Низковольтные преобразователи частоты | НТЦ «Приводная Техника»

Регулируемый электропривод используется практически во всех отраслях современной промышленности. Насосы, вентиляторы, компрессоры, конвейеры, краны, прокатные станы, буровые установки и другое технологическое оборудование должны не просто включаться и выключаться, а работать с заданной скоростью, моментом и производительностью.

Для решения этих задач применяются низковольтные преобразователи частоты — силовые электронные устройства, позволяющие управлять параметрами электродвигателя путем изменения частоты и напряжения его питания.

Современный низковольтный ПЧ может выполнять значительно больше функций, чем простое регулирование оборотов. Он обеспечивает плавный пуск и торможение, управление моментом, диагностику оборудования, взаимодействие с контроллерами и АСУ ТП и может становиться центральным элементом промышленной системы электропривода.

Низковольтные преобразователи серии МТ НТЦ «Приводная техника», в частности МТ1000/МТ2000, предназначены для промышленного применения и могут использоваться для управления синхронными и асинхронными электродвигателями, а также в ряде энергетических задач.

Что такое низковольтный преобразователь частоты

Низковольтный преобразователь частоты — это преобразовательное устройство, предназначенное для формирования регулируемого по частоте и напряжению питания электродвигателя в низковольтной промышленной сети.

Типовая структура регулируемого электропривода выглядит следующим образом:

электрическая сеть → преобразователь частоты → электродвигатель → технологический механизм

ПЧ получает питание от сети и преобразует его таким образом, чтобы на двигатель подавалось напряжение с параметрами, необходимыми для текущего режима работы.

За счет этого можно регулировать:

·       частоту вращения двигателя;

·       электромагнитный момент;

·       скорость разгона;

·       скорость торможения;

·       направление вращения;

·       производительность механизма.

В отличие от прямого подключения двигателя к сети, частотно-регулируемый электропривод позволяет гибко изменять режим работы оборудования в соответствии с технологической задачей.

Для чего нужны низковольтные преобразователи частоты

Самая очевидная задача ПЧ — изменение скорости электродвигателя. Но на промышленном предприятии возможности преобразователя значительно шире.

С его помощью можно:

·       выполнять плавный запуск двигателя;

·       уменьшать пусковые токи;

·       регулировать скорость вращения;

·       управлять моментом;

·       осуществлять реверс;

·       задавать время разгона и торможения;

·       поддерживать давление, расход, уровень или другой технологический параметр;

·       синхронизировать работу нескольких приводов;

·       контролировать состояние электродвигателя;

·       передавать диагностические данные в АСУ ТП;

·       реализовывать специализированные алгоритмы управления оборудованием.

Именно поэтому преобразователь частоты следует рассматривать не просто как отдельный электротехнический аппарат, а как часть системы автоматизированного электропривода.

Как устроен низковольтный преобразователь частоты

Несмотря на различия между моделями и производителями, принцип построения многих промышленных ПЧ схож.

Основными элементами являются:

1.     выпрямительная часть;

2.     звено постоянного тока;

3.     инвертор;

4.     система управления;

5.     система охлаждения;

6.     средства защиты и диагностики;

7.     интерфейсы связи.

Рассмотрим их подробнее.

Выпрямитель

Первый этап преобразования электрической энергии — выпрямление входного переменного напряжения.

Переменное напряжение промышленной сети преобразуется в постоянное и передается в промежуточное звено.

В зависимости от конструкции преобразователя могут применяться разные схемы выпрямления.

Для более сложных промышленных систем возможны решения, позволяющие не только получать энергию из сети, но и обеспечивать двунаправленный энергетический обмен.

Звено постоянного тока

После выпрямителя электрическая энергия поступает в звено постоянного тока.

Его задача — обеспечить необходимые параметры питания для дальнейшей работы инвертора и сгладить соответствующие процессы преобразования.

Звено постоянного тока является связующим элементом между входной и выходной силовыми частями преобразователя.

Инвертор

Инвертор формирует из постоянного напряжения переменное трехфазное напряжение с требуемыми параметрами.

Современные силовые полупроводниковые ключи переключаются системой управления по заданному алгоритму.

В результате преобразователь может изменять выходную частоту и тем самым регулировать скорость вращения электродвигателя.

