратны основной частоте, поэтому при регулировании частоты вращения двигателя в широких пределах пассивные фильтры неэффективны. Уменьшить искажение фазных токов двигателя с помощью отрицательных обратных связей в регуляторе, формирующим на выходе инвертора систему синусоидальных напряжений и обеспечивающим заданные требования по частоте вращения и моменту нагрузки двигателя, очень сложно.

Прототипом предлагаемого решения является известный электропривод, в котором для управления УПП инвертора используется метод прямого формирования фазных токов двигателя. Схема такого электропривода приведена на рис. 4.12 в книге Г.Г. Соколовского «Электроприводы переменного тока с частотным регулированием». Москва, ACADEMA, 2006. В состав этого электропривода входят трехфазный двигатель, фазы статора которого соединены в звезду, трехфазный инвертор с УПП, три датчика фазных токов и устройство управления, формирующее трехфазную систему синусоидальных токов (заданных токов с помощью трех «гистерезисных элемента», на входы которых поступают сигналы, пропорциональные разностям между заданными и измеренными токами фаз. Выходные сигналы гистерезисных элементов используются для формирования сигналов управления УПП инвертора. При повышениях разностей между мгновенными значениями заданных токов фаз и измеренными токами фаз до значений уставок гистерезисных элементов происходят переключения УПП, в результате которых изменяются полярности напряжений на фазах двигателя. Такое устройство формирования выходного напряжения инвертора позволяет выполнять широтно-импульсную модуляцию тока (ШИМ-Т).

Недостаток указанного прототипа состоит в том, что для формирования двух независимых переменных (при соединении фазных обмоток в звезду без нулевого провода IA+IB+IC=0) используются 3 регулятора тока и это может привести к возникновению автоколебаний и к увеличениям отклонений мгновенных значений фазных токов от заданных. Этот недостаток отмечается также в статье J. Holtz «Pulse width Modulation for Electronic Power Conversion» (Proceedings of the IEEE, Vol. 82, No. 8, Aug / 1994, pp 1194-1214). Кроме того, при такой схеме электропривода частота переключений УПП в интервалах с малыми значениями противо-ЭДС (зоны переходов фазных противо-ЭДС двигателя через нулевые значения) может быть недопустимо высокой. Для снижения частоты переключений УПП до приемлемого уровня необходимы дополнительные реакторы.

Техническим результатом предлагаемого технического решения является исключение возможности возникновения автоколебаний и возможности увеличения отклонений мгновенных значений фазных токов от заданных, а также снижение частоты переключений УПП инвертора до приемлемого уровня, не используя дополнительные реакторы.

Указанный технический результат достигается благодаря тому, что в регулируемом электроприводе переменного тока, в состав которого входят трехфазный двигатель, обмотка статора которого соединена в звезду, три датчика фазных токов двигателя и трехфазный многоуровневый инвертор на управляемых полупроводниковых приборах с устройством управления, содержащим три одинаковых модулятора фазных токов и логический блок управления, соединенный с драйверами управляемых полупроводниковых приборов многоуровневого инвертора, предусмотрены следующие отличия:

трехфазный многоуровневый инвертор на управляемых полупроводниковых приборах оснащен выводом точки нулевого потенциала и что вывод нулевой точки обмотки статора электродвигателя соединен с выводом точки нулевого потенциала инвертора, а также логический блок управления содержит три управляющих выхода для управления драйверами многоуровневого инвертора, три информационных выхода для выдачи мгновенных значений заданных фазных токов электродвигателя, один информационный выход для выдачи величины допустимого отклонения мгновенных значений фазных токов от заданных значений, один информационный выход для выдачи сигнала начальной установки выходных сигналов модуляторов фазных токов и три информационных входа для приема выходных сигналов модуляторов фазных токов, а также в состав каждого модулятора входит два суммирующих компаратора, один из которых инвертирующий, а другой неинвертирующий, и реверсивный счетчик режимов с числом возможных состояний, равным числу уровней выходного напряжения инвертора, выход неинвертирующего компаратора соединен с суммирующим входом реверсивного счетчика режимов, а выход инвертирующего компаратора соединен с вычитающим входом реверсивного счетчика, каждый модулятор имеет четыре информационных входа, один из которых предназначен для приема сигнала начальной установки реверсивного счетчика, а три других предназначены для приема информации о токах так, что один из входов соединен с выходом одного датчика тока фазы, другой вход соединен с одним информационным выходом логического блока управления, предназначенным для выдачи величины заданных мгновенных значений тока фазы электродвигателя, а третьи входы модуляторов соединены вместе и соединены с информационным выходом логического блока управления, предназначенным для выдачи допустимого отклонения мгновенных значений фазных токов от заданных значений, а в каждом модуляторе вход для получения допустимого отклонения мгновенных значений фазных токов через соответствующие резисторы подключен к инвертирующим входам обоих компараторов, а в каждом модуляторе вход, предназначенный для приема величины мгновенных значений заданного тока фазы электродвигателя, через соответствующие резисторы соединен с инвертирующим входом неинвертирующего компаратора и с неинвертирующим входом инвертирующего компаратора, и в каждом модуляторе вход, предназначенный для приема измеренных мгновенных значений тока фазы электродвигателя, через соответствующие резисторы соединен с неинвертирующим входом неинвертирующего компаратора и с инвертирующим входом инвертирующего компаратора.

Техническая сущность предложенного технического решения поясняется чертежами фиг. 1, фиг. 2, фиг. 3.

На фиг. 1 представлена схема предлагаемого регулируемого электропривода переменного тока. В состав этого электропривода входит трехфазный многоуровневый инвертор 5 с выводом точки нулевого потенциала инвертора 0u, три датчика фазных токов 7.1, 7.2 и 7.3, трехфазный электродвигатель 6, фазы статора которого соединены в звезду, а нулевая точка звезды 0 соединена с выводом точки нулевого потенциала инвертора 5, логический блок управления 4, формирующий трехфазную систему заданных синусоидальных токов и величину допустимого отклонения фазных токов двигателя от заданных, и три модулятора фазных токов 1, 2 и 3.

Каждый модулятор (на фиг. 1 показана структура модулятора фазы А) содержит два суммирующих компаратора 1.1 и 1.2, один из которых инвертирующий (1.2), а другой неинвертирующий (1.1), и реверсивный счетчик режимов 1.3 с числом возможных состояний, равным числу уровней выходного напряжения инвертора. Каждый модулятор соединен с датчиком фазных токов (датчик 7.1 соединен с модулятором 1, датчик 7.2 соединен с модулятором 2, датчик 7.3 соединен с модулятором 3) и с логическим блоком управления 4, с которого на каждый модулятор подается заданный ток одной фазы и сигнал допустимого отклонения токов dI.

Выход неинвертирующего компаратора 1.1 соединен с суммирующим входом («+1») реверсивного счетчика режимов 1.3, а выход инвертирующего компаратора 1.2 соединен с вычитающим входом («-1») реверсивного счетчика режимов 1.3. Входы начальной установки реверсивного счетчика режимов 1.3 (D0, D2…Dn) соединены с установочным выходом D логического блока управления 4, а выходы счетчика (Q0, Q2, Q4…Qn), являющиеся выходом модулятора 1, соединены с одним из управляющих входов логического блока управления 4 (входом Qa).

Аналогично устроены модуляторы 2 и 3, на входы модулятора 2 подается сигнал с датчика фазного тока 7.2 (Iфв) и с логического блока управления 4 сигнал заданного тока фазы В (ток Iзв), а на входы модулятора 3 подаются сигналы с датчика фазного тока 7.3 (Iфс) и с логического блока управления 4 (заданный ток Iзс). Выходы модуляторов 2 и 3 соединены с управляющими входами Qв и Qc логического блока управления 4.

В логический блок управления 4, помимо указанных, по входу 8 должны подаваться сигналы задания параметров режима работы электропривода переменного тока. С управляющих выходов логического блока управления 4 (Ра, Pb и Рс) сигналы управления подаются на драйверы, управляющие УПП многоуровневого трехфазного инвертора 5.

