Как самому выбрать частотный преобразователь. Выбор преобразователя частоты

Однако для успешного решения вопроса необходимо:

• выделить достаточное количество времени, разобраться, проанализировать информацию ниже (в идеале и ссылочные материалы), скрупулезно выполнить расчеты, сделать логические выводы;
• полностью абстрагироваться от маркетинговых «клише» менеджеров по продажам и особенно «сетевых специалистов», публикующих рефрены технически безграмотного бреда, в том числе на веб ресурсах известных торговых марок (т.н. «брендов»);
• изучить, понять и применять формализованную терминологию, а не специфические, возможно «броские», но сленговые названия (шильдик вместо табличка, дроссель вместо реактор и т.п.), а особенно относящуюся к электромеханическим комплексам, формируемым под современные силовые сети с автоматизированным или автоматическим управлением.
  
  
  Рис. 1 Структура и состав электромеханических комплексов по ГОСТ IEC 61800-9-2-2021

Почему комплектного (по ГОСТ IEC 61800-9-2-2021 - «часть электропривода, состоящая из силового преобразователя, включенного между источником питания и двигателем, а также дополнительные устройства защиты, трансформаторы и вспомогательные устройства»)?

Поскольку номенклатура практически всех торговых компаний-интеграторов и превалирующая доля ассортимента производителей состоит из комплектных преобразователей, причем зачастую сертифицируемых по ГОСТ Р 51321.1-2007. Такую сертификацию вряд ли можно считать корректной, поскольку стандарт определяет общие требования по низковольтным комплектным устройствам (НКУ) большого спектра применения и не учитывает особенности комплектных преобразователей, нормируемые целым пакетом действующих целевых отечественных (и международных) нормативно правовых актов. К тому же в самом стандарте определено, что ГОСТ Р 51321.1 «не распространяется на комплектующие элементы, имеющие собственные оболочки, например такие, как пускатели, предохранители-выключатели, электронное оборудование и т.д., требования к которым установлены в соответствующих стандартах».

В то же время в корпусах (или шкафах) комплектных преобразователей собраны модуля (и типично в собственных оболочках) контроля и управления (обычно программно-логических контроллер (ПЛК), часто с ПЛК более низкой иерархии для отдельных блоков выпрямителя, звена постоянного тока (ЗПТ), инвертора), силовых блоков пассивного или активного (п. 3.1.1 ГОСТ IEC 61800-9-2) выпрямителя, емкости, реактора ЗПТ, тормозного устройства, автономного инвертора (тока - АИТ или напряжения - АИН), системы охлаждения, входных и выходных (разд. 9.2 ГОСТ IEC/TS 60034-25—2017) реакторов, фильтров и т.д., которые должны иметь свою эксплуатационную документацию (см. ГОСТ Р 2.601—2019) и (в идеале) быть сертифицированными на соответствие действующим стандартам.

Поэтому рекомендации самостоятельного выбора комплектного преобразователя основаны именно на целевых стандартах, научно-технической прогрессивной литературе и (в основе) игнорируют «методики» от «поверхностных специалистов», ведь «недоученный хуже неученого» (та же книга В.И. Даля, 1853 г.), а “разгребать” проблемы выхода из строя оборудования, остановок производственных, технологических процессов придется самому покупателю и только в идеале вместе с поставщиком.

Для людей с ограниченным временем (или способностями) по самостоятельному выбору будет предложен унифицированный калькулятор расчета потерь с рекомендациями подбора комплектного преобразователя по формализованным таблицам эталонных преобразователей (и электродвигателей) с учетом классов энергоэффективности.

Часть 1. Проверка соответствия выбора электродвигателя типу, режиму нагрузки, моментам и скоростям исполнительного механизма (ведомой машины).

Электродвигатель привода должен быть подобран по:

• типу нагрузки, что определяет зависимость вращающего момента (Т) и мощности (Р) от скорости вращения вала (n).
  
  
  Рис. 2 Различные типы нагрузки электродвигателей.
  
  Наименее проблемными в аспекте рисков аварийных ситуаций из-за технических ошибок в выборе будут типы нагрузок 1 (намоточные станки, тестомесительные машины, экструдеры) и 2 (транспортеры, дробилки, краны, компрессоры, поршневые насосы и т.д.), поскольку при снижающемся или постоянном моменте мощность исполнительного механизма (и, соответственно, механическая мощность на валу двигателя) будет статичной или линейно зависимой от n. Максимально тщательная проверка соответствия характеристик двигателя и исполнительного механизма необходима для нагрузок 3 (винтовые насосы, миксеры, прокатные станы) и 4 (центробежные насосы, вентиляторы, центрифуги и т.д.), в которых мощность имеет степенную, а максимальный (опрокидывающий) вращающий момент (см. п. 3.15 ГОСТ IEC 60034-1-2014) - линейную или квадратичную зависимость от скорости вращения вала;
• режиму нагрузки (разд. 4 ГОСТ IEC 60034-1-2014), что (при сертификации по стандарту) гарантирует устойчивость к перегрузкам по току и вращающему моменту (соответственно пп. 9.3.3 и 9.4.1 ГОСТ IEC 60034-1-2014);
• номинальной (механической) мощности (на валу), которая должна соответствовать требуемой мощности стабильной работы исполнительного механизма.