Система управления

Если силовая часть отвечает за преобразование энергии, то система управления определяет, как именно должен работать электропривод.

Она обрабатывает:

·       команды оператора;

·       сигналы контроллера;

·       данные датчиков;

·       параметры двигателя;

·       информацию о токах и напряжениях;

·       аварийные сигналы.

На основании этих данных формируются управляющие команды для силовой части ПЧ.

Современная система управления позволяет реализовывать сложные алгоритмы регулирования скорости и момента.

Как работает низковольтный преобразователь частоты

В упрощенном виде работу ПЧ можно представить следующим образом.

Входное переменное напряжение:

сначала выпрямляется → затем поступает в звено постоянного тока → после этого инвертор формирует регулируемое трехфазное напряжение для двигателя.

Частота выходного напряжения связана со скоростью вращения магнитного поля электродвигателя.

Поэтому, изменяя частоту, преобразователь изменяет скорость двигателя.

При этом современный ПЧ одновременно управляет и другими электрическими параметрами, чтобы обеспечивать необходимый момент и устойчивость привода.

Почему частотное регулирование эффективнее механического

До широкого распространения ПЧ производительность различных механизмов часто регулировалась механическими средствами.

Например:

·       насос мог постоянно вращаться с номинальной скоростью, а расход ограничивался задвижкой;

·       воздушный поток вентилятора регулировался заслонкой;

·       для изменения скорости применялись редукторы или другие механические устройства.

Частотное регулирование позволяет непосредственно изменять скорость двигателя.

Это дает возможность точнее согласовать работу электропривода с текущей потребностью технологического процесса.

Особенно заметен эффект на насосных и вентиляционных установках с переменной производительностью. На объектах ЖКХ Momentum использует частотное регулирование для автоматического поддержания давления, напора или уровня, плавного пуска двигателей и регулирования частоты вращения.

Скалярное управление

Один из базовых методов управления электродвигателем — скалярный.

Система регулирует напряжение в зависимости от изменения частоты.

Такой способ может применяться в механизмах, где не требуется высокая точность управления моментом.

Типичные примеры:

·       насосы;

·       вентиляторы;

·       некоторые конвейеры;

·       вспомогательные механизмы.

Основными преимуществами являются относительная простота настройки и достаточные характеристики для многих общепромышленных задач.

Векторное управление

Для тяжелого промышленного оборудования часто требуется более точное управление электромагнитным моментом.

В таких системах используется векторное управление.

Оно актуально для:

·       крановых механизмов;

·       подъемного оборудования;

·       прокатных станов;

·       буровых установок;

·       станочного оборудования;

·       механизмов с быстрым изменением нагрузки.

Векторное управление позволяет получить более высокую динамику привода и точнее контролировать двигатель, в том числе при работе на малой скорости.

Бездатчиковое управление и работа с обратной связью

Преобразователь может управлять двигателем без отдельного датчика скорости либо использовать обратную связь.

В более ответственных системах применяются энкодеры и другие датчики.

Обратная связь может потребоваться, если необходимо:

·       точно поддерживать скорость;

·       управлять моментом на малых оборотах;

·       выполнять позиционирование;

·       синхронизировать несколько механизмов;

·       контролировать положение привода.

Конкретная схема выбирается исходя из требований технологического оборудования.

Плавный пуск электродвигателя

При прямом подключении электродвигателя к сети возникают значительные пусковые токи.

Одновременно механизм быстро разгоняется, что может создавать повышенные динамические нагрузки на механические элементы.

Преобразователь частоты позволяет задать контролируемую характеристику разгона.

Двигатель постепенно выходит на требуемую скорость, что помогает уменьшить нагрузки на:

·       сеть электроснабжения;

·       муфты;

·       редукторы;

·       подшипники;

·       валы;

·       трубопроводы;

·       другие элементы технологического оборудования.

Для мощных промышленных механизмов возможность управляемого запуска особенно важна.

Управляемое торможение

Так же, как и разгон, преобразователь позволяет программно задавать режим остановки.

При этом необходимо учитывать инерцию механизма.

При торможении электродвигатель в определенных режимах может отдавать энергию обратно в звено постоянного тока.

Для работы с этой энергией в зависимости от схемы электропривода применяются:

·       тормозные резисторы;

·       специальные тормозные модули;

·       активные выпрямители;

·       рекуперативные решения.