Предлагаемое техническое решение работает следующим образом:

В исходном состоянии с выхода D логического блока управления 4 на входы начальной установки реверсивных счетчиков режимов (входы D модуляторов) должен быть подан установочный сигнал, обеспечивающий включение фаз многоуровневого трехфазного инвертора 5 с низкими уровнями выходных напряжений. Кроме того, на входы установки допустимого отклонения (входы dI) всех модуляторов с выхода dI логического блока управления 4 должен подаваться сигнал, соответствующий заданной величине допустимого отклонения тока. После подачи команды на запуск переключения УПП многоуровневого трехфазного инвертора 5 осуществляются исходя из достигнутых значений фазных токов. При этом компараторы, входящие в состав каждого модулятора фазных токов, выявляют следующие условия:

где:

— Iф — мгновенное значение тока фазы;

— Iз — мгновенное значение заданного тока фазы;

— dI — допустимое отклонение тока фазы от заданного.

При повышении тока фазы до уровня, определяемого уравнением (1) (Iф — Iз — dI > 0) на выходе инвертирующего компаратора 1.2, появляется сигнал уровня «1». Этот сигнал попадает на вычитающий вход реверсивного счетчика режимов 1.3 и информация, записанная в счетчике, уменьшается на 1. При снижении тока фазы до уровня, определяемого уравнением (2) (Iф — Iз + dI < 0) на выходе неинвертирующего компаратора 1.1, появляется сигнал уровня «1». Этот сигнал попадает на суммирующий вход реверсивного счетчика режимов 1.3 и информация, записанная в счетчике, увеличивается на 1. Информации реверсивных счетчиков режимов отрабатываются логическим блоком управления 4, который с выхода Ра управляет работой УПП многоуровневого трехфазного инвертора 5. В первом случае напряжение фазы уменьшится, а во втором увеличится. Аналогично работают модуляторы фазных токов 2 и 3. Выходные сигналы этих модуляторов поступают на входы Qb и Qc логического блока управления 4, с выходов Pb и Рс которого управляются УПП фаз многоуровневого трехфазного инвертора 5.

Уровень выходного напряжения на фазе многоуровневого инвертора 5 изменяется при изменении числа открытых УПП, подключающих фазу к положительному или к отрицательному полюсу источника питания. Для пояснения алгоритма работы предлагаемого электропривода на фиг. 2 приведен возможный вариант схемы трехфазного пятиуровневого инвертора, выполненного по многоячейковой схеме (фиг. 2а — структурная схема инвертора, фиг. 2б — схема одной фазы инвертора). В данном инверторе выходное напряжение фазы, в зависимости от комбинации состояний транзисторов (VT1…VT8), может иметь следующие уровни: уровень Ud (включены VT1…VT4), уровень Ud/2 (включены VT1, VT2, VT4 и VT6), уровень «0» (включены VT2, VT4, VT6 и VT8), уровень — Ud/2 (включены VT3, VT5, VT7 и VT8) и уровень — Ud (включены VT5…VT8). Изменения комбинации состояний транзисторов обеспечивают изменения напряжений фаз по сигналам модуляторов, подаваемым на логический блок управления 4.

Для иллюстрации алгоритма переключений на фиг.3 приведены диаграммы фазного тока и фазного напряжения пятиуровневого инвертора. При поочередных срабатываниях компараторов и соответствующих изменениях выходных сигналов реверсивного счетчика режимов ток фазы поддерживается в пределах «токового коридора» при размахе пульсаций тока в 2dI до тех пор, пока суммирующие компараторы 1.1, 1.2 модуляторов фазных токов 1, 2, 3 выдают на реверсивные счетчики режимов сигналы о превышениях поочередно. Если выдаваемое напряжение недостаточно для повышения тока до верхней границы «токового коридора», то неинвертирующий компаратор 1.1 выдаст на суммирующий вход реверсивного счетчика режимов 1.3 подряд два сигнала «1» (фиг. 3б, зона 1). По новому состоянию реверсивного счетчика режимов 1.3 работа инвертора 5 будет продолжаться до тех пор, пока минимальное значение напряжения в этом режиме достаточно для снижения тока до нижней границы «токового коридора». При невыполнении этого условия инвертирующий компаратор 1.2 выдаст на вычитающий вход реверсивного счетчика режимов 1.3 два сигнала «1» подряд (фиг. 3б, зона 2). По новому состоянию реверсивного счетчика режимов 1.3 работа многоуровневого трехфазного инвертора 5 будет продолжаться до тех пор, пока выдаваемое многоуровневым трехфазным инвертором 5 напряжение достаточно для поочередного срабатывания суммирующих компараторов 1.1 и 1.2.

Аналогично работают модуляторы фазных токов и при формировании отрицательных полуволн фазных токов. Устойчивая работа трех модуляторов фазных токов обеспечивается тем, что нулевая точка трехфазной обмотки статора трехфазного электродвигателя 6 соединена со средней точкой нулевого потенциала многоуровневого трехфазного инвертора 5. При этом амплитуда тока нулевого провода не более 3dI, потому что в отношении заданных токов фаз выполняется условие

Iза+Iзв+Iзс=0, где:

Iза — мгновенное значение заданного тока фазы А;

Iзв — мгновенное значение заданного тока фазы В;

Iзс — мгновенное значение заданного тока фазы С.

Длительности интервалов нарастания и спадания токов, и, следовательно, частота переключений УПП определяются заданной величиной допустимого отклонения фазных токов dI и скоростью изменения тока в каждом текущем интервале

dI/dt=uф/Lф, где:

dI/dt — производная тока по времени (скорость изменения тока);

uф — мгновенное значение напряжения фазы;

Lф — величина индуктивности фазы.

Исходя из величины индуктивности фазы Lф и допустимого значения производной тока, определяющего частоту переключений УПП, можно установить требование к числу уровней инвертора 5 по величине ступени, на которою изменяется выходное напряжение (величину uф при Еф=0).

Таким образом, заявляемое техническое решение позволяет достичь указанный технический результат — исключить возможность возникновения автоколебаний и возможность увеличения отклонений мгновенных значений фазных токов от заданных, а также снижения частоты переключений УПП инвертора до приемлемого уровня, не используя дополнительные реакторы.

Регулируемый электропривод переменного тока, содержащий трехфазный электродвигатель с выводом нулевой точки обмотки статора, соединенной в звезду, три датчика фазных токов двигателя и трехфазный многоуровневый инвертор на управляемых полупроводниковых приборах, оснащенный устройством управления, содержащим три одинаковых модулятора фазных токов и логический блок управления, соединенный с драйверами управляемых полупроводниковых приборов трехфазного многоуровневого инвертора, отличающийся тем, что трехфазный многоуровневый инвертор на управляемых полупроводниковых приборах оснащен выводом точки нулевого потенциала и что вывод нулевой точки обмотки статора электродвигателя соединен с выводом точки нулевого потенциала инвертора, также логический блок управления содержит три управляющих выхода для управления драйверами инвертора, три информационных выхода для выдачи мгновенных значений заданных фазных токов электродвигателя, один информационный выход для выдачи величины допустимого отклонения мгновенных значений фазных токов от заданных значений, один информационный выход для выдачи сигнала начальной установки выходных сигналов модуляторов фазных токов и три информационных входа для приема выходных сигналов модуляторов фазных токов, также в состав каждого модулятора фазных токов входит реверсивный счетчик режимов с числом возможных состояний, равным числу уровней выходного напряжения инвертора, инвертирующий компаратор, выход которого соединен с вычитающим входом реверсивного счетчика режимов, неинвертирующий компаратор, выход которого соединен с суммирующим входом реверсивного счетчика режимов, также каждый модулятор фазных токов имеет четыре информационных входа для приема сигнала начальной установки реверсивного счетчика режимов, для получения допустимого отклонения мгновенных значений фазных токов, для приема величины мгновенных значений заданного тока фазы электродвигателя, для приема измеренных мгновенных значений тока фазы электродвигателя.