Важно: теоретически потребляемая электрическая номинальная мощность электродвигателя Рэн будет больше механической на величину, определяемую заявленным коэффициентом полезного действия (КПД). Однако на практике:

• КПД зависит от нагрузки и (в идеале при соответствующей сертификации) паспортный КПД должен быть не менее нормативного, который формализован в таблицах ГОСТ IEC/TS 60034-30-2-2021 для двигателей в зависимости от их номинальной мощности при номинальных значениях частоты вращения, вращающего момента при полной нагрузке.
  
  Примечание:

  ГОСТ IEC/TS 60034-30-2-2021 устанавливает нормы для двигателей с питанием от частотных преобразователей (ЧП) в отличие от ГОСТ IEC 60034-30-1-2016, формализующего аналогичные параметры для электродвигателей, работающих от силовой сети).
  
  
  
  Рис. 3 Зависимость КПД двигателя от нагрузки (по ГОСТ IEC/TS 60034-31)
• номинальная мощность электродвигателя Рэн de facto:
  – активная мощность на фундаментальной частоте (Рf1), которая не может рассматриваться без влияния мощности гармоник. Причем отношение Рh/Рf1 имеет зависимость от частоты и разное для общих гармонических потерь и потерь в обмотках электродвигателя (потери с стали статичны и не зависят от гармонического состава тока, напряжения).
  
  
  Рис. 4 Зависимость потерь в электродвигателе, вызываемых гармониками, от частоты (по ГОСТ Р МЭК/ТС 60034-17-2009).
  
  активная составляющая полной мощности S, включающей реактивную мощность на фундаментальной частоте (на создание электромагнитного поля в обмотках, потери от реактивных токов) и мощность искажений на нефундаментальных частотах (мощность гармоник, сверх-, интергармоник Рh).
  
  
  Рис. 5 Параллелепипед для расчета баланса мощностей согласно IEEE 1459-2010.

Справка:

международный технический регламент IEEE 1459 не только формализовал методики и формулы расчета баланса мощности, но и ввел термины, обозначения, среди которых фундаментальная (fundamental apparent power) на частоте 50 Гц - S1, нефундаментальная (nonfundamental apparent power) полная SN, неактивная (nonactive power) N мощность, полная мощность гармоник (harmonic apparent power) SH, а также мощность искажений по току DI, напряжению DU и коэффициент мощности (полный PF и на фундаментальной частоте PF1 - fundamental power factor).

Рис. 6 Формулы расчета баланса мощностей по IEEE 1459-2010.

С учетом безусловного факта практического отсутствия на текущий момент «чистых» от гармонических искажений силовых сетей «типовой» расчет требуемой (двигателем) полной мощности (или мощности на выходе ЧП) только через коэффициент cosϕ сложно считать корректным. Такие ошибки в целом определяют отключение автоматики (ПЛК) (или выход из строя электродвигателя) даже при подборе ЧП для насосов по «шильдикам» двигателей для частных домов, коттеджей, дач, поскольку сегодня любая сеть имеет нелинейные нагрузки (стиральные, посудомоечные машины, ПК, ИБП и т.д.), генерирующие гармоники, а помимо этого происходит трансмиссия гармонических искажений из распределительной сети, а сам частотный преобразователь тоже является источником эмиссии гармоник разных порядков и амплитуд.

Т.е. в итоге следует считать правильным, если подаваемая на двигатель мощность будет, как минимум, не меньше полной мощности Sдв и с учетом всех потерь. При питании от сети (напрямую через устройство плавного пуска, фазосдвигающий конденсатор и пр.) теоретически мощность на входе двигателя будет ограничиваться только резервируемой, определенной по ТУ на подключение с электросетевой компанией.

Иная ситуация складывается при питании от частотного преобразователя, где (на практике) выходная мощность ЧП становится главным критерием баланса мощностей и, соответственно, работы двигателя в оптимальном рабочем режиме. Или проще – больше мощности, чем может дать ЧП на выходе электродвигатель не получит, а поскольку с «полупустого стакана не напьешься», то для расчета требуемой выходной мощности преобразователя необходимо знать не только Рэн, но и реактивные и гармонические потери в двигателе, что (упрощенно) для:

• реактивных потерь на фундаментальной частоте можно найти через коэффициент мощности двигателя;
• гармонических потерь (если без расчета, ориентировочно по приближенным значениям) по п. 5.3.2 ГОСТ IEC 61800-9-2, где определены для электродвигателей номинальной выходной мощностью до 90 кВт потери в 15%, а свыше 90 кВт – 25%.

Примечание:

не стоит забывать и о снижении номинальной мощности электродвигателей в зависимости от условий эксплуатации согласно ГОСТ 31606-2012 (см. таблицу ниже), а также о том, что все нагрузочные (т.н. «паразитные») потери пропорциональны квадрату вращающего момента (пп. d п. 5.1 ГОСТ IEC/TS 60034-31-2015).

Таблица. 1 Снижение мощности электродвигателя при эксплуатации на разной высоте над уровнем моря.

Часть 2. Выбор структуры, состава комплектного преобразователя частоты

Для конкретной ситуации выбора частотного преобразователя электропривода силовой сети переменного тока (и абстрагируясь от новых разработок матричных конверторов), упрощенно все ЧП делят на непосредственные (НЧП с однократным преобразованием), двухзвенные с выпрямителем и автономным инвертором тока (АИТ – CSC в обозначениях международного электротехнического словаря IEV) и двухзвенные с выпрямителем и автономным инвертором напряжения (АИН – VSC в обозначениях IEV). Причем АИН и АИТ практически всегда включают промежуточное звено постоянного тока (между выпрямителем и инвертором) из емкости и/или индуктивности.

НПЧ, АИТ или АИН?

Комплектные преобразователи частоты для низковольтных сетей с нагрузкой до 100 кВт практически все двухзвенные с выпрямителем и автономным инвертором напряжения, которые имеют более широкий диапазон частот и диапазон регулирования на выходе, определяют меньшие потери (в сравнении с АИТ), а также могут использоваться для многодвигательных приводов.

Комплектные преобразователи с пассивным или активным выпрямителем?

Комплектные преобразователи частоты с АИН по типу выпрямительного звена условно делят на пассивные (диодные, однокаскадные тиристорные) и активные (active infeed converter, AIC - п. 3.1.1 ГОСТ IEC 61800-9-2) на IGBT транзисторах, которые способны управлять реактивной мощностью (коэффициентом мощности на фундаментальной частоте) на стороне питающей сети.

С учетом стоимости IGBT транзисторов, значительных потерь в силовом блоке выпрямительного звена и сомнительной способности сколь значимо влиять на переток реактивной энергии в питающей сети (из-за ограниченной емкости в звене постоянного тока) ЧП с активным выпрямителем будут целесообразны для электроприводов ограниченного сегмента назначения (возможно для роботизированных систем с автономным источником питания, при использовании генераторов и т.п.). К тому же:

• в силовой сети с действующей конденсаторной установкой повышения коэффициента мощности любые набросы реактивного тока, в том числе и от ЧП с активным выпрямителем или активных фильтров гармоник должны учитываться для нивелирования рисков недо- или перекомпенсации со всеми негативами этих явлений для качества электроэнергии в сети;
• согласно п. 13 ГОСТ Р МЭК/ТС 60034-17-2009 повышать коэффициент мощности на входе комплектного ЧП, в том числе за счет применения инвертора VSC с активным задним фронтом (выпрямителем) нельзя без анализа и учета спектра гармонических искажений, генерируемых самим ЧП и попадающих трансмиссией из сети.

“Векторные” или “скалярные” частотные преобразователи?

Алгоритм управления комплектным преобразователем частоты может быть скалярным (U/f), векторным с датчиками и без (бездатчиковым), пространственно-векторным (потоком при прямом управлении моментом), полеориентированным (с датчиками и без), а если не вникать в научные аспекты этих алгоритмов, то (максимально упрощенно):

• наиболее простые, дешевые и надежные, но менее точные по поддержанию рабочего режима двигателя ЧП со скалярным управлением;
• более дорогие ЧП с векторным, затем (по росту цены) с полеориентированным и пространственно-векторным управлением, но точность управления скоростью, моментом нагрузки и энергоэффективность привода растет в соответствие с ценой.

Кроме того, ЧП с векторным, полеориентированным и пространственно-векторным управлением будут приоритетными при выборе для приводов, где необходимо практически мгновенное реагирование на управляющие сигналы (роботы, автоматические линии, некоторые типы станков).

Состав комплектного преобразователя частоты.

В базовом полном исполнении комплектный преобразователь частоты помимо собственно ЧП (из выпрямителя, ЗПТ, инвертора) включает фильтры на входе и реакторы/фильтры на выходе, как правило пассивного типа одно или многозвенные, устраняющие гармоники и/или значительные амплитуды пикового напряжения (см. разд. 9 ГОСТ IEC/TS 60034-25-2017).

Фильтры на выходе благодаря рассеянию гармоник индуктивностями обмоток двигателя не обязательны, но становятся необходимыми в случае мощности электродвигателя от 50 кВт и при длине соединительного кабеля от 30 метров. Пассивные фильтры на входе следует считать обязательными, поскольку одни защищают, как силовую сеть от гармонических искажений, генерируемых самым ЧП, так и частотный преобразователь от гармоник в сети выше места подключения, в том числе попадающих трансмиссией из других абонентских сетей через ТП электросетевой компании.

В сам частотный преобразователь может быть интегрировано устройство динамического торможения или выведены клеммы для его подключения при автономном исполнении.

Т.е. оптимальный состав комплектного частотного преобразователя – пассивный L-C фильтр на входе, интегрированное в ЧП устройство динамического торможения и (при мощности нагрузки более 50 кВт и/или длине кабеля более 30 м) выходной реактор или пассивный фильтр.