Особенно важен расчет торможения для крановых, подъемных и высокоинерционных механизмов.

Низковольтный ПЧ для насоса

Насосное оборудование является одним из распространенных объектов применения частотно-регулируемого электропривода.

ПЧ позволяет изменять скорость двигателя в зависимости от требуемой производительности.

Например, система может работать следующим образом:

датчик давления → контроллер или ПЧ → изменение скорости насоса → поддержание заданного давления.

В результате производительность насоса автоматически подстраивается под текущий режим работы системы.

Такие решения применяются:

·       в промышленном водоснабжении;

·       на насосных станциях;

·       в системах охлаждения;

·       в коммунальном хозяйстве;

·       на технологических линиях.

Низковольтные ПЧ для вентиляторов и дымососов

По аналогичному принципу преобразователи применяются для вентиляторов и дымососов.

Вместо постоянной работы двигателя на максимальной скорости производительность может изменяться в зависимости от фактической потребности.

Регулирование может выполняться по:

·       расходу воздуха;

·       давлению;

·       температуре;

·       разрежению;

·       сигналу АСУ ТП.

Это позволяет гибко управлять вентиляционным и газовоздушным оборудованием.

Применение в компрессорном оборудовании

Преобразователь частоты может регулировать производительность компрессора путем изменения скорости двигателя.

Такое решение позволяет согласовать работу компрессорной установки с фактическим потреблением.

При проектировании необходимо учитывать характеристики конкретного компрессора, допустимый диапазон скоростей и требования производителя механического оборудования.

ПЧ для конвейеров

У конвейерного электропривода имеются свои особенности.

Преобразователь позволяет:

·       плавно запускать ленту;

·       изменять скорость транспортировки;

·       ограничивать момент;

·       синхронизировать работу приводов;

·       уменьшать динамические нагрузки.

Для длинных или тяжело нагруженных конвейеров особенно важно правильно определить необходимый пусковой момент.

Если конвейер запускается с материалом, требования к преобразователю могут значительно отличаться от требований к ПЧ для вентилятора такой же мощности.

Низковольтные преобразователи частоты для кранов

Крановый привод относится к наиболее сложным областям применения ПЧ.

Преобразователь может использоваться для управления:

·       механизмом подъема;

·       передвижением моста;

·       перемещением тележки;

·       поворотным механизмом;

·       вспомогательными приводами.

Здесь предъявляются повышенные требования к:

·       перегрузочной способности;

·       управлению моментом;

·       работе на низких скоростях;

·       реверсу;

·       торможению;

·       управлению механическим тормозом.

Серия МТ Momentum позиционируется в том числе для крановых и подъемно-транспортных систем, где важны плавное управление и работа в тяжелых промышленных режимах.

Применение в металлургии

Металлургическое производство предъявляет высокие требования к промышленному электроприводу.

Низковольтные ПЧ могут применяться для:

·       рольгангов;

·       транспортных механизмов;

·       вспомогательных приводов прокатных станов;

·       вентиляторов;

·       насосов;

·       дымососов;

·       кранового оборудования;

·       других технологических агрегатов.

При этом большое значение имеют динамические характеристики, перегрузочная способность и возможность интеграции преобразователя в общую АСУ ТП предприятия.

Применение на прокатных станах

Прокатное оборудование требует точного согласования нескольких электроприводов.

Преобразователи частоты могут использоваться для управления отдельными механизмами технологической линии и обеспечивать:

·       регулирование скорости;

·       регулирование момента;

·       синхронизацию приводов;

·       управляемый разгон;

·       управляемое торможение;

·       связь с верхним уровнем автоматизации.

Для таких объектов ПЧ подбирается не как отдельный аппарат, а как часть комплексной системы электропривода.

Применение на буровых установках

Буровая установка содержит множество механизмов с переменной нагрузкой.

Частотно-регулируемый привод может применяться для:

·       насосных агрегатов;

·       лебедок;

·       систем верхнего привода;

·       вспомогательных механизмов.

Для бурового оборудования особенно важны надежность, перегрузочная способность и возможность работы в составе автоматизированной системы управления.

Низковольтные преобразователи серии МТ на сайте Momentum также указаны среди решений для буровых установок и нефтегазового оборудования.