3.3 Регулируемый электропривод переменного тока

В современных регулируемых электроприводах переменного тока используются три основные структуры системы автоматического регулирования (САР), приведенные на листе 3 грфической части проекта):

а– реализация заданной статической зависимости между частотой f и действующим значением U1, питающего электродвигатель напряжения (скалярное управление электроприводом);

б– алгоритм векторного управления;

в– алгоритм прямого управления моментом.

Блок-схема скалярного управления (лист 3 схема а). При управлении с разомкнутым контуром частота вращения электродвигателя регулируется изменением частоты f выходного напряжения таким образом, что реальная частота вращения вала будет определяться моментом нагрузки и выходной частотой f преобразователя.

При регулировании частоты питающего напряжения нужно обеспечить необходимую жесткость механических характеристик n2 =f(M) асинхронного электродвигателя во всем диапазоне регулирования.

Условия обеспечения надлежащей жесткости механических характеристик и перегрузочной способности возможно при сохранении постоянства амплитуды вращающегося поля статора. На рис. 3.1 показан желаемый вид механических характеристик при питании электродвигателя. Чтобы получить такого рода характеристики, необходимо выполнить условия постоянства амплитуды потока Ф1т при различной выходной частоте.

Рис. 3.1

Пренебрегая падением напряжения в активном и индуктивном сопротивлениях обмотки статора, можно записать

Отсюда видно, что для сохранения Ф1т = const при различных значениях выходной частоты инвертора необходимо регулировать ее исходя из условия

При значительном уменьшении частоты, следовательно и U1 , перегрузочная способность электродвигателя несколько снижается из-за относительного увеличения падения напряжения в статорной обмотке в связи с очевидным возрастанием потребляемого тока и, как следствие, снижения амплитуды вращающегося поля.

В практике реализации частотно-регулируемого электропривода микроконтроллер системы управления обеспечивает ввод и обработку параметров, составляющих в конечном итоге определенную конфигурацию характеристики U = /(/). примерный вид характеристики «напряжение—частота» приведен на рис. 3.2.

Рис. 3.2

В некоторых типах частотно-регулируемых электроприводов в памяти управляющего контроллера хранится набор характеристик «напряжение-частота», одну из которых можно установить при инсталляции привода в зависимости от конкретных условий работы. Иногда их количество может достигать 25.

Система управления, в зависимости от применения, может реализовывать заданную статическую зависимость указанного соотношения, например различный угол наклона зависимости U/f. При этом САР измеряет фазные токи ia, ib либо ток в минусовой шине инвертора и вычисляет активное значение тока, пропорциональное моменту. В случае перегрузки электродвигателя ток превышает установленное ограничение и выходная частота снижается.

Типичная область применения ПЧ с САР скалярного типа: насосы, вентиляторы, центрифуги, конвейеры. В случае замкнутого управления (наличие обратной связи по скорости) производится регулирование частоты вращения или момента, или обоих параметров поочередно. Регулятор скорости поддерживает частоту вращения, равную заданной, независимо от изменений нагрузки. Регулятор момента поддерживает момент двигателя, равным заданному, при условии изменения скорости электродвигателя. Реализация такого алгоритма возможна только при наличии обратной связи по скорости.

Блок-схема САР с векторным управлением (лист 3 схема б). Такая модель используется для регулирования частоты вращения или момента двигателя, а также обоих параметров поочередно. Типичное применение: краны, подъемники, намоточные устройства, моталки, лебедки, бумажные машины, приводы для металлургической и деревообрабатывающей промышленности.

На схеме: ПИД — пропорционально-интегрально-дифференциальный регулятор; БИ — блок определения постоянной времени ротора; ПК — преобразователь координат; СВ — сетевой выпрямитель; АИН — автономный инвертор напряжения fзад- заданная частота переключений; БФИ — блок-формирователь сигнала; ψзад — канал регулирования потокосцепления; Мзад — канал регулирования момента.

Основной отличительной особенностью векторного управления является реализация пуска «с хода» при подключении преобразователя к уже вращающемуся двигателю. При этом измеряется ток статора iа, ib и число оборотов ротора. Полученные сигналы .вводятся в математическую модель асинхронного электродвигателя (лист 3 схема б).

В модели двигателя производится расчет магнитного потока и разделение тока статора на две составляющие -момент iq и магнитный поток id. Обе составляющие тока могут регулироваться раздельно, по своему каналу и независимо. Это дает возможность при сохранении потока изменять момент электродвигателя.

Дальнейшее совершенствование показателей частотно-регулируемого электропривода стало возможным в результате разработки и реализации специальных алгоритмов прямого управления моментом на основе теории разрывных управляющих воздействий в скользящем режиме, методология которых строится на синтезе математических моделей систем управления, имеющих вид дифференциальных уравнений в форме Коши с разрывной правой частью.

Блок схема САР прямого управления моментом DTC (direct torque control) (лист 3 схема в) состоит из регулятора скорости, устройства задания и ограничения момента, задания потока статора и частоты переключения. Работа системы основана на реализации во времени работы двух моделей:

1. Регулирование в скользящем режиме вектора потокосцепления статора и момента Μ электродвигателя по значениям, вводимым в нее заданных и действительных величин. Такое регулирование осуществляется модулем сверхбыстрых процессоров.

2. Модель асинхронного электродвигателя через каждый промежуток времени осуществляет вычисление действительных значений потока статора и момента по вводимой в нее информации: токам фаз статора, напряжению звена постоянного тока и положению ключей инвертора. Кроме этого, производится вычисление скорости асинхронного электродвигателя и частоты выходного тока инвертора.

На схеме: РМ, РФ, PF — регуляторы момента, потока и частоты переключения; Ud — входное напряжение АИН; S1, S2, S3 — состояние ключей АИН; PC — регулятор скорости; Мзад, Фзад, fзад- задание значений момента, потока; Мд, Фд, пд — действительные значения момента, потока и частоты вращения.

Такой принцип управления моментом позволяет значительно улучшить характеристики электропривода в части снижения времени достижения заданного момента (не более 1.5 мс), увеличения точности управления моментом при очень низких частотах вращения и нулевой скорости. Кроме этого, весьма привлекательны такие особенности, как отсутствие широтно-импульсной модуляции и необходимости использовать датчик частоты вращения электродвигателя. На листе 2 схема в приведен вариант структурной организации ядра системы прямого управления моментом. По сути, модуль быстродействующих процессоров — это гистерезисный регулятор момента, где управляющие воздействия на силовые ключи инвертора (частота и порядок переключения) вырабатываются в зависимости от сравнения заданных значений магнитного потока и момента с их действительными значениями, синтезируемыми математической моделью электродвигателя. В зависимости от конкретной системы управления вектор потокосцепления статора Ψ5 определяется в течение 10—25 мкс, то есть в каждом цикле управления:

где Us и Is — векторы напряжения и тока статора (рис. 3.22), представленные в неподвижной относительно статора системе координат X, Y;

Rs — активное сопротивление статора.

Вектор напряжения Us определяется исходя из значения измеренного напряжения звена постоянного тока и положения силовых ключей инвертора.

Электромагнитный момент вычисляется, как произведение векторов потокосцеплений статора и ротора

где ρ — число пар полюсов;

σ — коэффициент рассеивания;

Lm — индуктивность намагничивания.

Алгоритм управления моментом предусматривает: поддержание модуля вектора потока статора Ψ5 постоянным, а регулирование момента достигается изменением утла β между векторами потоков статора и ротора

Учитывая, что постоянная времени роторной цепи любого асинхронного электродвигателя превышает 100 мс, что во много раз медленнее, чем изменение потокосцепления статора ΨS, оптимальная логика переключений «успевает» находить наилучший вектор напряжения, при котором ошибка между созданным и действительным значениями момента будет минимальной.

Для достижения более точного регулирования момента производится корректировка в реальном времени абсолютного значения вектора потокосцепления статора ΨS за счет соответствующего изменения напряжения.

Использование рассмотренного алгоритма прямого управления моментом, помимо высокой точности и быстродействия, предопределяет такие возможности, как инвариантность к изменению параметров объекта и возмущениям.

Несмотря на то, что для вентиляторов типичным является применения ПЧ с САР скалярного типа, к применению предлагается алгоритм векторного управления.

