Частотно-регулируемые приводы в промышленности

Наибольшая доля потребления электроэнергии в промышленности (в среднем) приходится на насосные системы – от 20 до 25%, а согласно статистике в нефтехимической отрасли на работу насосов тратится 51 % используемой электроэнергии, в целлюлозно-бумажной - 28 % и химической промышленности более 18 %. Пока едва ли не единственным действенным способом снижения энергопотребления эксперты считают переход на энергоэффективные насосные системы, где используется частотно-регулируемый привод (variable frequency drives – VFD, как правило с ШИМ преобразователем - PWM-type variable voltage variable frequency - VVVF), более эффективные компоненты, снижены потери на трение в передаче крутящего момента от двигателя к насосу, а также в трубопроводной сети.

Вместе с тем, практика показывает, что после первых пяти лет эксплуатации коэффициент полезного действия (КПД) центробежных водяных насосов снижается примерно на 5 процентов, а если перекачиваемая среда содержит твердые вещества, или если температура или скорость повышены в сравнении с номинальными значениями, то КПД может упасть на 10-15% за тот же срок.

Вторым по потреблению электроэнергии в промышленности, а в некоторых отраслях – лидером по значимости для проведения производственно-технологических процессов остается вентиляционная система. Вентиляторы в основном используются в системах отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха для обеспечения необходимого воздухообмена, но также участвуют таких процессах, как обработка и очистка материалов, сушка или покраска, литье пластмасс под давлением, производство электронных компонентов и др. На вентиляторы приходится от 9,5 до 17,5 процентов от общего потребления электроэнергии в промышленных секторах, причем наибольшая доля - в целлюлозно-бумажной промышленности. Эффективность промышленных систем вентиляции варьируется от 55 до 88 процентов, но наиболее высокие значения КПД демонстрируют системы с переменным расходом воздуха (Variable Air Volume, VAV), в которых регулирование расхода осуществляется частотно-регулируемыми приводами, запорно-регулирующей арматурой (воздушными заслонками-клапанами с приводом), иногда изменением угла установки лопаток рабочего колеса (более подробно – в этом материале).

В пищевой и в химической промышленности большая доля электроэнергии потребляется холодильным оборудованием, для повышения энергоэффективности которого используют усиленную изоляцию, но в основном - переход на современные компрессоры с частотно-регулируемыми приводами. Причем практически во всех отраслях промышленности сегодня происходит замена оборудования и инструмента с приводом от сжатого воздуха (КПД в среднем 10-15%) на их прогрессивные альтернативы с приводом от электродвигателя, что позволяет значительно повысить энергоэффективность.

Правильный выбор частотно-регулируемого привода.

Хотя производители VFD пытаются сделать выбор частотно-регулируемого привода в каталогах и рекомендациях, как можно проще, de facto существует множество переменных, определяющих правильный подход к оценке и выбору оптимального электродвигателя и (формально) комплектного преобразователя электропривода переменного тока с регулируемой скоростью (см. подробнее в этом материале).

По сути, при выборе частотно-регулируемого привода всегда приходится находить компромисс между желанием иметь хороший запас мощности и необходимостью свести стоимость к минимуму, а основными факторами, которые нужно учитывать являются:

• характер и тип нагрузки;
• максимальные требования к крутящему моменту и мощности и то, как они изменяются в зависимости от скорости;
• реальные требования к пусковому крутящему моменту;
• диапазон скоростей с пограничными значениями минимальной и максимальной;
• требования к ускорению и замедлению (необходимо ли торможение?);
• совместимость с напряжением сети;
• условия окружающей среды, в которых должны работать преобразователь и двигатель - температура, высота над уровнем моря, влажность, вода, химикаты, горючие вещества, пыль и т. д.;
• вентиляция и охлаждение преобразователя и двигателя;
• направление вращения (одно- или двунаправленное, реверсивное);
• точность управления скоростью;
• динамический отклик (требования к времени реакции на сигнал программно-логического контроллера (ПЛК) по изменению скорости и крутящего момента);
• требования к регулированию скорости при изменении нагрузки, температуры, напряжения питания;
• рабочий цикл, включая количество пусков и остановок в час;
• общий коэффициент мощности приводной системы и его влияние на питание от сети;
• электромагнитные помехи и гармоники в сетевом источнике питания, а также в двигателе и кабеле;
• требуются ли фильтры электромагнитных помех;
• требования к заземлению, экранированию и защите от перенапряжения;
• пульсации крутящего момента на валу ротора;
• метод управления - ручной, автоматический, аналоговый, цифровой, связь;
• интерфейсы управления и связи, необходимые для коммутации с АСУ (автоматической, автоматизированной системой управления);
• системы управления установкой;
• требования к надежности, функциям защиты;
• требования к силовому и контрольному кабелю;
• настройки параметров, локальное или удаленное программирование;
• соображения по техническому обслуживанию, запасным частям и ремонту;
• стоимость альтернативных систем с учетом капитальных затрат, преимуществ производительности, экономии энергии, эффективности или улучшений процесса;
• шум из-за гармоник в двигателе, механический резонанс на определенных скоростях двигателя и т.д.

Практика показывает, что большинство проблем, возникающих при использовании частотно-регулируемого привода, можно отнести к человеческому фактору и в основном это:

• неправильная оценка требуемых номинальных характеристик асинхронного двигателя переменного тока;
• неправильная оценка требуемых номинальных характеристик комплектного преобразователя электропривода переменного тока с регулируемой скоростью;
• неправильные настройки параметров, установленных в системе управления VFD.

В целом система привода переменного тока с переменной скоростью выбрана и рассчитана правильно, когда:

• заданы правильные характеристики двигателя; выбран правильный тип и размер электродвигателя, выходной крутящий (вращающий - по ГОСТ IEC 60034-1-2014 и др.) момент, скорость и мощность, которые достаточны для всех нагрузок и условий окружающей среды;
• заданы правильные характеристики комплектного преобразователя электропривода переменного тока с регулируемой скоростью;
• выбран правильный тип и размер комплектного преобразователя электропривода переменного тока с регулируемой скоростью, выходная мощность которого (а также напряжение, ток, частота) соответствует требованиям двигателя для всех нагрузок и условий окружающей среды.

Алгоритм технически грамотного подхода к выбору частотно-регулируемого привода (упрощенно) следующий - первый шаг — выбрать правильно рассчитанный электродвигатель, и только после этого выбирается подходящий частотный преобразователь, соответствующий параметрам двигателя.

С точки зрения двигателя основными факторами, которые необходимо учитывать, являются номинальная мощность двигателя (кВт), количество полюсов (скорость) и размер рамы, чтобы момент нагрузки на валу двигателя оставался в пределах номинального крутящего момента двигателя в диапазоне всех скоростей. При выборе двигателя переменного тока для любого применения привода наиболее важным требованием является обеспечение того, чтобы двигатель не перегружался и не останавливался при любых изменениях скорости и нагрузки, т. е. во всем диапазоне скоростей.

Большое значение имеет характер и тип нагрузки на привод – так, например, центробежный насос имеет переменную характеристику крутящего момента, который увеличивается пропорционально квадрату скорости, а в приводах конвейеров остается постоянным для всех скоростей. Т.е. выбор частотно-регулируемого привода – дело профильных специалистов с большим опытом работы и высокой квалификацией, а отнюдь не снабженцев или менеджеров по продажам.