Низковольтные преобразователи большой мощности

Термин «низковольтный» не означает, что преобразователь обязательно имеет небольшую мощность.

В промышленности низковольтные ПЧ могут управлять электродвигателями очень большой мощности.

В таких системах особенно важны:

·       конструкция силовой части;

·       эффективное охлаждение;

·       качество электроснабжения;

·       перегрузочная способность;

·       ремонтопригодность;

·       модульность;

·       возможность резервирования;

·       удобство технического обслуживания.

Например, МТ1000/МТ2000 НТЦ «Приводная техника» выполнены по модульной трехуровневой архитектуре; для текущей линейки на сайте указан диапазон мощности от 450 до 5600 кВт и питание 400/690 В.

Что дает модульная конструкция ПЧ

Для мощного промышленного оборудования модульная архитектура имеет ряд преимуществ.

Она позволяет формировать конфигурацию преобразователя под требования конкретного проекта и упрощает обслуживание силового оборудования.

В зависимости от конструкции модульный подход может обеспечивать:

·       масштабирование мощности;

·       унификацию компонентов;

·       удобство диагностики;

·       замену отдельных модулей;

·       сокращение времени ремонта;

·       создание различных вариантов силовой схемы.

Это особенно актуально для предприятий, где простой технологической линии связан со значительными производственными потерями.

Трехуровневая схема преобразователя

В мощном промышленном электроприводе могут использоваться многоуровневые силовые схемы.

В частности, серия МТ1000/МТ2000 построена как трехуровневый преобразователь частоты. На сайте Momentum эта архитектура используется для промышленного управления синхронными и асинхронными двигателями и ряда энергетических применений.

Выбор конкретной топологии преобразователя зависит от мощности, напряжения, требований к двигателю, характеристик сети и задачи проекта.

Возможности низковольтного ПЧ в составе АСУ ТП

На современном предприятии преобразователь частоты обычно является частью единой системы автоматизации.

Он может взаимодействовать с:

·       программируемым логическим контроллером;

·       SCADA;

·       операторской панелью;

·       датчиками;

·       системой верхнего уровня;

·       другими электроприводами.

АСУ ТП может передавать преобразователю:

·       команду пуска;

·       команду остановки;

·       задание скорости;

·       команду реверса;

·       выбор режима;

·       команды управления технологическим процессом.

В обратном направлении ПЧ может передавать информацию о текущем состоянии привода и диагностические параметры.

Какие параметры можно контролировать

Набор параметров зависит от конкретной модели ПЧ.

В промышленной системе могут контролироваться:

·       выходная частота;

·       ток двигателя;

·       напряжение;

·       заданная скорость;

·       состояние преобразователя;

·       температура;

·       предупреждения;

·       аварийные события.

Использование этих данных в АСУ ТП позволяет оператору получать информацию о работе электропривода и быстрее диагностировать неисправности.

Защитные функции преобразователя

Современный ПЧ имеет собственную систему контроля и защиты.

В зависимости от исполнения могут контролироваться:

·       перегрузка;

·       превышение допустимого тока;

·       повышение напряжения;

·       снижение напряжения;

·       перегрев;

·       короткое замыкание;

·       потеря фаз;

·       неисправности силовой части.

Однако встроенная защита преобразователя не заменяет полноценную систему защиты электроустановки.

Аппараты защиты, коммутационное оборудование, заземление и другие элементы должны проектироваться комплексно.

Как выбрать низковольтный преобразователь частоты

При выборе оборудования необходимо учитывать не только мощность двигателя.

Первоначально следует определить:

1.     номинальную мощность двигателя;

2.     номинальный ток;

3.     рабочее напряжение;

4.     тип электродвигателя;

5.     характер нагрузки;

6.     требуемый диапазон регулирования скорости;

7.     пусковой момент;

8.     перегрузочную способность;

9.     требования к торможению;

10. условия эксплуатации;

11. длину моторного кабеля;

12. способ управления;

13. требования к АСУ ТП.

Для сложного оборудования может также потребоваться нагрузочная диаграмма механизма.

Почему ток важнее простой привязки к киловаттам

Одна из распространенных ошибок — выбирать преобразователь только по мощности двигателя.

Например:

двигатель 75 кВт → преобразователь 75 кВт.