Этот принцип для синхронного двигателя позволяет упростить силовой преобразователь, а именно, применить непосредственный преобразователь частоты. А, применив схему управления с выделением продольной и поперечной составляющих тока статора и регулированием тока возбуждения, получить возможность регулирования коэффициента мощности и ограничения магнитного потока машины номинальным значением.

Преимущества частотного регулирования

Преимущества частотного регулирования прежде всего заключается в управлении электродвигателем с помощью преобразователя частоты и предполагает автоматизацию всей его работы, включая пуск, торможение, реверс и изменение скорости вращения электродвигателя. Преимущества частотного регулирования это также автоматический пуск, который обеспечивает плавное включение пусковых сопротивлений, возможность регулирования тока в требуемых пределах, что позволяет уменьшить число ошибок, возникающих при пуске, и повышает производительность всей системы в целом. То же самое касается реверса и торможения. Преимущества частотного регулирования в том, что позволяет устранить один из существенных недостатков электродвигателей с короткозамкнутым ротором — постоянную частоту вращения ротора электродвигателя, не зависящую от нагрузки. Преобразователь частоты создает возможность управления скоростью электродвигателя в соответствии с характером нагрузки. Это в свою очередь позволяет избегать сложных переходных процессов в электрических сетях, обеспечивая работу оборудования в наиболее экономичном режиме. Частотный преобразователь электродвигателя эффективно используют на промышленных предприятиях, в области энергетики, коммунальном хозяйстве и других сферах. Это связано с тем, что Преимущества частотного регулирования в том что оно позволяет автоматизировать производственные процессы, экономично расходовать электроэнергию и другие задействованные в производстве ресурсы, повышать качество выпускаемой продукции, а также увеличивать надежность работы всей системы в целом. Преимущества частотного регулирования в том, что также позволяет улучшить безотказность работы и долговечность технологической системы. Это обеспечивается за счет снижения пусковых токов, устранения перегрузок элементов системы и постепенной выработки моточасов оборудования. Преимущества частотного регулирования в том, что в преобразователе частоты используются ПИД-регуляторы (пропорционально-интегрально-дифференциальные регуляторы), обеспечивающими точное регулирование заданных технологических параметров. На рисунке изображен пуск электродвигателя без частотного преобразователя (красная линия) и пуск электродвигателя с частотным преобразователем (зеленая линия)

Преимущества частотного регулирования в том, что преобразователи частоты, в отличие от других устройств регулирования скорости двигателя, таких как гидравлическая муфта, система генератор-двигатель, механический вариатор, позволяют избегать различных недостатков в работе системы. Речь идет об узком диапазоне регулирования оборудования, сложностях с его эксплуатацией, низким качеством производимых работ и неэкономичности всей системы.

Преимущества частотного регулирования в том, что частотные преобразователи сочетают в себе уникальные качества, высокий технический уровень, надежность и невысокую цену. На базе частотных преобразователей можно создавать гибкие системы электропривода и регулирования технологических параметров. Преимущества частотного регулирования в том, что преобразователи легко встраиваются в существующие системы практически без останова управляемого технологического процесса, легко модифицируются и адаптируются в соответствии со всеми аспектами их применения. Широкий диапазон мощностей и различные варианты систем управления позволяют подобрать решение для многих задач управления.

Преимущества частотного регулирования в том, что частотные преобразователи имеют стандартный интерфейс и входные и выходные унифицированные сигналы для возможности их включения внешним управляющим системам более высокого уровня и подключения устройств дистанционного управления и отображения информации

Частотные преобразователи обладают электромагнитной совместимостью с питающей сетью.

Преимущества применения частотных преобразователей

Преимущества частотного регулирования в том, что плавное регулирование скорости вращения электродвигателя позволяет в большинстве случаев отказаться от использования редукторов, вариаторов, дросселей и другой регулирующей аппаратуры, что значительно упрощает управляемую механическую (технологическую) систему, повышает ее надежность и снижает эксплуатационные расходы. Преимущества частотного регулирования в том, что частотный пуск управляемого двигателя обеспечивает его плавный без повышенных пусковых токов и механических ударов разгон, что снижает нагрузку на двигатель и связанные с ним передаточные механизмы, увеличивает срок их эксплуатации. При этом появляется возможность по условиям пуска снижения мощности приводных двигателей нагруженных механизмов.

Преимущества частотного регулирования в том, что встроенный микропроцессорный ПИД-регулятор позволяет реализовать системы регулирования скорости управляемых двигателей и связанных с ним технологических процессов.

Слева на рисунке видно как устроен двигатель постоянного тока. Присутствие щеток — это существенный недостаток двигателя постоянного тока. Двигатель постоянного тока требует постоянного обслуживания этих щеток и его коллектора. Преимущества частотного регулирования в том, что преобразователи частоты в комплекте с асинхронным электродвигателем может применяться для замены приводов постоянного тока.

Преимущества частотного регулирования в том, что применение обратной связи системы с частотным преобразователем обеспечивает качественное поддержание скорости двигателя или регулируемого технологического параметра при переменных нагрузках и других возмущающих воздействиях.

Преимущества частотного регулирования в том, что преобразователь частоты в комплекте с программируемым микропроцессорным контроллером может применяться для создания многофункциональных систем управления электроприводами, в том числе с резервированием механических агрегатов.

Преимущества частотного регулирования в том, что применение регулируемого частотного электропривода позволяет сберегать электроэнергию устранением неоправданных ее затрат, которые имеют место при альтернативных методах регулирования с технологических потоков дросселированием, с помощью гидромуфт и других механических регулирующих устройств.

Преимущества частотного регулирования в том, что экономия электроэнергии при использовании регулируемого электропривода для насосов в среднем составляет 50-75 % от мощности, потребляемой насосами при дроссельном регулировании. Это определило повсеместное внедрение в промышленно развитых странах регулируемого привода насосных агрегатов. При этом фирмы предлагают различные типы преобразователей частоты для асинхронных двигателей насосов.

Преимущества частотного регулирования в том, что применение устройств плавного регулирования частоты вращения двигателей в насосных агрегатах, помимо экономии электроэнергии, дает ряд дополнительных преимуществ, а именно:

— плавный пуск и останов двигателя исключает вредное воздействие переходных процессов (типа гидравлический удар) в напорных трубопроводах и технологическом оборудовании;

— пуск двигателя осуществляется при токах, ограниченных на уровне номинального значения, что повышает долговечность двигателя, снижает требования к мощности питающей сети и мощности коммутирующей аппаратуры;

— возможна модернизация действующих технологических агрегатов без замены насосного оборудования и практически без перерывов в его работе.

Основные возможности частотных преобразователей

— Частотные преобразователи позволяют регулировать частоту трехфазного напряжения питания управляемого двигателя в пределах от нуля до 400 Гц.

— Разгон и торможение двигателя осуществляется плавно, при необходимости по линейному закону от времени. Время разгона и (или) время торможения от 0,01 с до 50 мин.

— Реверс двигателя, при необходимости с плавным торможением и плавным разгоном до заданной скорости противоположного направления.

— При разгоне частотные преобразователи могут обеспечивать до 150 % увеличение пусковых и динамических моментов.

— В преобразователях предусмотрены настраиваемые электронные самозащиты и защиты двигателей от перегрузки по току, перегревах, утечках на землю и обрывах линий питания двигателей.

— Частотные преобразователи позволяют отслеживать с отображением на цифровом индикаторе и формированием соответствующего выходного сигнала о заданном основном параметре системы — частоте питающего двигатель напряжения, скорости двигателя, ток или напряжение двигателя, состояние преобразователя и т.п.

— В зависимости от вида нагрузки двигателей в преобразователях можно формировать требуемые вольт-частотные выходные характеристики.

— В наиболее совершенных преобразователях реализовано векторное управление, позволяющее работать с полным моментом двигателя в области нулевых частот, поддерживать скорость при переменной нагрузке без датчиков обратной связи, точно контролировать момент на валу двигателя.

