Применения, преимущества и недостатки частотных преобразователей

К сожалению, в нашей стране сегодня при продаже тех же «частотных преобразователей» (см. технически корректную терминологию в этом материале) превалирует искаженный маркетинговый подход, когда:

• покупателю дают информацию только о преимуществах комплектного преобразователя электропривода переменного тока с регулируемой скоростью, умалчивая (сознательно или из-за недостаточной технической грамотности) о возможных проблемах его применения и способах превентивного устранения этих проблем;
• предлагают купить частотный преобразователь менеджеры с практически полным отсутствием профильного технического образования, что априори ставит под сомнение достоверность подаваемой информации;
• предлагают выбор частотного преобразователя по паре-тройке характеристик с помощью «универсальных» таблиц, что есть nonsense по факту, ведь для оптимальной работы частотно-регулируемых приводов нужно оценивать целый пакет факторов, зависящих и от самого оборудования, и условий эксплуатации, и производственно-технологического процесса.

В целом поэтому в цикле материалов ниже (и продолжении) представлены основные направления применения, преимущества и наиболее значимые недостатки частотных преобразователей, которые следует знать и по возможности устранять с помощью организационных мероприятий и современных технических средств.

Наиболее популярные применения частотных преобразователей.

Нагрузки, в которых использование частотно-регулируемых приводов (Variable Frequency Drives – VFD) может дать наибольшую экономию энергии — это оборудование по обработке газов и жидкостей (насосы, компрессоры и вентиляторы) с переменными требованиями к расходу. Достаточно высокий эффект энергосбережения и часто повышения энергоэффективности демонстрируют конвейеры, станки с ЧПУ, лифты, центробежные машины и т. д.

Наиболее быстрое внедрение VFD произошло в процессах, для которых изменение скорости/крутящего момента необходимо по технологическим причинам (например, на линиях по производству бумаги или на сталелитейных заводах), где новейшее поколение электронных VSD уже стало стандартным способом оптимизации, энергосбережения, повышения энергетической эффективности. Доминирующая сегодня технология управления скоростью — электронные VSD в сочетании с трехфазными двигателями переменного тока (в основном асинхронными двигателями с короткозамкнутым ротором) — практически заменила другие технологические решения: механические, гидравлические, а также двигатели постоянного тока.

Скорость вращающегося поля, создаваемого обмотками статора асинхронного или синхронного двигателя, напрямую связана с частотой питания, подаваемого на обмотки. Электронные VSD могут создавать сигналы переменного напряжения переменной частоты, которые используются для управления скоростью и крутящим моментом двигателя. Регулировка скорости двигателя с помощью VSD может привести к лучшему управлению процессом, меньшему механическому износу оборудования, снижению акустического шума и значительной экономии энергии.

Однако частотно-регулируемые приводы имеют и некоторые недостатки, а среди них наиболее значимые - генерация электромагнитных помех, наброс токов гармоник в сеть, возможное снижение эффективности и срока службы двигателей.

Частотные преобразователи приводов с регулируемой скоростью в лифтовых хозяйствах.

Новые топологии VSD позволяют возвращать энергию торможения обратно в источник/сеть (VSD с возможностью рекуперации), и такая функция является способом экономии значительного количества энергии в оборудовании с частыми операциями торможения, а именно в лифтах. Однако это возможно только в том случае, если механическая трансмиссия двигателя допускает такой режим работы.

Когда лифт опускается, а вес груза (и/или людей внутри) больше противовеса, то крутящий (вращающий - по ГОСТ IEC 60034-1-2014 и др.) момент двигателя направлен в противоположном направлении скорости, замедляя движение (схема 1 на рис. ниже), и если обычные VSD используют для поглощения мощности при замедлении двигателя тормозной резистор, подключенный к шине постоянного тока, то рекуперативные VSD преобразуют энергию во вращающейся нагрузке обратно в ток и возвращают в основной источник питания. Аналогично можно сэкономить электроэнергию рекуперативным VSD, когда лифт поднимается без нагрузки, а скорость и момент имеют разные направления (схема 4 на рис. ниже).

Это значительно повышает общую энергоэффективность процесса, увеличивая энергосбережение, причем в случае применения рекуперативной системы VSD и эффективной трансмиссии потребляемая энергия может быть снижена до 19%.

Частотные преобразователи приводов с регулируемой скоростью в вентиляционных и насосных системах.

VSD были и остаются лучшей альтернативой дросселированию клапанами и заслонками в вентиляционных и насосных системах, поскольку в действительности при дросселировании воздушного потока значительные объемы энергии буквально тратятся впустую на открывание/закрывание клапанов, заслонок, потери в их приводах и компенсации турбулентности при уменьшении условного прохода трубопроводов.

Потери растут и при использовании нескольких вентиляторов или насосов в системе в то время, как частотные преобразователи приводов с регулируемой скоростью позволяют уйти от этих проблем (более детально вентиляционных системах здесь, о насосных - в этом материале).

Частотные преобразователи приводов с регулируемой скоростью в системах сжатого воздуха.

Объемные (винтовые и поршневые объемного действия) воздушные компрессоры по сути являются нагрузками с постоянными моментами, которые также могут выиграть от регулирования скоростью, однако эффект энергосбережения здесь будет значительно меньше, чем у динамических центробежных компрессоров, насосов или вентиляторов. Обусловлено это разным типом нагрузки, который у объемных компрессоров определяет линейную, а у центробежных - кубическую зависимость мощности от скорости (см. строки 2 для объемных и 4 для центробежных компрессоров в таблице зависимости вращающего момента (Т) и мощности (Р) от скорости вращения вала (n) здесь).

Вместе с тем:

• при неполной нагрузке (до 50% номинальной) объемного компрессора экономия энергии, обусловленная интеграцией VSD, составляет около 30%;
• использование VSD для управления температурой в холодильных насосах/компрессорах (например, морозильной камере, рис. ниже) может устранить потери при включении/выключении и уменьшить разницу температур между конденсатором и испарителем, что обеспечивает от 25% экономии электроэнергии.
  
  Рис. Применение частотно-регулируемых приводов в компрессорах морозильных камер.

Частотные преобразователи приводов с регулируемой скоростью в конвейерах и станках.

Конвейеры, как и объемные (винтовые и поршневые объемного действия) воздушные компрессоры являются нагрузками с постоянными моментами и линейной зависимостью мощности от скорости вращения вала, а потому применение приводов с регулируемой скоростью дает сравнительно небольшой эффект энергосбережения. Вместе с тем, применение VSD в конвейерах позволяет удерживать работу двигателя и исполнительного механизма в рабочем диапазоне, что снижает износ, увеличивает срок службы и периоды обслуживания всех компонентов транспортера.

Иная ситуация складывается в случае применения VSD в высокоскоростных токарных станках, высокоинерционных механизмах, где при торможении необходимо перераспределить значительный объем кинетической энергии – то ли нивелировать посредством трансформации в тепловую энергию специальными устройствами, то ли «регенерировать» и вернуть в сеть с помощью рекуперативных VSD (аналогично лифтам).

Кроме того, важным аспектом необходимости применения VSD в механизмах с значительной инерцией является процесс ускорения при запуске с высокими пусковыми токами, провалами напряжения, нагревом кабелей, оборудования, потерями в роторе и пр., поскольку частотно-регулируемый привод делает процесс плавным (в отличие от типовых стандартных и многоскоростных двигателей прямого пуска), снижает энергопотребление и нагрузки на сеть и оборудование.

О возможных электротехнических проблемах и недостатках частотных преобразователей в следующем материале цикла.