Для предварительной оценки этого может быть достаточно, но окончательный подбор должен учитывать фактический ток.

Два двигателя одинаковой мощности могут иметь различающиеся электрические характеристики.

Кроме того, насос и подъемный механизм одинаковой мощности работают в совершенно разных режимах.

Поэтому ПЧ должен соответствовать не только мощности, но и:

·       номинальному току;

·       пиковому току;

·       продолжительности перегрузки;

·       требованиям к моменту.

Легкий и тяжелый режим работы

Производители преобразовательного оборудования могут задавать различные характеристики для разных типов нагрузки.

Условно можно выделить легкий и тяжелый режим.

Легкий режим

Характерен прежде всего для:

·       центробежных насосов;

·       вентиляторов;

·       части вспомогательных механизмов.

Тяжелый режим

Может быть характерен для:

·       кранов;

·       подъемных механизмов;

·       тяжелых конвейеров;

·       дробилок;

·       мельниц;

·       некоторых металлургических механизмов.

Для тяжелого режима особенно важна перегрузочная способность преобразователя.

Условия эксплуатации

Промышленный ПЧ должен выбираться с учетом реального места установки.

Необходимо учитывать:

·       температуру;

·       влажность;

·       запыленность;

·       вибрацию;

·       высоту над уровнем моря;

·       качество вентиляции;

·       климатическое исполнение;

·       наличие агрессивных сред.

Преобразователь, который стабильно работает в чистом электротехническом помещении, может потребовать другого исполнения при установке непосредственно в производственном цехе.

Охлаждение преобразователя

Силовое электронное оборудование выделяет тепло.

Поэтому при проектировании электротехнического шкафа необходимо учитывать:

·       тепловыделение ПЧ;

·       допустимую температуру;

·       свободное пространство вокруг оборудования;

·       вентиляцию;

·       состояние фильтров;

·       необходимость кондиционирования.

Перегрев сокращает ресурс электронных компонентов и может приводить к снижению допустимой нагрузки или аварийному отключению.

Длина кабеля между преобразователем и двигателем

При проектировании частотно-регулируемого электропривода нельзя забывать о моторном кабеле.

Большое расстояние между ПЧ и двигателем может повысить требования к выходной цепи.

В зависимости от параметров системы применяются:

·       моторные дроссели;

·       du/dt-фильтры;

·       синусные фильтры.

Необходимость этих устройств определяется характеристиками конкретного преобразователя, двигателя и кабельной линии.

Электромагнитная совместимость

Импульсная работа силовой части ПЧ создает высокочастотные составляющие.

Чтобы они не нарушали работу систем автоматизации и измерительного оборудования, необходимо правильно проектировать:

·       заземление;

·       экранирование;

·       прокладку моторных кабелей;

·       сигнальные цепи;

·       электротехнические шкафы;

·       фильтрующие устройства.

Особенно важна электромагнитная совместимость на объектах с большим количеством КИПиА и цифрового оборудования.

Когда требуется модернизация существующего привода

Низковольтные преобразователи частоты широко применяются не только на новых объектах, но и при реконструкции действующих производств.

Причинами модернизации могут быть:

·       моральное устаревание оборудования;

·       отсутствие запасных частей;

·       прекращение поддержки зарубежного ПЧ;

·       необходимость повысить точность управления;

·       изменение технологического процесса;

·       переход на современную АСУ ТП;

·       необходимость снизить эксплуатационные риски.

В этом случае важно подбирать замену не только по мощности.

Необходимо сохранить или улучшить характеристики существующего электропривода.

Замена зарубежных преобразователей частоты

При импортозамещении необходимо учитывать:

·       мощность;

·       напряжение;

·       ток;

·       перегрузочную способность;

·       алгоритм управления;

·       входные и выходные сигналы;

·       промышленные интерфейсы;

·       габариты;

·       систему охлаждения;

·       особенности существующей АСУ ТП.

Поэтому корректная замена зарубежного ПЧ — это инженерная задача, а не простой подбор оборудования по каталожной мощности.

На текущей продуктовой странице Momentum серия МТ рассматривается как российское промышленное решение и как вариант для модернизации приводов ABB, Siemens, Danfoss, Schneider и других зарубежных производителей.