Области применения частотных преобразователей

На базе частотных преобразователей могут быть реализованы системы регулирования скорости следующих объектов:

— насосов горячей и холодной воды в системах водо- и теплоснабжения, вспомогательного оборудования котелен, ТЭС, ТЭЦ и котлоагрегатов;

— песковые и пульповые насосы в технологических линиях обогатительных фабрик;

— рольганги, конвейеры, транспортеры и другие транспортные средства;

— дозаторы и питатели;

— лифтовое оборудование;

— дробилки, мельницы, мешалки, экструдеры;

— центрифуги различных типов;

— линии производства пленки, картона и других ленточных материалов;

— оборудование прокатных станов и других металлургических агрегатов;

— приводы буровых станков, электробуров, бурового оборудования;

— электроприводы станочного оборудования;

— высокооборотные механизмы (шпиндели шлифовальных станков и т.п.);

— экскаваторное оборудование;

— крановое оборудование;

— механизмы силовых манипуляторов и т.п.

Существенный эффект дает применение преобразователей частоты для регулирования производительности насосных агрегатов, которое традиционно выполнялось с помощью дросселирующих устройств на нагнетающих трубопроводах насосов. Регулирование дросселированием связано с энергопотерями на местных сопротивлениях, создаваемых регулирующими устройствами. Эти потери отсутствуют при управлении производительностью насосного агрегата путем регулирования скорости его приводного двигателя. Это дает неоспоримые преимущества частотного регулирования.

Системы управления на базе частотных преобразователей могут иметь любые технологически требуемые функции, реализация которых возможна как за счет встроенных в преобразователи программируемых контроллеров, так и дополнительных контроллеров, функционирующих совместно с преобразователями ОМРОН

Варианты применения — примеры применения преобразователей частоты ОМРОН

Одно из достоинств преобразователей частоты ОМРОН — Векторный метод управления двигателем – для случаев, когда в процессе эксплуатации нагрузка может меняться на одной и той же частоте, т.е. нет четкой зависимости между моментом нагрузки и скоростью вращения, а также в случаях, когда необходимо получить расширенный диапазон регулирования частоты при номинальных моментах, например, 0…50 Гц для момента 100% или даже кратковременно 150-200% от Мном. Векторный метод работает нормально, если введены правильно паспортные величины двигателя и успешно прошло его автотестирование. Векторный метод реализуется путем сложных расчетов в реальном времени, производимых процессором преобразователя на основе информации о выходном токе, частоте и напряжении. Процессором используется так же информация о паспортных характеристиках двигателя, которые вводит пользователь. Время реакции преобразователя на изменение выходного тока (момента нагрузки) составляет 50…200 мсек.

Векторный метод позволяет минимизировать реактивный ток двигателя при уменьшении нагрузки путем адекватного снижения напряжения на двигателе — дополнительная возможность энергосбережения. Если нагрузка на валу двигателя увеличивается, то преобразователь адекватно увеличивает напряжение на двигателе.

Предлагаем Вам для ознакомления некоторые Варианты применения:

Преобразователи частоты ОМРОН для Насосов

Преобразователи частоты ОМРОН для Вентиляции

Преобразователи частоты ОМРОН для Канализации

Преобразователи частоты ОМРОН для Погружных насосов

Преобразователи частоты ОМРОН для Поддержания уровня

Преобразователь частоты ОМРОН для Котельных

Преобразователь частоты ОМРОН для Компрессоров

Преобразователи частоты ОМРОН для фасовки продукции

Преобразователи частоты ОМРОН для Намотки, в Моталках

Преобразователи частоты ОМРОН для перемещения

Преобразователи частоты ОМРОН для укладки

Преобразователи частоты ОМРОН и Энерго- и ресурсосбережение

Насос

Первый пример эффективного применения преобразователей частоты, где частотное регулирование дает огромные преимущества.

Наиболее простое и эффективное применение – управление насосными агрегатами станций подкачки водопроводных сетей и силовых распределительных пунктов.

Основано это на стабилизации давления холодной или горячей воды на выходе насосной станции. Возможно применение в качестве сигнала обратной связи датчика давления или расхода воды.

При неравномерном суточном, недельном, месячном графике потребления воды поддержание оптимального давления в сетях возможно с помощью перекрытия задвижек на выходе насосной станции (метод дросселирования) или за счёт изменения скорости вращения насосного агрегата (изменение его производительности).

Мощность, потребляемая насосом, находится в кубической зависимости от скорости вращения рабочего колеса. Р=f(Q3). Производительность насоса Q прямо пропорциональна скорости вращения рабочего колеса. Т.е. уменьшение скорости вращения рабочего колеса насоса (вентилятора) в 2 раза приводят к уменьшению потребляемой мощности в 8 раз. насоса.

Зная суточный график расхода или потребления воды можно определить суточную экономию электроэнергии при применении частотно-регулируемого привода. Таким образом, видно, что частотно-регулируемый привод значительно эффективнее, чем регулирование дросселированием.

Преимущества применения частотно-регулируемого электропривода.

Преимущества частотного регулирования в том, что экономия электроэнергии достигает от 30 до 60%.

Преимущества частотного регулирования в том, что исключение гидроударов, что позволяет резко увеличить срок службы трубопроводов и запорной арматуры.

Преимущества частотного регулирования в том, что отсутствие больших пусковых токов,

Преимущества частотного регулирования в том, что полная защита электродвигателей насосных агрегатов,

Преимущества частотного регулирования в том, что работа электродвигателей и пусковой аппаратуры с пониженной нагрузкой, что значительно увеличивает срок службы электродвигателей

Преимущества частотного регулирования в том, что значительная экономия воды за счёт оптимизации давления в сетях и уменьшения разрывов трубопроводов.

Преимущества частотного регулирования в том, что возможность полностью автоматизировать насосные станции.

Вентиляция

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

Обычно вентиляторы имеют такие параметры, которые обеспечивают максимальный расход воздуха, требуемый системой. Однако условия функционирования часто требуют снижение 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 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%.

Канализация

Управление насосными агрегатами канализационной насосной станции.

Особенности работы канализационной насосной станции.

Большую часть времени на станции работает один насосный агрегат. Регулирование производительности дросселированием трубопроводов обычно не предусматривается. Перекачивание стоков происходит при работе агрегата в режиме периодических включений.

Преимущества частотного регулирования:

Преимущества частотного регулирования в том, что экономить электроэнергию за счет управления насосным агрегатом по специальному алгоритму, включающему в себя:

стабилизацию максимально допустимого уровня в приёмном резервуаре при больших потоках;

поддержание оптимальной частоты электродвигателя при снижении притока;

исключение потери электроэнергии на пусковые токи;

Преимущества частотного регулирования в том, что упрощается техническое обслуживание технологического оборудования, так как исключается большое количество пусков электродвигателей.

Преимущества частотного регулирования в том, что обеспечивается оптимальное протекание режима перекачки стоков без гидроударов.

Преимущества частотного регулирования в том, что уменьшается число коммутационных переключений в силовых цепях и цепях управления насосными агрегатами.

Погружные насосы

Преимущества применения частотно-регулируемого электропривода для глубинных насосов.

Преимущества частотного регулирования в том, что экономия электроэнергии от 30 до 60%.

Преимущества частотного регулирования в том, что исключение гидроударов позволяет резко увеличить срок службы трубопроводов и запорной арматуры.

Преимущества частотного регулирования в том, что отсутствие больших пусковых токов, полная защита электродвигателей насосных агрегатов, работа электродвигателей и пусковой аппаратуры с пониженной нагрузкой, что значительно увеличивает срок службы электродвигателей.

Преимущества частотного регулирования в том, что значительная экономия воды за счёт оптимизации давления в сетях и уменьшения разрывов трубопроводов.

Преимущества частотного регулирования в том, что возможность полностью автоматизировать насосные станции.

Преимущества частотного регулирования в том, что вода к потребителю может подаваться напрямую через закрытые трубы без накопления в резервуаре или водонапорном баке.

Преимущества частотного регулирования в том, что нет необходимости строить, обслуживать водонапорные баки или накопительные резервуары

Особенность применения ПЧ: расстояние от инвертора до э/д без моторного дросселя при мощности э/д до 5 кВт-10-20м, до 50 кВт — 30-40м, с дросселем — до 200м.

