Общепромышленные преобразователи частоты | НТЦ «Приводная Техника»

Современное промышленное оборудование требует точного и гибкого управления электродвигателями. Во многих технологических процессах недостаточно просто включить двигатель и вывести его на номинальную скорость. Необходимо плавно запускать механизм, регулировать частоту вращения, ограничивать пусковые токи, поддерживать заданные параметры и интегрировать привод в систему автоматизации.

Для решения таких задач применяются общепромышленные преобразователи частоты.

Они используются в насосах, вентиляторах, конвейерах, компрессорах, станках, транспортных механизмах и другом оборудовании, где требуется регулируемый электропривод.

Разберем, что представляют собой общепромышленные ПЧ, какие функции они выполняют и для каких механизмов подходят лучше всего.

Что такое общепромышленный преобразователь частоты

Общепромышленный преобразователь частоты — это универсальный ПЧ, предназначенный для управления электродвигателями в широком диапазоне стандартных промышленных задач.

Основная функция такого устройства — изменение частоты и напряжения, подаваемых на двигатель.

За счет этого можно регулировать скорость его вращения.

Упрощенно система выглядит так:

электрическая сеть → преобразователь частоты → электродвигатель → механизм

При этом современный ПЧ способен выполнять не только регулирование оборотов.

В зависимости от исполнения он может обеспечивать:

·       плавный пуск;

·       плавную остановку;

·       регулирование скорости;

·       реверс;

·       ограничение тока;

·       управление моментом;

·       поддержание технологических параметров;

·       работу по сигналам датчиков;

·       диагностику;

·       обмен данными с АСУ ТП.

Именно универсальность делает общепромышленные преобразователи частоты востребованными в самых разных отраслях.

Чем общепромышленный ПЧ отличается от специализированного

Преобразователи частоты можно условно разделить на две большие категории:

·       общепромышленные;

·       специализированные.

Общепромышленный ПЧ рассчитан на широкий круг механизмов и стандартных технологических задач.

Специализированный преобразователь может разрабатываться или конфигурироваться под конкретный тип оборудования.

Например:

·       крановый привод;

·       прокатный стан;

·       буровая установка;

·       шахтное оборудование;

·       высокодинамичный подъемный механизм.

Для таких задач могут предъявляться повышенные требования к:

·       перегрузочной способности;

·       моменту на низкой скорости;

·       торможению;

·       обратной связи;

·       синхронизации приводов;

·       безопасности.

Если механизм не требует специальных режимов, общепромышленного преобразователя часто бывает достаточно.

Как работает общепромышленный преобразователь частоты

Принцип работы ПЧ основан на преобразовании параметров электрической энергии.

В упрощенном виде процесс состоит из трех этапов.

Выпрямление

Переменное напряжение сети преобразуется в постоянное.

Работа звена постоянного тока

Полученное напряжение сглаживается и стабилизируется.

Инвертирование

Инвертор формирует новое переменное напряжение с регулируемой частотой.

Система управления изменяет параметры выходного сигнала таким образом, чтобы двигатель работал с требуемой скоростью и моментом.

Для чего используют общепромышленные ПЧ

Основная причина применения преобразователя — необходимость регулировать работу двигателя без использования механических методов.

Например, без ПЧ производительность насоса может регулироваться задвижкой.

Вентилятор может постоянно вращаться на максимальной скорости, а воздушный поток ограничиваться заслонкой.

Конвейер может работать только на одной скорости.

Частотное регулирование позволяет управлять непосредственно электродвигателем и подстраивать работу оборудования под фактическую нагрузку.

Плавный пуск двигателя

Одна из наиболее востребованных функций общепромышленного ПЧ — плавный запуск.

При прямом включении двигателя в сеть возникают высокие пусковые токи.

Одновременно механизм быстро набирает скорость.

Это увеличивает нагрузку на:

·       двигатель;

·       сеть;

·       редуктор;

·       муфты;

·       валы;

·       подшипники;

·       ременные передачи.

Преобразователь позволяет постепенно увеличивать частоту и выводить двигатель на требуемый режим плавно.

Регулирование скорости

ПЧ дает возможность менять скорость двигателя в процессе работы.

Задание может поступать:

·       с панели управления;

·       от потенциометра;

·       от аналогового сигнала;

·       от датчика;

·       от программируемого контроллера;

·       из АСУ ТП.

Это особенно важно для производственных процессов, где производительность оборудования постоянно меняется.

Управление моментом

Современные ПЧ позволяют не только регулировать скорость, но и контролировать момент двигателя.

Это важно для:

·       конвейеров;

·       подъемных механизмов;

·       станков;

·       технологических линий;

·       оборудования с переменной нагрузкой.

Возможности управления моментом зависят от алгоритма работы конкретного преобразователя.

Где применяются общепромышленные преобразователи частоты

Сфера применения очень широка.

Рассмотрим наиболее распространенные механизмы.

Насосы

Насосные установки являются одним из самых распространенных объектов применения ПЧ.

Преобразователь позволяет регулировать скорость электродвигателя в зависимости от текущей потребности.

Например, система может поддерживать заданное давление.

Схема работы:

датчик давления → контроллер или ПЧ → двигатель → насос

Если давление падает, скорость насоса увеличивается.

Если давление превышает заданное значение, скорость снижается.

Такое решение применяется:

·       в водоснабжении;

·       в промышленности;

·       на насосных станциях;

·       в системах охлаждения;

·       в ЖКХ.

Вентиляторы

Для вентиляционных установок общепромышленные преобразователи также подходят очень хорошо.

ПЧ позволяет регулировать:

·       воздушный поток;

·       давление;

·       производительность;

·       скорость вентилятора.

При этом двигатель не обязательно постоянно работает на максимальной частоте.

Это позволяет гибко управлять вентиляционной системой.

Дымососы

Дымососы используются:

·       в котельных;

·       энергетике;

·       металлургии;

·       промышленных печах;

·       системах газоочистки.

Преобразователь регулирует скорость двигателя и позволяет изменять производительность дымососа в соответствии с технологическим режимом.

Компрессоры

В некоторых компрессорных системах ПЧ применяется для регулирования производительности.

Вместо постоянной работы двигателя на одной скорости можно изменять частоту вращения в зависимости от расхода воздуха или давления.

При этом необходимо учитывать допустимый диапазон скоростей конкретного компрессора.

Конвейеры

Общепромышленные ПЧ широко применяются на конвейерных линиях.

Они обеспечивают:

·       плавный запуск;

·       регулирование скорости;

·       реверс;

·       ограничение момента;

·       управление несколькими технологическими режимами.

Для легких конвейеров стандартного общепромышленного преобразователя может быть достаточно.

Если конвейер имеет большую длину, запускается под тяжелой нагрузкой или требует синхронизации нескольких приводов, необходим более детальный расчет.

Транспортеры

Аналогично частотное регулирование применяется для транспортеров.

Преобразователь позволяет изменять скорость перемещения материала в зависимости от производительности технологической линии.

Это важно для:

·       пищевой промышленности;

·       производства строительных материалов;

·       металлургии;

·       складских комплексов;

·       перерабатывающих предприятий.

Шнеки

В шнековых транспортерах скорость вращения напрямую влияет на подачу материала.

Поэтому ПЧ позволяет регулировать производительность без механической перенастройки.

Частотные преобразователи применяются в приводах:

·       шнековых конвейеров;

·       дозаторов;

·       смесительных установок;

·       загрузочных систем.

Мешалки и смесители

В смесительном оборудовании может потребоваться разная скорость в зависимости от стадии технологического процесса.

Например:

·       медленное перемешивание;

·       интенсивное смешивание;

·       плавный разгон;

·       выдержка на заданной скорости.

ПЧ позволяет реализовать несколько режимов в рамках одного электропривода.

Дробилки

В некоторых дробильных установках частотное регулирование используется для контроля скорости и режима работы двигателя.

Однако дробилки относятся к механизмам с высокой нагрузкой.

При подборе преобразователя необходимо обязательно учитывать:

·       момент запуска;

·       возможные заклинивания;

·       перегрузки;

·       инерцию механизма.

Для тяжелых дробилок может потребоваться не стандартный, а специализированный промышленный ПЧ.

Мельницы

Мельничное оборудование также может иметь тяжелый режим работы.

Преобразователь позволяет контролировать запуск и скорость, но должен иметь достаточную перегрузочную способность.

Для крупных промышленных мельниц выбор ПЧ выполняется по нагрузочной диаграмме.

Станочное оборудование

Общепромышленные преобразователи применяются:

·       на токарных станках;

·       фрезерных станках;

·       сверлильном оборудовании;

·       вспомогательных приводах;

·       технологических линиях.

ПЧ может управлять:

·       главным приводом;

·       шпинделем;

·       насосом охлаждения;

·       вентиляцией;

·       транспортными механизмами.

Если требуется высокая точность позиционирования, может понадобиться специализированный привод с обратной связью.

Экструдеры

В экструзионном оборудовании преобразователь позволяет регулировать скорость вращения шнека.

Это влияет на:

·       производительность;

·       давление;

·       качество технологического процесса.

Здесь важно учитывать высокий момент и особенности нагрузки двигателя.

Центрифуги

Для центрифуг особенно важен плавный разгон.

Резкое увеличение скорости может создавать значительные динамические нагрузки.

ПЧ позволяет задавать продолжительное время разгона и плавно выводить оборудование на рабочую скорость.

При торможении необходимо учитывать большую инерцию вращающейся системы.

Намоточное оборудование

Преобразователи частоты используются в приводах:

·       намотчиков;

·       размотчиков;

·       барабанов;

·       катушек.

В простых системах общепромышленного ПЧ может быть достаточно.

Однако если требуется точно поддерживать натяжение материала, может использоваться более сложное векторное управление и обратная связь.

Подъемные механизмы

В небольших подъемных механизмах общепромышленный преобразователь может использоваться при условии соответствия требованиям по моменту и торможению.

Для ответственных кранов и грузоподъемного оборудования обычно требуется более специализированное решение.

Причина — повышенные требования к:

·       безопасности;

·       управлению тормозом;

·       моменту;

·       перегрузке;

·       работе на малых скоростях.

Насосные станции с несколькими насосами

На насосной станции ПЧ может использоваться в составе групповой системы.

Например:

·       один насос регулируется по частоте;

·       дополнительные насосы подключаются по мере роста потребления.

АСУ ТП определяет необходимую производительность и управляет всей насосной группой.

Такой подход позволяет автоматически адаптировать работу станции к текущему расходу.

Системы вентиляции

В крупных вентиляционных системах несколько ПЧ могут управлять:

·       приточными вентиляторами;

·       вытяжными вентиляторами;

·       дымососами;

·       насосами теплоносителя.

Все преобразователи могут объединяться в общую систему автоматизации здания или промышленного объекта.

Общепромышленные ПЧ в ЖКХ

Одной из важных областей применения является коммунальная инфраструктура.

Преобразователи используются:

·       на водозаборах;

·       насосных станциях;

·       канализационных объектах;

·       очистных сооружениях;

·       в котельных;

·       вентиляционных установках.

Основные задачи:

·       поддержание давления;

·       регулирование расхода;

·       управление уровнем;

·       снижение пусковых нагрузок;

·       автоматизация оборудования.

ПЧ в пищевой промышленности

На пищевых предприятиях преобразователи могут управлять:

·       транспортерами;

·       мешалками;

·       насосами;

·       вентиляторами;

·       упаковочными линиями;

·       дозаторами.

Особенно полезна возможность задавать различные скорости для разных технологических операций.

ПЧ в химической промышленности

Здесь частотное регулирование применяется для:

·       насосов;

·       мешалок;

·       дозирующих механизмов;

·       вентиляционных установок;

·       транспортеров.

При выборе оборудования необходимо дополнительно учитывать условия окружающей среды и требования безопасности.

ПЧ в металлургии

Общепромышленные преобразователи могут использоваться на вспомогательных механизмах металлургических предприятий.

Например:

·       насосах;

·       вентиляторах;

·       дымососах;

·       рольгангах;

·       транспортерах;

·       вспомогательных конвейерах.

Для основных приводов прокатных станов, мощных кранов и других тяжелых механизмов чаще требуется специализированная система электропривода.

ПЧ в горнодобывающей промышленности

Частотное регулирование применяется:

·       на конвейерах;

·       насосах;

·       вентиляторах;

·       дробильных установках;

·       вспомогательном оборудовании.

В таких условиях особенно важно учитывать:

·       пыль;

·       вибрацию;

·       температуру;

·       тяжелые пуски;

·       длительные перегрузки.

Как выбрать общепромышленный преобразователь частоты

Для подбора ПЧ необходимо учитывать характеристики двигателя и механизма.

Основные параметры:

1.     мощность электродвигателя;

2.     номинальный ток;

3.     рабочее напряжение;

4.     тип двигателя;

5.     характер нагрузки;

6.     необходимый диапазон скорости;

7.     перегрузочную способность;

8.     время разгона;

9.     режим торможения;

10. условия эксплуатации;

11. требования к автоматизации.

Почему нельзя выбирать ПЧ только по мощности

Распространенная ошибка — ориентироваться только на киловатты.

Например:

двигатель 15 кВт → ПЧ 15 кВт.

Такой подход может использоваться только для первоначального подбора.

Окончательно необходимо проверить:

·       номинальный ток;

·       максимальную нагрузку;

·       тип механизма;

·       режим перегрузки.

Насос и тяжелый конвейер одинаковой мощности предъявляют разные требования к преобразователю.

Номинальный ток

Выходной ток ПЧ должен соответствовать току двигателя.

Если двигатель работает в тяжелом режиме, важно учитывать также кратковременные перегрузки.

Особенно это актуально для:

·       дробилок;

·       конвейеров;

·       подъемных механизмов;

·       смесителей с тяжелым запуском.

Скалярное управление

Для большинства насосов, вентиляторов и простых механизмов может использоваться скалярное управление.

Оно отличается относительной простотой и подходит там, где нет жестких требований к точности момента.

Векторное управление

Для более сложных механизмов может потребоваться векторное управление.

Оно обеспечивает более точный контроль скорости и момента.

Такое решение применяется:

·       на конвейерах;

·       станках;

·       подъемном оборудовании;

·       производственных механизмах с переменной нагрузкой.

Векторное управление с датчиком скорости

Если требуется высокая точность, используется обратная связь от энкодера.

Она может понадобиться для:

·       позиционирования;

·       синхронизации;

·       поддержания очень низкой скорости;

·       точного управления моментом.

Для большинства стандартных насосных и вентиляционных систем энкодер обычно не требуется.

Какой запас мощности нужен

Универсального правила «выбирать ПЧ на один типоразмер мощнее» не существует.

Запас определяется с учетом:

·       тока двигателя;

·       характера нагрузки;

·       перегрузок;

·       температуры;

·       высоты установки;

·       режима эксплуатации.

Избыточно мощный преобразователь увеличивает стоимость системы и не всегда дает технические преимущества.

Как подобрать ПЧ для насоса

Для насоса обычно необходимо знать:

·       мощность двигателя;

·       номинальный ток;

·       давление;

·       производительность;

·       диапазон регулирования;

·       наличие датчика давления.

Желательно наличие встроенного ПИД-регулятора.

Он позволяет поддерживать заданное давление автоматически.

Как подобрать ПЧ для вентилятора

Основные параметры:

·       мощность;

·       ток;

·       производительность;

·       диапазон скорости;

·       режим работы.

Для вентиляторов обычно не требуется высокий пусковой момент.

Поэтому они относятся к наиболее типичным объектам применения общепромышленного ПЧ.

Как подобрать ПЧ для конвейера

Здесь необходимо учитывать:

·       массу груза;

·       длину конвейера;

·       угол наклона;

·       запуск под нагрузкой;

·       необходимый момент.

Для тяжелого конвейера стандартного общепромышленного ПЧ может оказаться недостаточно.

Частотный преобразователь и торможение

При остановке высокоинерционного оборудования двигатель может работать в генераторном режиме.

Энергия возвращается в звено постоянного тока.

Если ее слишком много, могут потребоваться:

·       тормозной резистор;

·       тормозной модуль;

·       рекуперативная система.

Это особенно актуально для:

·       центрифуг;

·       подъемников;

·       намоточного оборудования;

·       высокоинерционных механизмов.

Общепромышленный ПЧ и АСУ ТП

На современном предприятии преобразователь часто работает как часть автоматизированной системы.

Через АСУ ТП ПЧ может получать:

·       пуск;

·       останов;

·       задание скорости;

·       выбор режима;

·       реверс.

В систему управления он может передавать:

·       текущую частоту;

·       ток;

·       состояние;

·       предупреждения;

·       аварии.

Это позволяет централизованно контролировать работу оборудования.

Подключение датчиков

Преобразователь может работать по сигналам датчиков.

Например:

Датчик давления

Используется в насосных системах.

Датчик температуры

Может применяться в вентиляции и технологическом оборудовании.

Датчик уровня

Используется в резервуарах и насосных станциях.

Датчик расхода

Позволяет поддерживать заданный поток жидкости или газа.

Таким образом, ПЧ становится частью автоматического контура регулирования.

Условия установки

Перед выбором оборудования необходимо определить, где будет установлен преобразователь.

Следует учитывать:

·       температуру;

·       влажность;

·       пыль;

·       вентиляцию;

·       вибрацию;

·       степень защиты.

ПЧ может размещаться:

·       в электротехническом помещении;

·       внутри шкафа управления;

·       непосредственно рядом с механизмом.

Условия установки напрямую влияют на требования к исполнению оборудования.

Охлаждение

Преобразователь выделяет тепло.

Поэтому необходимо обеспечить:

·       вентиляцию шкафа;

·       требуемые расстояния между оборудованием;

·       отвод нагретого воздуха;

·       очистку воздушных фильтров.

При высокой мощности может потребоваться более сложная система охлаждения.

Длина кабеля до двигателя

При большой длине моторного кабеля необходимо учитывать влияние импульсного выходного напряжения ПЧ.

В зависимости от конкретной системы могут применяться:

·       моторные дроссели;

·       du/dt-фильтры;

·       синусные фильтры.

Допустимая длина линии определяется документацией производителя.

Электромагнитная совместимость

Правильная установка ПЧ предусматривает:

·       заземление;

·       экранирование;

·       правильную прокладку кабелей;

·       разделение силовых и сигнальных цепей.

Это необходимо для снижения воздействия высокочастотных помех на:

·       датчики;

·       контроллеры;

·       системы связи;

·       измерительное оборудование.

Когда общепромышленного ПЧ недостаточно

Универсальный преобразователь подходит далеко не для каждого механизма.

Специализированное решение может потребоваться, если присутствуют:

·       очень высокий пусковой момент;

·       частые тяжелые перегрузки;

·       быстрые циклы разгона и торможения;

·       работа с подвешенным грузом;

·       точное позиционирование;

·       синхронизация нескольких мощных приводов;

·       большая мощность двигателя;

·       специальные требования безопасности.

К таким объектам относятся:

·       металлургические краны;

·       прокатные станы;

·       буровые установки;

·       шахтные подъемники;

·       тяжелые дробилки;

·       крупные технологические линии.

В подобных системах проектируется уже комплексный регулируемый электропривод.

Общепромышленный и крановый преобразователь: в чем разница

Для насоса главным требованием может быть поддержание давления.

Для крана ситуация другая.

Необходимо управлять:

·       грузом;

·       механическим тормозом;

·       моментом;

·       реверсом;

·       движением на малой скорости.

Кроме того, подъемный механизм может находиться в генераторном режиме при опускании груза.

Поэтому универсальный ПЧ нельзя автоматически считать подходящим для крановой задачи.

Общепромышленный ПЧ и преобразователь для прокатного стана

Еще более существенна разница с главным приводом прокатного стана.

Здесь требуются:

·       большие мощности;

·       высокая динамика;

·       точное управление моментом;

·       синхронизация;

·       взаимодействие нескольких приводов;

·       тесная интеграция с АСУ ТП.

Для подобных объектов обычно используются специализированные мощные преобразовательные системы.

Энергосбережение при применении ПЧ

Одним из важных преимуществ частотного регулирования является возможность снижения потребления электроэнергии в подходящих технологических процессах.

Особенно это актуально для:

·       насосов;

·       вентиляторов;

·       дымососов.

Если оборудованию не требуется постоянно работать на максимальной производительности, снижение частоты вращения позволяет уменьшить потребляемую мощность.

Однако размер экономии зависит от реального графика нагрузки и должен рассчитываться для конкретного объекта.

Преимущества общепромышленных преобразователей частоты

Основные преимущества можно свести к нескольким группам.

Управляемость

Можно гибко регулировать скорость оборудования.

Плавный запуск

Снижается воздействие на двигатель и механику.

Автоматизация

ПЧ легко включается в систему управления технологическим процессом.

Диагностика

Современный преобразователь может передавать информацию о работе привода.

Оптимизация производительности

Механизм работает с той скоростью, которая необходима в текущий момент.

Потенциальное энергосбережение

Особенно актуально для насосных и вентиляционных нагрузок.

Типичные ошибки при использовании общепромышленных ПЧ

ПЧ выбирается только по киловаттам

Не учитываются ток и перегрузка.

Не анализируется нагрузка

На тяжелый механизм устанавливается преобразователь, рассчитанный на простой режим.

Игнорируется торможение

Не рассчитывается энергия при остановке оборудования.

Не учитываются условия среды

Преобразователь перегревается или загрязняется.

Нет запаса по перегрузочной способности

При тяжелом запуске ПЧ отключается по аварии.

Не проверяются интерфейсы

Возникают проблемы с интеграцией в АСУ ТП.

Не учитывается моторный кабель

При большой длине линии могут потребоваться дополнительные компоненты.

Какие данные нужны перед подбором

Чтобы правильно выбрать общепромышленный преобразователь частоты, желательно подготовить:

1.     тип механизма;

2.     мощность электродвигателя;

3.     номинальный ток;

4.     рабочее напряжение;

5.     номинальную скорость;

6.     характер нагрузки;

7.     требуемый диапазон регулирования;

8.     время разгона;

9.     требования к торможению;

10. условия эксплуатации;

11. длину кабеля;

12. требования к автоматизации.

Для сложных механизмов может потребоваться более подробная нагрузочная диаграмма.

Когда стоит использовать общепромышленный преобразователь частоты

Такой ПЧ хорошо подходит для оборудования с относительно стандартными требованиями к регулируемому электроприводу.

В первую очередь это:

·       насосы;

·       вентиляторы;

·       дымососы;

·       компрессоры;

·       конвейеры;

·       транспортеры;

·       шнеки;

·       мешалки;

·       смесители;

·       станки;

·       вспомогательные технологические механизмы.

Если же оборудование работает с тяжелыми динамическими нагрузками или предъявляет специальные требования к безопасности и управлению моментом, требуется отдельный инженерный расчет.

Общепромышленные преобразователи частоты как основа регулируемого электропривода

Общепромышленные преобразователи частоты являются одним из наиболее универсальных средств управления промышленными электродвигателями.

Они позволяют плавно запускать и останавливать оборудование, регулировать скорость, управлять производительностью и интегрировать механизм в АСУ ТП.

Наиболее распространенными областями применения являются насосы, вентиляторы, компрессоры, конвейеры, транспортеры и вспомогательное производственное оборудование.

При этом универсальность общепромышленного ПЧ не означает, что один и тот же преобразователь подходит для любого электродвигателя.

Перед выбором необходимо учитывать:

·       номинальный ток;

·       мощность;

·       характер нагрузки;

·       перегрузочную способность;

·       диапазон скоростей;

·       режим торможения;

·       условия эксплуатации;

·       требования к автоматизации.

Для стандартных механизмов правильно подобранный общепромышленный ПЧ позволяет создать надежный и гибкий регулируемый электропривод. Для кранов, прокатных станов, буровых установок и другого тяжелого оборудования уже требуется комплексная система, рассчитанная под конкретный технологический процесс.