Низковольтные ПЧ и энергетические системы

Современная силовая преобразовательная техника может использоваться не только для управления двигателями.

В зависимости от силовой схемы, программного обеспечения и комплектации преобразовательное оборудование может решать задачи в энергетике.

Для МТ1000/МТ2000 Momentum в числе возможных применений указывает:

·       регулирование синхронных и асинхронных двигателей;

·       управление потоками активной и реактивной энергии;

·       работу в составе систем накопления энергии;

·       применение в солнечной и ветровой энергетике.

Это показывает, что современная преобразовательная платформа может использоваться значительно шире традиционного управления электродвигателем.

Низковольтный или средневольтный преобразователь частоты

Выбор класса оборудования зависит прежде всего от напряжения и мощности электродвигателя, структуры электроснабжения объекта и требований проекта.

Низковольтные решения широко применяются в промышленных сетях низкого напряжения.

Для крупных двигателей, питающихся от сетей более высокого класса напряжения, могут использоваться средневольтные преобразователи.

Нельзя утверждать, что один вариант универсально лучше другого.

Выбор выполняется на основании:

·       параметров двигателя;

·       требуемой мощности;

·       структуры сети;

·       стоимости электрооборудования;

·       требований к кабельным линиям;

·       особенностей технологического процесса.

Что учитывать при проектировании системы

Для мощного промышленного объекта недостаточно подобрать только сам преобразователь.

Необходимо проектировать всю систему электропривода, в которую могут входить:

·       преобразователь частоты;

·       электродвигатель;

·       силовые шкафы;

·       коммутационная аппаратура;

·       контроллер;

·       датчики;

·       входные и выходные фильтры;

·       тормозные устройства;

·       системы охлаждения;

·       операторское оборудование;

·       средства связи с АСУ ТП.

От корректного согласования всех этих компонентов зависит надежность оборудования.

Основные ошибки при выборе низковольтного ПЧ

Подбор только по мощности

Не учитывается реальный ток двигателя и режим нагрузки.

Недостаточная перегрузочная способность

При рабочем режиме ПЧ функционирует нормально, но при запуске тяжелого механизма отключается.

Неправильный алгоритм управления

Для механизма, которому требуется точное управление моментом, выбирается преобразователь с недостаточными возможностями.

Не учтено торможение

При резкой остановке высокоинерционного оборудования возникают проблемы с отводом энергии.

Не предусмотрено охлаждение

Оборудование перегревается в электротехническом шкафу.

Не учтена длина кабеля

После запуска возникают дополнительные электрические нагрузки на двигатель и систему.

Не проверена совместимость с АСУ ТП

Преобразователь невозможно полноценно интегрировать в существующую автоматизацию.

Неправильно выполнено импортозамещение

Новый ПЧ выбирается только как аналог по киловаттам без учета функциональности старого привода.

Преимущества низковольтных преобразователей частоты

Правильно спроектированная система частотно-регулируемого электропривода позволяет получить ряд преимуществ:

·       плавный запуск;

·       регулирование скорости;

·       управление моментом;

·       снижение динамических нагрузок;

·       автоматическое поддержание технологических параметров;

·       возможность работы в составе АСУ ТП;

·       расширенную диагностику;

·       повышение управляемости технологического оборудования;

·       возможность модернизации существующих приводов;

·       оптимизацию энергопотребления в подходящих режимах.

Однако эффективность применения преобразователя всегда должна оцениваться применительно к конкретному механизму.

Низковольтные преобразователи частоты в промышленности

Низковольтные преобразователи частоты являются одним из ключевых элементов современного промышленного электропривода.

Они позволяют управлять синхронными и асинхронными электродвигателями, регулировать скорость и момент, выполнять плавный запуск и торможение, реализовывать сложные алгоритмы автоматизации и интегрировать оборудование в АСУ ТП.

ПЧ применяются в насосных и вентиляционных системах, на конвейерах, кранах, буровых установках, прокатных линиях и других промышленных объектах.

При этом чем выше мощность и сложнее технологический механизм, тем важнее комплексный инженерный подход к выбору преобразователя.

Необходимо учитывать не только мощность двигателя, но и ток, нагрузочную диаграмму, перегрузочную способность, режим торможения, условия эксплуатации, параметры сети и требования системы автоматизации.