Поддержание уровня

Поддержание заданного уровня жидкости в баке.

Применение ПЧ для поддержания заданного уровня жидкости в баке. Производительность насоса регулируется в зависимости от уровня жидкости в баке. Эффект аналогичен описанию применения в канализации

Котельные

Применение частотно-регулируемого привода в насосных и тягодутьевых механизмах котельных установок.

Тягодутьевые машины потребляют около 60% электроэнергии собственных нужд котельных цехов. Поэтому регулирование их режимных параметров оказывает существенное влияние на мощность и экономичность работы котельных установок.

Использование частотно-регулируемых приводов позволяет решать задачу согласования режимных параметров и энергопотребления тягодутьевых механизмов с изменяющимся характером нагрузки котлов, что дает существенное преимущество частотного регулирования

Основным назначением тягодутьевых механизмов и водогрейных котлов является поддержание оптимального режима горения в топке котла. Под понятием оптимального режима здесь подразумевается поддержание оптимального соотношения «топливо-воздух» и создание наиболее благоприятных условий для полного сгорания топлива. Для выполнения этого условия необходимо с одной стороны подать нужное количество воздуха в топку — с другой с заданной интенсивностью извлекать из неё продукты горения.

Применение преобразователей частоты для управления вентилятора подачи воздуха в топку, а так же вентилятора дымососа позволяет не только эффективно решать эту задачу, но и автоматизировать этот процесс наиболее полно и эффективно.

Как правило, система регулирования дымососа должна поддерживать заданную величину разряжения в топке котла независимо от производительности котлоагрегата.

Подача топлива в топку котла для сохранения баланса между подводом тепла и отводом его выполняет существующая система управления производительностью котлоагрегата, регулирующая подачу топлива. С его увеличением увеличивается подача воздуха в топку котла и электропривод дымососа должен увеличить отсасывающий объём продуктов горения. Таким образом, связь между системами регулирования вентилятора и дымососа осуществляется через топку котла.

Поскольку график нагрузки отопительной котельной достаточно неравномерный, уменьшение производительности, как вентилятора, так и дымососа позволит сэкономить до 70% электроэнергии, идущей на приведение в действие этих механизмов.

Преимущества применения частотно-регулируемого электропривода:

Преимущества частотного регулирования в том, что экономия электроэнергии достигается от 30 до 60%.

Преимущества частотного регулирования в том, что исключение гидроударов позволяет резко увеличить срок службы трубопроводов и запорной арматуры.

Преимущества частотного регулирования в том, что отсутствие больших пусковых токов,

Преимущества частотного регулирования в том, что присутствует полная защита электродвигателей насосных агрегатов,

Преимущества частотного регулирования в том, что работа электродвигателей и пусковой аппаратуры с пониженной нагрузкой, что значительно увеличивает срок службы электродвигателей.

Преимущества частотного регулирования в том, что появляется значительная экономия энергоресурсов за счёт оптимизации их расхода.

Преимущества частотного регулирования в том, что появляется возможность полностью автоматизировать объект.

Компрессоры

Применение частотно-регулируемого привода в компрессорных установках.

Работа поршневого компрессора существенно отличается от работы механизмов с вентиляторной характеристикой, так как момент сопротивления на его валу можно считать постоянным.

Однако производительность компрессора Q м3/мин зависит от числа оборотов его вала. При регулировании производительности компрессора изменением числа оборотов его вала изменяется и мощность, потребляемая из сети электродвигателем, приводящим компрессор в движение. На промышленных предприятиях достаточно часто требуется регулировать производительность компрессорных установок за счёт изменения скорости вращения электродвигателя.

Из-за неравномерности потребления сжатого воздуха при работе компрессора иногда приходится открывать спускной клапан в ресивере компрессора.

Применение частотно-регулируемого привода позволяет экономить электроэнергию, поддерживая оптимальное давление при оптимальном расходе сжатого воздуха в системах пневматики.

При применении частотно-регулируемого привода для управления винтовыми компрессорами можно получить экономию электроэнергии, сравнимую с экономией при управлении центробежными насосами (до 60%), т.к. характеристика винтового компрессора близка к характеристике центробежного насоса.

Кроме получения экономии электроэнергии применение частотно-регулируемого привода дополнительно обеспечивает дополнительные преимущества частотного регулирования компрессором:

Преимущества частотного регулирования в том, что снижается износ коммутационной аппаратуры из-за отсутствия больших пусковых токов при включении двигателя компрессора.

Преимущества частотного регулирования в том, что оптимизация давления в пневмосети снижает утечки сжатого воздуха.

Преимущества частотного регулирования в том, что увеличивается срок службы электродвигателя из-за снижения его нагрузки и отсутствия тяжёлых пусковых режимов.

Фасовка продукции

Установка для фасовки.

В данном примере показано применение преобразователей частоты (ПЧ) в установке для фасовки материалов. Конвейер работает по циклу перемещение-загрузка. Дозатор включается, когда конвейер устанавливает тару под него. Благодаря более точному поддержанию скорости, позиционированию, управлению по информационным сетям можно получить больший КПД системы. А это дает огромные преимущества частотного регулирования.

Намотка

Установка для намотки материала.

Для обеспечения протяжки материала с малыми отклонениями от заданной скорости используется преобразователь частоты c датчиком обратной связи (энкодером). Для получения рулона материи с постоянным натяжением по всему диаметру намотки преобразователь частоты привода бобины управляется аналоговым сигналом с датчика натяжения. Еще один вариант — использование встроенной функции — ограничения или управления моментом преобразователя.

Перемещение

Установка для равномерного перемещения материала.

Применение ПЧ в режиме «мастер-ведомый» на примере установки для перемещения материала. Для получения одинаковых выходных частот преобразователей широко используется режим «мастер-ведомый». При этом задание скорости подается на привод «мастер». Остальные привода являются ведомыми и получают задание скорости с ведомого.

Укладка

Установка для рядной намотки проволоки с использованием раскладчика.

Для получения данных о реальной скорости вращения, числа оборотов, реализации возможности задания момента натяжения привод намотки использует датчик обратной связи. Сигнал пропорциональный скорости намотки поступает на привод раскладчика. Этим достигается синхронизация возвратно-поступательного движения раскладчика для получения катушки с рядной намоткой.

Энергосбережение и ресурсосбережение

Наиболее простое и эффективное применение — управление насосными агрегатами станций подкачки водопроводных сетей и тепловых распределительных пунктов. Основано это на стабилизации давления холодной или горячей воды на выходе насосной станции. Возможно применение в качестве сигнала обратной связи датчика расхода воды.

При неравномерном суточном, недельном, месячном графике потребления воды поддержание оптимального давления в сетях возможно с помощью перекрытия задвижек на выходе насосной станции (метод дросселирования) или за счёт изменения скорости вращения насосного агрегата (изменение его производительности).

Мощность, потребляемая насосом находится в кубической зависимости от скорости вращения рабочего колеса.

Р = f (Q3) , т.е. уменьшение скорости вращения рабочего колеса насоса, вентилятора в 2 раза приводят к уменьшению мощности, потребляемой насосом в 8 раз. Производительность насоса Q прямо пропорциональна скорости вращения рабочего колеса насоса. Исходя из графиков потребления воды и зависимости мощности, потребляемой насосом от производительности можно определить примерную экономию электроэнергии от применения частотно-регулируемого привода.

Зная суточный график расхода или потребления воды можно определить суточную экономию электроэнергии при применении частотно-регулируемого привода. Для каждого значения производительности насоса Q это будет разница Р графика потребления мощности. Таким образом видно, что частотнорегулируемый привод эффективнее.

Посмотрите еще Наш опыт

Посмотрите еще Наш каталог

Встроенные и внешние преобразователи частоты.

Преобразователь частоты может быть:

  • Встроенным в электродвигатель (расположен непосредственно на двигателе или конструктивно выполнен в едином корпусе с двигателем). Подобные модели насосов выпускаются только самыми инновационными компаниями.
  • Внешним. Мощность насосов, регулируемых внешним преобразователем частоты, практически не лимитирована. Производители таких ПЧ никак не связаны с производством насосов, поскольку насосный сектор является для них далеко не единственной сферой применения.

