Избор на честотни задвижвания

АвтоматизацияСтатииСп. Инженеринг ревю - брой 3, 2014

Честотните задвижвания намаляват консумацията на енергия, подобряват експлоатационните характеристики и удължават живота на устройствата и системите, в които са вградени. Изборът на подходящото задвижване изисква да се вземат предвид всички особености на конкретното приложение.

В статията са представени някои от типичните приложения на честотните задвижвания, спецификите при оразмеряването им и избора на режим на управление, изискванията към I/O, комуникационните им възможности и др.

Структура и принцип на работа
Повечето от съвременните преобразуватели на честота са построени по схема с двойно преобразуване на напрежението. В първия етап на преобразуването първоначалното мрежово напрежение 220 V или 380 V се изправя посредством входен диоден мост, след това се изглажда и филтрира с помощта на кондензатори.

На втория етап от постоянното напрежение, с помощта на микросхеми за управления и изходни мостови IGBT ключове, се формира ШИМ с определена последователност на определена честота и заглаждане. На изхода на честотния преобразувател се формират пакети от правоъгълни импулси, но за сметка на индуктивността на намотките на статора на асинхронния двигател, те се интегрират и превръщат в напрежение близко до т.нар. квазисинусоида.

Въз основа на заданието честотните задвижвания могат да управляват скоростта на момента и позицията на електродвигателя. Трябва да се има предвид следната особеност – преобразуването на променлив ток към правотокова шина и после обратно към симулирана AC синусоида изисква до 4% от мощността, с която би бил директно захранен електродвигателят без честотно задвижване.

Ето защо честотните задвижвания може да се окажат разходно неефективно решение за двигатели, които работят на номинална скорост при нормален режим на работа. С оглед на това, ако един електродвигател трябва да работи асинхронно през дадена част от работния цикъл и само понякога с номинална скорост, с използването на байпасен контактор в комбинация с честотно задвижване може да се постигне максимална ефективност.

Но дори и в такива случаи използването на преобразувател намалява натоварванията на двигателя, с което увеличава живота на двигателите и намалява пиковите натоварвания на системата.

Търсени резултати
Типични причини за избор на честотно задвижване към електродвигателя са стремежът към икономия на енергия, управление на пусковия ток, регулиране на работната скорост и въртящия момент, управление на спирането и възможност за обратен ход.

В зависимост от капацитета на електродвигателя, икономиите на енергия биха могли да изплатят стойността на честотното задвижване за по-малко от две години, а в отделни случаи и до няколко месеца. Стартирането на асинхронен двигател с подаване на пълно линейно напрежение при директно свързване на двигателя към захранването (across-the-line starting) изисква пусков ток, който e от 4 до 8 пъти кратен на номиналния на двигателя, зададен от производителя.

Това може да доведе до значително “източване” на електроразпределителната система (отново в зависимост от капацитета на двигателя), а възникналият спад на напрежението да повлияе на чувствителното оборудване, както и води до механични ударни натоварвания. Използването на честотно задвижване може да предотврати спадовете на напрежение, свързани със стартиране на мотора и да намали пусковия ток, което ще понижи разходите за захранване приблизително с 3%.

Управлението на пусковия ток може да съдейства и за удължаването на жизнения цикъл на двигателя, тъй като пусковия ток при стартиране на асинхронен мотор, директно свързан със захранването, по принцип съкращава продължителността на експлоатацията му. Съкратените експлоатационни цикли не са рядкост в приложения, които изискват често пускане и спиране на двигателя.

Честотните задвижвания значително намаляват пусковия ток, което удължава периода на експлоатация и снижава до минимум нуждата от превъртане на двигателя.
Възможността за управление на работната скорост на моторите позволява оптимизация на контролираните процеси. Много модели честотни задвижвания позволяват отдалечено регулиране на скоростта посредством потенциометър, клавиатура, програмируем логически контролер или контролер на цикли.

Задвижванията са в състояние и да ограничават горния предел по ток на двигателя, с което индиректно да ограничат момента на двигателя, с цел да предпазят оборудването и крайния продукт от щети. Управляваното спиране снижава до минимум риска от повреждане на продуктите и загуби, както и износването на оборудването. Тъй като изходните фази могат да бъдат електронно превключвани, честотните задвижвания елиминират и нуждата от реверсивен контактор.

Избор според приложението
Основната функция на честотните задвижвания е да променят скоростта на трифазни асинхронни (AC) електродвигатели. Тези устройства имат задача да осигурят безпроблемен пуск, стоп и управление на двигателя, както и ускорение, забавяне и защита от претоварване. Всичко това ги прави подходящи за регулиране на двигатели за конвейерни системи, вентилатори и помпи, които могат да се възползват от намалена и управлявана работна скорост.

Транспортиране на течности. Особен икономически ефект от използването на преобразуватели на честота се получава при регулиране на обекти, осигуряващи транспортиране на течности. Досега най-разпространеният начин на регулиране на производителността на такива съоръжения е използване на задвижки или регулируеми клапани, но сега е достъпно честотно регулиране на асинхронния двигател, който задвижва работно колело на помпен агрегат или вентилатор.

По такъв начин при дроселиране потокът от вещества, сдържан от задвижката или клапана, не извършва полезна работа. Използването на регулируемо задвижване на помпа или вентилатор позволява да се зададе необходимото налягане или дебит, което не само спестява електрическа енергия, но и намалява загубите.

Помпи. Консумираната от помпите мощност е пропорционална на скоростта на въртене на трета степен, поради това използването на честотния преобразувател дава икономия на електроенергия до 30% и повече в сравнение с начините на регулиране на мощността посредством заслонки. Тази икономия позволява да се възвърне инвестицията за честотния преобразувател в рамките на 1 година.

Също така се решава проблемът с хидравличните удари: при работа с преобразувател на честота стартирането и спирането на помпата става плавно. Съвременните преобразуватели на водещите фирми имат система за управление, позволяваща управлението на група от помпи, с което практически може да се направи помпена станция без използване на допълнителен контролер.

Вентилатори и компресори. Всичко казано за помпите се отнася и за вентилаторите, като икономията на електроенергия дори може да бъде по-голяма. При компресорите може да се използва обратна връзка за следене на поддържаното налягане и дебит, което допълнително дава икономия. Всичко това дава възможност при проектиране на нови установки да се използват по-маломощни двигатели с преобразуватели на честота, а при модернизация на съществуващи съоръжения допълнителната икономия да се получава за сметка на намаляване на празния ход.

Транспортьори. Регулирането при тях позволява да се адаптира скоростта на преместването към скоростта на целия технологичен процес, която в повечето случаи е постоянна. Плавният пуск увеличават ресурса на механизмите за сметка на липсата на шокови натоварвания.

Подемна техника-кранове, асансьори и др. При управлението на подемни устройства честотните регулатори показват всички посочени вече предимства, но тук с използването на комбинация на честотен преобразувател и регенеративен модул може да се постигне икономия в отделните случаи до 70%. Също така плавният старт осигурява комфорт на возенето в асансьорите.

Оразмеряване на честотните задвижвания
При оразмеряване на честотно задвижване и задаване на мощност трябва да бъде взет предвид работният профил на натоварването - дали ще бъде постоянно или променливо, ще има ли чести пускове и спирания, ще бъде ли постоянен работният цикъл. Под внимание трябва да бъдат взети още въртящият момент и пиковият ток.

Важно е да се тества максималният пиков ток при най-лошите възможни работни условия и да се направи проверка на номиналния ампераж на двигателя, посочен от производителя. Ако двигателят е пренавиван, реалният номинален ампераж може да е по-висок от фабрично зададения.

Номиналният ток на преобразувателя трябва да е по-голям или равен на номиналния ток на двигателя, в противен случай задвижването често ще спира от грешки „претоварване по ток“ и накрая ще доведе до необратима повреда. Преобразувателят на честота трябва да разрешава претоварване по ток, допустими за двигателя и механизма. В описанието на механизма обикновено се посочват нивото на претоварване и тяхната продължителност.

Ако лисват такива данни, трябва многократно да се замери токът във всички режими на работа на механизма (с изключение на стартирането, което е особен случай и рядко влияе на избора на преобразувател). В данните на преобразувателя най-често се посочва максималният ток, който може да осигури преобразувателя в продължение на 1-2 минути. Този ток трябва да превишава тока при претоварването, както и продължителността на времето, когато протича.

Преобразувателят на честота също трябва да позволява пикови токове, допустими за двигателя и механизма. Пиковите натоварвания действат в продължение на 2-3 секунди например токът на задвижването на кофата на багера, натъкнал се на камък. Ако не се отчете такава възможност, тогава при настъпване на подобна ситуация задвижването просто ще спре – двигателят би могъл да се справи с препятствието, но за това му е трябвал за момент много висок ток, а преобразувател не е имал възможност да го осигури.

Сложността на избора е в това, че не всички преобразуватели на честота могат да реализират за кратко ток, по-висок от максималното значение, а дори и да могат, то не всички производители посочват този параметър. В този случай трябва да избираме преобразувател, максималният ток на който превишава пиковия ток на натоварването.

Честотните задвижвания не бива да бъдат оразмерявани в зависимост от мощността в конски сили. Вместо това задвижванията се оразмеряват спрямо мотора при максимална стойност на тока, при пиков въртящ момент. Те трябва да покриват максималните изисквания, поставени към двигателя. Паспортната мощност на честотния преобразувател (kW) трябва да бъде по-голяма или равна на мощност на двигателя.

При това трябва да се има предвид, че съгласно международните стандарти за електродвигатели понятието мощност е за механичната мощност на двигателя на вала, а не за консумираната от източника на захранване активна мощност, както е прието за други консуматори на електрическа енергия.

В някои случаи е необходимо свръхоразмеряване на честотното задвижване. Някои приложения се характеризират с временно претоварване поради ударно натоварване или вследствие стартиране на електродвигателя. Производителността на двигателя се основава на количеството ток, който честотното задвижване може да произведе.

Например напълно натоварена транспортна лента (транспортьор) може да изисква допълнителен въртящ момент, следователно повишена мощност от страна на задвижването. Много честотни задвижвания са проектирани да работят при 150% свръхнатоварване 60 секунди. Приложенията, които налагат работа при по-високо свръхнатоварване или за повече време, изискват честотен регулатор с по-голям размер.

Надморската височина също влияе при оразмеряването на честотните задвижвания, тъй като те са с въздушно охлаждане. Въздухът се разрежда при по-голяма надморска височина, което намалява охлаждащите му свойства. Повечето честотни задвижвания са проектирани да работят на 100% мощност до 1000 м надморска височина. След това размерът на задвижването трябва да бъде променен – намален или увеличен.

Входно напрежение
Този параметър определя при какво напрежение на мрежата преобразувателят запазва своята работоспособност. Потребителят трябва да определи какво напрежение му трябва или може да използва за конкретната задача. Ако пониженото напрежение ще доведе просто до спиране (а при по-съвременните модели само до пропорционално намаляване на скоростта), то повишеното напрежение е по-високо от допустимото и може да доведе до повреда.

Диапазон за регулиране на честота
При този параметър се взема под внимание горният праг на диапазона, ако се използват двигатели с високи номинални честоти   200…1000 Hz, в отделни случаи 2000 Hz и повече. Обикновено това са механизми с много високи скорости – шлайф машини, центрофуги, шпиндели на високопроизводителни обработващи центрове и т.н.

Необходимо е да се провери дали преобразувателят може да даде тази честота, за която е сметнат двигателят и механизмът, за избягване на повреди и вибрации.

Долният праг определя диапазона на регулиране на скоростта. Ако не е необходим голям диапазон (повече от 1:10), то може да не се взема под внимание. Понякога дори обявеният диапазон на честоти от 0 Hz не гарантира устойчива работа, затова е добре този въпрос да се уточнява с производителя. При такива случаи най-вероятно ще се наложи използване на векторно управление, а може и някои от опциите, които да гарантират ефективна работа при толкова ниски честоти.

Изисквания към I/O
Повечето честотни задвижвания могат безпроблемно да бъдат интегрирани в контролни системи и процеси. Оборотите на двигателя могат да бъдат ръчно зададени посредством регулиране с потенциометър или чрез клавиатура, вградена в някои модели.

В допълнение, почти всяко задвижване разполага с комуникационен I/O модул, а по-високотехнологичните модели – с по няколко такива модула и комуникационни портове с пълна функционалност. Тези задвижвания могат да бъдат свързани към контролери за автоматизиране командите за избор на скоростта на двигателя.

Повечето честотни задвижвания разполагат с по няколко дискретни входове и изходи, както и с най-малко един аналогов вход и един аналогов изход. Чрез дискретните входове се осъществява свързване на честотното задвижване с различни контролни устройства като бутони, превключватели и дискретни изходни PLC модули. Тези сигнали обикновено се използват за функции като старт / стоп, напред / назад, външна неизправност, избор на предварително зададена скорост, ресет и включване / изключване на PID управлние.

Дискретните изходи могат да бъдат транзисторни, релейни или честотно-импулсни. Обикновено транзисторните изходи служат за свързване на програмируеми контролери, контролери за движение, сигнални лампи, както и помощни релета.

Релейните изходи обикновено са предназначени за асинхронни устройства и друго оборудване със собствена точка на заземяване, тъй като релейните контакти изолират заземяването на външното оборудване. Честотният изход типично се използва за изпращане на сигнал за скоростта до аналогов вход на PLC контролер или на друго честотно задвижване, което работи в режим “повторител”.

Обикновено изходи с общо предназначение на повечето честотни задвижвания са транзисторни. Понякога един или повече релейни изхода са включени за изолиране на устройства с по-голям ток. Честотно-импулсните изходи по предназначение са запазени за по-висок клас честотни задвижвания.

Аналоговите изходи се използват за свързване на честотни задвижвания с външни VDC контролери за сигнали от 0 до 10 или от 4 до 20 mA. Тези сигнали могат да представляват зададена стойност на скоростта и / или затворен цикъл на управление с обратна връзка.

Един аналогов изход може да бъде използван за задаване на стойности за други честотни задвижвания, така че останалото оборудване да следва скоростта на master-устройството. Аналогично, по този начин може да се изпращат сигнали данни за оборотите, въртящия момент или тока обратно към PLC или друг вид контролер.

Избор на режим на управление
Изборът на режим на управление при честотните задвижвания силно зависи от приложението. Трите основни режима за контрол са скаларно (волт/честотно V/Hz), векторно или с контрол на ориентацията на полето. Задвижванията с V/Hz управление използват съотношението между напрежение и честота, за да генерират работен поток и да подадат работен момент към двигателя.

Векторните честотни задвижвания имат точен контрол на въртящия момент в широк оборотен диапазон, без да се налага да използват обратна връзка по енкодер. Честотните задвижвания с контрол на ориентацията на полето използват енкодер за обратна връзка, за да получат информация за скоростта на двигателя и евентуални неизправности в хода. Изборът изцяло зависи от поставените задачи, които трябва да бъдат изпълнени, и от типа оборудване

Изисквания към профила на управление
Изборът на подходящ профил на управление при честотните задвижвания е от критично значение и отново зависи до голяма степен от приложението. Възможни профили на управление са ускорение, забавяне, линейно нарастващо ускорение, управление на въртящия момент, спиране и пропорционално-интегрално (PID) управление. Повечето от тези параметри са достъпни в почти всеки тип честотно задвижване на пазара, но PID управление не винаги се предлага в базовите модели.

Изброените профили са програмируеми и могат да бъдат избирани посредством операторска клавиатура или цифрови комуникационни решения. Доброто разбиране на тези параметри (и как влияят върху интегрирането на честотно задвижване в процесите) е наложително. За тази цел потребителските ръководства на честотните задвижвания обикновено осигуряват достатъчно информация за избор на подходящ профил на управление.

Изисквания към спирачната система
При умерени инерционни натоварвания свръхнапрежение обикновено не възниква при отрицателното ускорение (забавяне) на електродвигателя. За приложения с висока инерционни натоварвания честотното задвижване автоматично удължава времето на забавянето. Въпреки това, ако е необходимо бързо да се забави голямо натоварване, трябва да се използва динамичен спирачен резистор или регенеративен модул.

Когато електродвигателите забавят скоростта си, те действат като генератори, а динамичното спиране позволява на честотното задвижване да произвежда допълнителен спирачен момент. Честотните задвижвания обикновено могат да произвеждат между 15 и 20% от спирачния момент без външни компоненти. Когато е необходимо, добавянето на външен спирачен резистор увеличава контрола върху спирачния момент на честотното задвижване – за да ускори забавянето на големи инерционни натоварвания и чести старт-стоп цикли.

Комуникационни възможности
Много честотни преобразуватели имат един или повече вградени цифрови комуникационни интерфейси. Дори и най-икономичните модели обикновено включват сериен интерфейс като Modbus RS-232/RS-485. Ethernet и Fieldbus интерфейси също са често срещани опции, предлагани в много модели.

Цифровият комуникационен интерфейс може да се използва за свързване на честотното задвижване с други устройства, които могат да функционират като master-устройства, например PLC или PC-базиран контролери.

Master-устройствата могат да контролират честотните задвижвания чрез такъв интерфейс, вместо да използват дискретни и аналогови I/O, а също и да използват този интерфейс за наблюдение на състоянието на различни параметри на честотното задвижване като скорост, ток и статус.

При RS-485-базираното свързване мрежовият кабел може да се простира до над километър и има възможност за свързване на няколко устройства. За да се осъществи такъв тип връзка, понякога са необходими допълнителни адаптери.

Ethernet интерфейсът осигурява високоскоростна връзка между контролната система и множество честотни задвижвания. Някои задвижвания с Ethernet интерфейси са достъпни дори с уеб сървър, който позволява на потребителите да ги конфигурират и управляват от всеки уеб браузър.

Ethernet протоколи като Modbus TCP / IP и Ethernet / IP елиминират налучкването при управлението на честотните задвижвания и правят настройката им лесна и за обикновени потребители без задълбочени IT познания. Новите тенденции за високоскоростни машини в различни сфери на промишлеността вече изискват дори по-напреднали комуникации, например EtherCAT.

Монтаж и експлоатационни изисквания
Честотните задвижвания генерират значително количество топлина. Тази топлина може да доведе до повишаване на температурата във вътрешността на корпуса и тя да надхвърли допустимия лимит. За да се поддържа температурата в корпуса в определени граници, обикновено е необходима вентилация или охлаждане. Следва да се направят и измервания на околната температура, за да се определи максималната очаквана стойност.

При експлоатацията на честотни задвижвания трябва да се спазва определен набор от предпазни мерки. Трябва да се избягва поддържането на стандартен асинхронен двигател в работен ход с ниска скорост за продължителен период от време, тъй като това може да доведе до покачване на температурата и надвишаване на допустимия й лимит поради ограничения на въздушния поток, произведен от вентилатора.

Когато един стандартен двигател работи на ниска скорост, изходното натоварване трябва да бъде намалено. Ако се изисква 100% изходен въртящ момент при ниска скорост, може да е необходимо да се използва двигател с инверторен режим. За управление на стартирането и спирането на честотното задвижване и двигателя не бива да се използва контактор или изключвател, тъй като това съкращава живота на задвижването.

Те се използват само като предпазни механизми, но не и контролни. За конкретните цели всички преобразуватели имат предвидени оперативни вериги, които позволяват разнообразни възможности: старт, стоп, реверс, регулиране на честота, фиксирани честоти на различни входове и др. Привеждането в цикличен режим на превключвателното устройство за изходна мощност докато честотното задвижване работи, трябва да се прави само в аварийни ситуации.

Ограничаване на хармониците
Всяко нелинейно натоварване, което е свързвано с токоизправители, произвежда хармоници, включително и честотните задвижвания. Ако са прекалено много, хармониците могат да доведат до прегряване и повреждане на оборудването, трансформаторите, а дори и кабелите за електроразпределение. Два вида филтри могат да смекчат хармониците, свързани с честотните задвижвания. Пасивните филтри за хармоници включват линейни асинхронни реактори и дросели.

Реакторите и дроселите намаляват свързаните с честотните задвижвания хармоници и се препоръчват за всички инсталации. Те също така защитават честотното задвижване от преходни пренапрежения, обикновено причинявани от превключване на кондензаторите.

Активните филтри за хармоници анализират моментната форма на вълната, преобразуват я и я подават обратно към мрежата, за да противодействат на хармониците. Някои активни филтри разполагат и с динамични спирачни вериги, които позволяват забавяне оборотите на двигателя с цел връщане на регенеративния поток обратно към захранващата мрежа.

Изходните реактори (линейни или за натоварване) защитават двигателите и изолацията на кабелите от къси съединения в честотните задвижвания, паразитни капацитивни токове и отразяващи вълнови повреди в биполярни транзистори с изолирани електроди.

Реакторите позволяват на двигателите да работят с по-ниска температура, като регулират текущата форма на вълната. Изходните линейни реактори се препоръчват за двигатели с неинверторен режим и приложения, в които свързващото окабеляване между честотното задвижване и двигателя надвишава 22 м.

Новият брой 7/2018

брой 7-2018

ВСИЧКИ СТАТИИ | АРХИВ

ЕКСКЛУЗИВНО

Top