Рис.1 Насос со встроенным в двигатель преобразователем частоты.

Рис.2 Насос со стандартным двигателем.

Применение ПЧ возможно как для поверхностных насосов, так и для погружных.

Внешние ПЧ имеют одно очень значимое преимущество — в случае их выхода из строя насос продолжает функционировать, в то время как со встроенным в двигатель ПЧ насос становится неработоспособным.

Возможности частотно регулируемого насоса:

  • Работа на постоянной характеристике (частичной).
  • Работа для поддержания постоянного давления или перепада давления (требуется датчик давления, датчик перепада давления).
  • Работа для поддержания постоянного расхода (требуется электронный расходомер).
  • Работа для поддержания постоянной температуры или перепада температур (требуется датчик температуры, датчик перепада температур).

Например, в системах водоснабжения наибольшее распространение имеет схема работы с поддержанием постоянного давления. Преобразователь регулирует частоту вращения насоса с таким расчетом, чтобы при изменении расхода воды давление в сети оставалось неизменным.

Снижение потребления электроэнергии с использованием преобразователя частоты.

Большинство инженерных систем в жилых зданиях и производственных объектах являются системами с переменным расходом (тепло и водоснабжение, кондиционирование), где разница между пиковой и фактической нагрузкой может быть значительной. Разница эта обусловлена неравномерностью расхода с течением времени (рабочей смены, суток, сезонов года и т.п.). Причем чем больше эта разница, тем больше энергии насосам удастся сэкономить.

Для многих стандартных объектов с переменным расходом (школы, гостиницы, жилые дома и т.п.) построены суточные графики водопотребления, где можно увидеть, что при максимальной нагрузке насосы работают не более 10-15% всего времени. Простой пример — многоэтажный дом. Утром и вечером расход максимальный, днем средний, ночью минимальный. Все понятно без дополнительных разъяснений. Вот здесь и скрыт основной резерв экономии.

Экономическая целесообразность оснащения преобразователем частоты насоса, который работает все время в одном и том же режиме, практически отсутствует.

Энергопотребление насоса зависит от фактического расхода жидкости, который большую часть времени ниже расчетного максимального значения. Это вызвано тем, что насосы подбираются исходя из максимальных требований системы по расходу и напору, однако, как уже говорилось, такой режим наблюдается незначительную часть времени.

Получается, что большую часть времени избыточная мощность насоса просто не нужна.

При частичной нагрузке насос уже не будет запускаться на полную мощность, как это бывает в системах без частотного регулирования, а будет работать в каком-то промежуточном режиме, с пониженной частотой вращения. И самое главное, что насос будет подстраиваться под требования системы автоматически.

Для того, чтобы точно уяснить почему при снижении скорости вращения падает мощность, давайте обратимся к характеристикам насоса.

Характеристики насосов, оснащенных преобразователем частоты:
Нерегулируемые Регулируемые
Электродвигатель насоса вращается с постоянной скоростью Регулирование частоты вращения с помощью преобразователя частоты

Нерегулируемые центробежные насосы имеют только одну кривую гидравлической характеристики, соответствующую номинальной частоте вращения вала двигателя. Расход и напор насоса изменяются в точном соответствии с этой кривой (см. рис.3).

Преобразователь частоты позволяет с одним насосом получить множество различных кривых. Таким образом, насос может работать в любой точке выделенной синим цветом зоны (см. рис.4). Частота вращения указана в процентах (%) от номинальной. Для наглядности на рис.4 характеристики представлены с шагом в 10% (соответствует 5 Гц), однако современные ПЧ могут обеспечить точность регулировки до 0,01 Гц.

Рис.3 Гидравлическая характеристика нерегулируемого “стандартного” насоса.

Рис.4 Гидравлические характеристики регулируемого насоса.

Мощность насоса прямо пропорциональна расходу жидкости и развиваемому напору. При падении этих характеристик падает и мощность. Это можно понять даже без формул, которые мы намеренно не стали здесь приводить.

При снижении расхода воды, требуемая мощность падает даже у стандартного нерегулируемого насоса (см. рис.5). В свою очередь каждой новой гидравлической кривой регулируемого насоса будет соответствовать новая кривая мощности.

Рис.5 Характеристика мощности нерегулируемого “стандартного” насоса.

Рис.6 Характеристики мощности регулируемого насоса.

При переходе на более низкую частоту вращения мы автоматически переходим на новую кривую мощности с более низкими абсолютными значениями, что наглядно демонстрируется на рис.6. Вот таким образом и уменьшается потребляемая мощность насоса.

Частотное регулирование промышленных и бытовых насосов.

Наибольшие резервы в энергосбережении находятся, как можно догадаться, в промышленности. Инженерные системы городов, поселков и промышленных предприятий в России это тот сегмент, где все резервы экономии не то что не исчерпаны, а еще только осмысляются. Хотя уже сейчас происходят активные процессы модернизации насосного оборудования, как путем замены на новые модели с более высоким КПД, так и путем применения частотного регулирования.

Применение ПЧ в промышленности обусловлено реальной экономической целесообразностью, а вот есть ли смысл использовать преобразователь частоты у себя дома или на даче? Ответы на эти вопросы .

Строй-Техника.ру

Строительные машины и оборудование, справочник

Электропривод насосов
Категория: Электрооборудование строительных машин

Реклама партнеров:

Электропривод насосов

Далее: Электропривод вентиляторов

Автоматизированные насосные станции подразделяются на два типа: с водонапорным баком и с воздушно-водяным котлом. Установки с водонапорным баком применяются в тех случаях, когда имеется возможность установить бак на необходимой высоте, используя подходящее инженерное сооружение. В противном случае проще и дешевле применить водоснабжающие станции с воздушно-водяным котлом, в которых для создания необходимого напора воды в сети при остановленном электродвигателе используется энергия сжатого в котле воздуха.

Рис. 109. Электрическая схема небольшой автоматизированной насосной станции

На рис. 109,а показана электрическая схема небольшой автоматической насосной с асинхронным коротко-замкнутым двигателем 1, станцией ручного управления 2 и постом автоматического управления 3. Беспоплавковый электродный датчик уровня воды в баке водонапорной башни схематично показан на рис. 109, б.

Такие насосные питаются энергией от трехфазной сети 380/220 в и работают при температуре окружающей среды от —40° до +35°С и влажности воздуха до 100%.

В холодное время года верхние контакты датчика уровня необходимо обогревать для предотвращения их обмерзания. Мощность трансформатора обогрева 100 вт.

Перед пуском автоматической насосной станции выключателем IP к контактору Л силовой цепи и цепи управления подается напряжение, а выключателем 2Р подготавливается к работе пост автоматического управления. При первоначальном пуске нажимают на кнопку «Пуск». Напряжение подается к катушке реле РП, что приводит к срабатыванию блок-контакта РП и шунтированию кнопки «Пуск». Катушка Л магнитного пускателя также срабатывает. Так как при отсутствии воды в баке или при недостаточном ее уровне контакты реле уровня РУ закрыты и электродвигатель работает, насос подает воду в сеть и башню.

При достижении водой верхнего уровня контакты реле верхнего уровня КВУ закрываются и по катушке реле уровня РУ идет ток. Реле РУ закрывает замыкающие контакты, шунтируя контакты КВУ, и открывает размыкающие контакты, обесточивая катушку Л. Двигатель и насос останавливаются. В начале паузы в работе двигателя раскрываются контакты КВУ, подготовляя этим схему для дальнейшей работы. При достижении водой нижнего уровня раскрываются контакты КНУ. При этом катушка РУ обесточивается, ее размыкающие контакты закрываются, оживляя катушку Л. Происходит повторный пуск двигателя насоса. Замыкающие контакты РУ открываются, предотвращая преждевременное выключение двигателя.

При нормальной работе установки реле РП получает питание через свои закрытые контакты РП и размыкающие контакты тепловых реле РТ.

Станция выключается из работы при нажатии на кнопку «Стоп» или автоматически при срабатывании реле тепловой защиты РТ.

Подобные насосные станции могут применяться для водоснабжения небольших строительных площадок и поселков строителей.

Реклама:

Читать далее: Электропривод вентиляторов
Категория: — Электрооборудование строительных машин

Автоматизация насосной станции с применением частотного преобразователя

Назначение и разновидности насосных станций

Насосные станции (НС) — это сложный электрогидравлический технический комплекс сооружений и оборудования, предназназначенный для преобразования электроэнергии в механическую энергию потока жидкости и для контроля, регулирования и управления этим процессом преобразования.

Обеспечение следующих функций является основным назначением насосных станций:

— необходимого графика поступления жидкости для нормальных и аварийных условий;
— минимизации затрат на сооружение, оснащение и использование в работе;
— требуемой степени надёжности и, соответственно, времени бесперебойной работы;
— долговечности, которая соответствует технологической значимости объектов;
— удобства использования в работе (широкое применение телемеханики и автоматики);
— эксплуатации при постоянно изменяющихся режимах потребления жидкости, ее объемах, а также изменяющихся характеристиках потребителей.

В настоящее время насосные станции все более широко используются в жилищно-коммунальном хозяйстве и промышленности. Они характеризуются большим набором различных функций, схем соединения насосов при их совместной работе, контролируемых параметров, категории надёжности и другими характеристиками.

Насосные станции по назначению можно разделить на следующие виды: хозяйственно-питьевого водоснабжения промышленных предприятий и населённых пунктов; канализационные; дренажные; систем теплоснабжения; противопожарного водоснабжения; нефтеперекачивающие; мелиоративные и др.

По способу объединения нескольких насосов следует выделить насосные станции с индивидуальной работой насосов, а также насосные станции с совместной работой насосов.

Насосные установки
Основным энергетической частью НС является насосная установка, состоящая из одного или нескольких насосов, нагнетательную и всасывающую систему трубопроводов, приводной двигатель, запорную арматуру, а также датчики давления и технологических параметров установки. В качестве основного силового оборудования на НС применяют динамические или объёмные насосы.

Объёмные насосы работают по принципу вытеснения, соответственно давление перемещений жидкости увеличивается в результате сжатия. К ним относятся возвратно-поступательные (поршневые, диафрагменные) и роторные (радиально-поршневые и аксиально-поршневые, зубчатые, шиберные, винтовые и т.п.) насосы.

Динамические насосы функционируют по принципу силового воздействия на перемещаемую среду. К ним относятся лопастные (осевые, центробежные) нагнетатели и нагнетатели трения (струйные, дисковые, вихревые и т.п.).

Наибольшее распространение получили центробежные насосы.

На рис. 1 представлена технологическая схема стандартной насосной станции. Сначала жидкость поступает во входной коллектор насосной станции и накапливается в резервуаре. Из входного резервуара она откачивается насосами, поступает в выходной коллектор насосной станции и далее в магистральный трубопровод, откуда и распределяется на нагрузке или поступает ко входу следующей насосоной станции. Для отделения насоса от трубопровода используются специальные задвижки, расположенные на входном и напорном патрубках насоса. В дополнение к этому, на выходном патрубке насоса установлен обратный клапан, предназначенный для препятствия потоку жидкости через насос в обратном направлении. В качестве электроприводов задвижек и насосов используются электрические двигатели переменного тока. В правой части рис. 1 размещена таблица, в которой для каждого объекта насосной станции приводится список контролируемых параметров. Данный список может изменяться в зависимости от назначения НС и мощности насосных установок.

Регулирование режимов работы насосных установок.
Для поддержания заданного режима работы насосной станции при изменении внешнизх условий работы необходимо производить контроль и регулирование режимов работы насосных установок. Эта функция может быть разделена на два направления: регулирование гидравлических режимов работы насосов и регулирование энергоэффективности работы оборудования НС. Для насосных установок центробежного типа применяют следующие способы контролировани давления и подачи жидкости:
— дросселированием трубопровода;
— перепуском части потока жидкости из выходного патрубка насоса во входной;
— подключением и отключением насосов (ступенчатое регулирование);
— изменением скорости вращения рабочего колеса насоса.

Основные функции автоматической системы контроля и регулирования НС.
Согласно требованиям строительных норм и правил насосные станции всех назначений должны разрабатываться, как правило, с управлением без необходимости постоянного присутствия обслуживающего персонала: автоматическим – в зависимости от текщих технологических параметров (уровня жидкости в ёмкостях, давления или расхода жидкости в сети); дистанционным (средствами телемеханики) – из пункта управления; местным – при помощи периодически приходящего на объект персонала с отправкой требуемых сигналов на пункт управления или на промежуточный пункт, на котором постоянно присутствует обслуживающий персонал.

Управление регулируемым электроприводом в основном должно происходить автоматически в зависимости от давления в приоритетных точках сети, расходов жидкости, подаваемой в сеть, уровня жидкости в резервуарах.

В НС следует реализовать измерение давления жидкости в напорных водоводах и у каждого насосного агрегата, расходов жидкости на напорных водоводах, а также регулирование уровня жидкости в дренажных приямках и вакуум-котле, при необходимости — температуры подшипников силовых агрегатов, аварийного уровня затопления (поднятия уровня воды в машинном зале выше уровня фундамента элекроприводов). При мощности насоса более 100 кВт следует предусмотреть периодическое точное определение коэффициента полезного действия КПД с погрешностью не более 3 %.

При автоматизированном или дистанционном (средствами телемеханики) управлении должно быть реализовано также и местное управление.

В насосной станции кроме всего прочего должна быть реализована автоматизация вспомогательных технологических процессов, а именно: промывки вращающихся сеток по заранее заданной программе, настраиваемой точно по времени или по перепаду уровней жидкости, откачки дренажных вод по уровням воды в приямке, вентиляции и электроотопления по значению температуры воздуха в помещении.

Общая структурная схема автоматизированной насосной станции.
Упрощённая структурная схема автоматизированной НС с частотным преобразователем приведена на рис. 2.

Электроснабжение НС производится от трансформаторной подстанции ТП. Электрическая энергия поступает на распредустройство РУ, к которому непосредственно подключено силовое электрооборудование. Здесь же размещены трансформаторы тока для средств учёта потребляемой электрической энергии.

Силовое электрооборудование установлено в электрощитовой НС.
Оно включает в себя: силовые щиты управления СШУ, частотный преобразователь ПЧ и, если есть необходимость, КРМ — компенсатор реактивной мощности. Силовой шкаф управления включает в себя коммутационный аппарат для подключения питания к электродвигателю М центробежного насоса Н или к выходу частотного преобразователя ПЧ, или к секции распределительного устройства РУ.

В машинном зале насосной станции смонтировано основное и вспомогательное оборудование НС. К основному оборудованию можно отнести насосы ЦН1–ЦН3, приводные электродвигатели М1–М3. К вспомогательному оборудованию относятся: пожарные, дренажные, вакуум-насосы; задвижки; обогреватели, вентиляторы и другое используемое оборудование. Управление всем оборудованием производится с помощью исполнительных механизмов ИМ1–ИМn.

Для считывания данных со значениями контролируемых параметров применяются датчики Д1–Дm.

Команды управления и сигналы с датчиков оборудования НС обрабатываются в шкафу управления ШУ. Здесь также выполняется их объединение в одну общую линию данных, которая подключается непосредственно к технологическому контроллеру.

Технологический контроллер производит работу по общему алгоритму управления НС, а также обмен данными с автоматизированной системой управления технологическим комплексом АСУ ТК. ПО технологического комплекса содержит несколько функциональных модулей реализованных на программном уровне:
1 Управление работой основной насосной установки.
2 Управление работой дополнительной насосной установки, например пожарными насосами.
3 Управление работой дренажных насосов.
4 Изменение и вычисление рабочих параметров оборудования НС.
5 Управление вентиляцией и отоплением помещений НС.
6 Выполнение функций защиты от несанкционированного доступа посторонних лиц на территорию насосной станции.
7 Обслуживание местного терминала.
8 Передача данных о параметрах и рабочих режимах оборудования насосной станции на АСУ ТК и обработка управляющих сигналов, полученных от неё.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *