Частотное регулирование насосов принцип действия

Содержание

Компания СЗЭМО производит специальные двигатели АДЧР для использования в составе частотного регулируемого привода (ЧРП).

Частотно-регулируемый привод состоит из электродвигателя и преобразователя частоты.

Двигатель приводит в движение исполнительные агрегаты технологического механизма, преобразуя электрическую энергию в механическую. Основным недостатком асинхронного двигателя является сложность регулирования его скорости вращения. Для плавного регулирования скорости вращения необходимо изменение частоты источника питания. Эту функцию выполняет специальное электронное устройство – преобразователь частоты.

ЧРП является основой энергосберегающих систем и применяется там, где технологический процесс требует изменения скорости вращения механизмов в широком диапазоне, поддержание стабильности параметров, обеспечения синхронной работы нескольких приводов. ЧРП, обладая высокими динамическими характеристиками, легко встраивается в современные системы автоматизации и контроля. Частотное регулирование эффективно применяется на предприятиях энергетики, промышленности и коммунального хозяйства.

Внедрение ЧРП позволяет:

• экономить электроэнергию в среднем на 30-40%;
• увеличить срок службы электродвигателей;
• полностью автоматизировать процесс и регулировать все его параметры.

Для эффективной и долговечной работы привода, важно использовать в его составе специальный электродвигатель АДЧР, снабженный необходимыми для конкретных условий эксплуатации опциями.
В этом месяце, делая единовременную закупку комплектного привода в СЗЭМО, Вы получаете скидку от 10% до 20% на весь заказ, в зависимости от производителя!

Характеристики двигателей для ЧРП, производимых в СЗЭМО:

• Электродвигатели с 56 по 400 габариты на базе отечественных и импортных двигателей, в т.ч. АВВ, мощностью от 0,18 до 355 кВт.
• Стандартные двигатели для ЧРП имеют степень защиты IP 54 и климатическое исполнение У3. По требованию заказчика электродвигатели могут быть изготовлены с повышенной степенью защиты (например, IP 55) и климатическими исполнениями У2, УХЛ1, У1.
• Стандартные двигатели для ЧРП имеют класс изоляции F. По требованию заказчика электродвигатели могут быть изготовлены с классом изоляции Н.

Опции электродвигателей АДЧР:

• термодатчики;
• независимая вентиляция;
• датчик положения вала (энкодер);
• изолированный подшипник;
• импортные подшипники (SKF, NSK и др.).

Вы можете заказать любой набор опций, необходимых для Ваших условий эксплуатации электродвигателя АДЧР.

Почему Вам выгодно заказывать двигатели для ЧРП в СЗЭМО:

• Вы можете выбрать в нашей компании любые электродвигатели как отечественного, так и импортного производства (ABB) как базовые для дальнейшей доработки для ЧРП.
• Вы получаете набор только необходимых опций, подобранных под индивидуальные условия использования электродвигателя АДЧР.
• Вы получаете качественный продукт, так как СЗЭМО гарантирует входной контроль базовых двигателей и усиленный контроль готовой продукции перед сдачей заказчику; опции устанавливаются сертифицированными специалистами в специально оборудованном цехе.
• Ваша заявка будет оперативно обработана и наш менеджер сообщит сроки и стоимость выполнения заказа.
• Вам будут предложены конкурентоспособные цены и минимальный срок выполнения заказа (в зависимости от наличия комплектующих на нашем складе).
• Вы можете заказать любую партию двигателей для ЧРП.

Новое поколение приводов Emotron

Линейка Emotron пополнилась приводами NGD: FDU2.0, VFX2.0 (мощностью от 0,75 кВт до 1,6 МВт) и VSC/VSA (0,18–7,5 кВт). Приводы с регулируемой скоростью FDU2.0 (для центробежных механизмов) и VFX2.0 (для поршневых) позволяют пользователю устанавливать эксплутационные параметры в необходимых единицах, имеют съемную панель управления с функцией копирования настроек, модели до 132 кВт имеют стандартное экономичное исполнение IP54 (модели от 160 до 800 кВт также могут быть установлены в специальные компактные корпуса IP54). Обмен данными в ходе процесса осуществляется с помощью Fieldbus (Profibus-DP, DeviceNet, Ethernet), через порты (RS-232, RS-485, Modbus RTU), а также аналоговые и цифровые выходы.

Малогабаритные векторные приводы VSA и VSC специально спроектированы для регулирования скорости трехфазных асинхронных двигателей небольшой мощности: модели с входным напряжением 220 В доступны в диапазоне от 0,18 до 2,2 кВт, а модели 380 В – от 0,75 до 7,5 кВт.

Emotronwww.emotron.com

Конструкция и принцип работы преобразователей частоты

Если рассматривать общую конструкцию преобразователей частоты, то в ней стоит выделить два основных блока компонентов:

• Управления.
• Электропреобразований.

Первый блок обычно представлен микропроцессором, который воспринимает команды от внешних систем управления и интерфейсов и передает непосредственно на электропреобразовательные элементы.

Блок электропреобразований является основным рабочим механизмом всей системы. Именно он отвечает за прием входного тока и преобразование его параметров до нужных значений, установленных оператором через управляющий блок. В состав данного блока входят следующие элементы:

• Выпрямитель.
• Промежуточная цепь.
• Инвертор.

Поговорим о каждом более подробно.

Низковольтный ПЧ на IGB транзисторах. Устройство, особенности

Рисунок 3 показывает блочную схему и функции основных узлов. После каждого из них, отображены линии выходных параметров электроэнергии. Подаваемая энергия (Uвх.), в форме синусоиды, неизменной амплитуды, частоты. Дальше — узел постоянного тока, состоящий из неуправляемого или регулируемого выпрямителя 1. Емкостного фильтра 2, с функциями сглаживания пульсации (U выпр.). Потом, сигнал Ud поступает на независимый, автономный инвертор 3, работающий с нагрузкой, которая потребляет ту же частоту.

Он преобразует одно или 3-фазный ток постоянной величины в переменный, имеет приемлемый уровень гармоник, добавленных к выходному напряжению. Собранный на полностью регулируемых полупроводниковых приборах IGBT. Сигналы СУ подсоединяют обмотку электродвигателя к соответствующим полюсам, используя силовые транзисторы. Подключение происходит в период импульсов, моделируемых по синусоиде амплитудой и частотой. Управляемые выпрямители (1) регулируют величину Ud. Функцию сглаживания выполняет электрофильтр (4).

Каков принцип частотных методов регулирования? Наглядное объяснение можно вывести из следующей формулы

Высокие показатели КПД, коэффициента мощности, перегрузочной способности достигаются при одновременном изменении частоты и напряжения. Законы изменения этих параметров напрямую зависят от момента нагрузки, который может иметь статичный, вентиляторный и обратно пропорциональный скорости вращения характер.

При постоянном моменте нагрузке напряжение на статоре будет регулироваться в пропорциональной зависимости от частоты, что хорошо видно из формулы:

Если момент нагрузки имеет вентиляторный характер, то напряжение будет пропорционально квадрату частоты питающего напряжения.

Ну и моменте нагрузки, который обратно пропорционален скорости получим:

Как видно из вышеописанного при обеспечении одновременного регулирования частоты питающего напряжения и параметров напряжения на статоре частотным преобразователем достигается плавное бесступенчатое регулирование скорости вращения вала двигателя. При этом отсутствие передач позволяет более точно регулировать скорость вращения по заданным пользователем параметрам.

Основные достоинства применения регулируемых приводов на предприятиях.

Разница в производительности и эффективности между дросселированием посредством механических средств и применением частотных преобразователей очевидна на следующем рисунке. (схема 1) Из схемы становится ясно, что возрастает экономия ресурсов, а также нивелируются проблемы, связанные с полной потерей динамической мощности потока во время закрытия заслонок, что приводит, по сути, к холостой работе двигателя. Это увеличивает экономическую эффективность частотных преобразователей.

Конструкция типового частотного преобразователя.

Принципиальной задачей преобразователя частоты является изменение параметров электрического тока, это осуществляется при помощи транзисторного выпрямления тока и преобразования его до необходимых заданных значений. Типовой частотный преобразователь состоит из трех частей:

— Звено постоянного тока. Состоит из выпрямителя и фильтрационных устройств. Звено постоянного тока принимает входной сигнал и перенаправляет его в инвертор.

— Импульсного инвертора. Силовой трехфазный инвертор обычно имеет шесть транзисторов-ключей и осуществляет преобразование тока до заданных частот и амплитуд, а затем подает его на статор. Инвертор может состоять из тиристорной схемы.

— Микропроцессорной системы управления. Управляет системами преобразования и защиты преобразователя.

Четкая синусоида выходного сигнала – результат работы IGBT-транзисторов в качестве ключей инвертора, которые работают с более высокой частотой переключения, чем устаревшие тиристоры.

Как работает частотный преобразователь?

Схема преобразователя представлена в наглядном виде на следующем рисунке. (схема 2)

Алгоритм переключения вентилей задается микропроцессором, переключение преобразует постоянное Uвх. в переменное выходное напряжение с прямоугольными импульсами. Активная составляющая токового потока асинхронного двигателя проходит через транзисторы, а реактивная – через диоды обратного тока.

И – трехфазный мостовой инвертор; В – трехфазный мостовой выпрямитель;

Устройство частотных преобразователей

В конструкции каждого частотного преобразователя есть несколько узлов, которые отвечают за функциональные возможности данного оборудования:

• силовой импульсный инвертор;
• звено постоянного тока, которое состоит из выпрямителя и фильтрующего устройства;
• система управления.

Первым узлом, куда подается напряжение, является выпрямительное устройство, которое преобразует переменный ток в постоянный. После выпрямителя ток протекает через транзисторные ключи, которые поочередно подключают обмотку асинхронного двигателя к плюсовому и минусовому контакту выпрямителя. Система из нескольких коммутационных транзисторов образует силовой импульсный инвертор, который является промежуточным узлом любого частотного преобразователя. В современных силовых инверторах используются биполярные транзисторы, которые позволяют вырабатывать достаточно высокую частоту переключения, что дает возможность получать синусоиду с минимальными искажениями.

Виды и критерии выбора

Для выбора регулятора нужно руководствоваться определенными характеристиками для конкретного случая. Среди всех критериев можно выбрать следующие:

1. По типу управления. Для двигателей коллекторного типа применяются регуляторы с векторной или скалярной системой управления.
2. Мощность является основным параметром, от которого нужно отталкиваться.
3. По диапазону U.
4. По диапазону частот. Нужно выбирать модель, которая соответствует требованиям пользователя для конкретного случая.
5. Прочие характеристики, в которые включены гарантия, габариты, комплектация.

Устройство на тиристорах

В этой модели, представленной на схеме 1, применяются 2 тиристора, включенных встречно-параллельно, хотя их можно заменить одним симистором.

Схема 1 — Тиристорная регулировка оборотов коллекторного двигателя без потери мощности.

Эта схема производит регулирование с помощью открытия или закрытия тиристоров (симистора) при фазовом переходе через нейтраль. Для корректного управления коллекторным двигателем применяют следующие способы модификации схемы 1:

1. Установка защитных LRC-цепей, состоящих из конденсаторов, резисторов и дросселей.
2. Добавление на входе емкости.
3. Использование тиристоров или симистора, ток которых превышает номинальное значение силы тока двигателя в диапазоне от 3..8 раз.

Этот тип регуляторов имеет достоинства и недостатки. К первым относятся низкая стоимость, маленький вес и габариты. Ко вторым следует отнести следующие:

• применение для моторов небольшой мощности;
• происходит шум и рывки мотора;
• при использовании схемы на симисторах происходит попадание постоянного U на двигатель.

Этот тип регулятора ставится в вентиляторы, кондиционеры, стиральные машины и электродрели . Отлично выполняет свои функции, несмотря на недостатки.

Транзисторный тип

Еще одним названием регулятора транзисторного типа является автотрансформатор или ШИМ-регулятор (схема 2). Он изменяет номинал U по принципу широтно-импульсной модуляции (ШИМ) при помощи выходного каскада, в котором применяются транзисторы типа IGBT.

Схема 2 — Транзисторный ШИМ-регулятор оборотов.

Коммутация транзисторов происходит с высокой частотой и благодаря этому можно изменить ширину импульсов. Следовательно, при этом изменится и значение U. Чем длиннее импульс и короче паузы, тем выше значение U и наоборот. Положительные аспекты применения этой разновидности следующие:

1. Незначительный вес прибора при низких габаритах.
2. Довольно низкая стоимость.
3. При низких оборотах отсутствие шума.
4. Управление за счет низких значений U (0..12 В).

Основной недостаток применения заключается в том, что расстояние до электромотора должно быть не более 4 метров.

Регулирование за счет частоты

Регулирование оборотов моторов различных типов за счет частоты получило широкое применение. Частотное преобразование занимает лидирующую позицию на рынке сбыта устройств-регуляторов оборотов и осуществления плавного пуска. Благодаря своей универсальности возможно влиять на мощность, производительность и скорость любого устройства с электродвигателем. Эти устройства применяются для однофазных и трехфазных двигателей. Применяются такие виды частотных преобразователей:

1. Специализированные однофазные.
2. Трехфазные без конденсатора.

Для регулирования оборотов используется конденсатор, включенный с обмотками однофазного двигателя (схема 3). Этот преобразователь частоты (ПЧ) имеет емкостное R, которое зависит от частоты протекающего переменного тока. Выходной каскад такого ПЧ выполнен на IGBT-транзисторах.

Схема 3 — Частотный регулятор оборотов.

У специализированного ПЧ есть свои преимущества и недостатки. Преимуществами являются следующие:

1. Управление АД без участия человека.
2. Стабильность.
3. Дополнительные возможности.

Существует возможность управлять работой электромотора при определенных условиях, а также защита от перегрузок и токов КЗ. Кроме того, возможно расширять функционал при помощи подключения цифровых датчиков, мониторинга параметров работы и использования PID-регулятора. К минусам можно отнести ограничения при управлении частотой и довольно высокую стоимость.

Для трехфазных АД применяются также устройства регулирования частоты (схема 4). Регулятор имеет на выходе три фазы для подключения электромотора.

Схема 4 — ПЧ для трехфазного двигателя.

У этого варианта тоже есть свои сильные и слабые стороны. К первым можно отнести следующие: низкую стоимость, выбор мощности, широкий диапазон частотной регуляции, а также все преимущества однофазных преобразователей частоты. Среди всех отрицательных сторон можно выделить основные: предварительный подбор и нагрев при пуске.

Для чего нужен частотный преобразователь

Последнее время на производствах наблюдается тенденция, заключающаяся в переходе с синхронных электродвигателей или двигателей с фазным ротором на асинхронные. Этот сдвиг можно объяснить различными причинами и большинство из них связано с экономией. Асинхронные двигатели более компактны и требуют меньшего обслуживания, нежели двигатели с фазным ротором или синхронные электродвигатели с щетками. Да и в целом если сравнить цену асинхронного и синхронного двигателя одинаковой мощности и напряжения, то станет очевидным почему все больше руководителей предприятий стремятся к этому переходу.

Но одним из недостатков асинхронных двигателей является меньшая точность позиционирования вала и соответственно менее точное управление скоростью его вращения. Так же оператору необходимо иметь возможность оптимизировать режим работы электродвигателя так, чтобы не было ненужной, потраченной впустую энергии

Для этого важно понимать возможности практического применения частотно-регулируемого привода (ЧРП)

Среди вопросов, которые нужно изучить:

• Когда выгоден ЧРП?
• При каких условиях следует использовать ЧРП?
• В чем разница между частотным преобразователем и устройством плавного пуска?

Ответы на эти вопросы позволят понять и максимально использовать возможности преобразователя частоты и минимизировать затраты на эксплуатацию двигателя переменного тока в условиях производства.

Комплектация регулируемого привода

Частотный преобразователь формируется из трёх компонентов:

1. Управляемый, либо неуправляемый выпрямитель, отвечающий за формирование напряжения ПТ (постоянного тока), поступающего от питания.
2. Фильтр (в виде конденсатора), осуществляющий дополнительное сглаживание напряжения.
3. Инвертор, моделирующий напряжение нужной частоты.

Самостоятельное подключение преобразователя

Перед тем, как приступать к подключению устройства следует воспользоваться обесточивающим автоматом, он обеспечит отключение всей системы в случае короткого замыкания на любой из фаз.

Существует две схемы соединения электродвигателя с частотным преобразователем:

1. «Треугольник».

Схема актуальна, если требуется управлять однофазным приводом. Уровень мощности преобразователя в схеме при этом составляет до трёх киловатт, а мощность не теряется.

1. «Звезда».

Способ, подходящий для подключения клемм трёхфазных частотников, питаемых промышленными трёхфазными сетями.

На рисунке схема подключения частотника 8400 Vector

Для ограничения пускового тока и снижения пускового момента при запуске электрического двигателя по мощности превосходящего 5 кВт, применяется переключение «звезда-треугольник».

Когда на статор пускается напряжение, то фигурирует подключение устройства по типу «звезда». Как только значение скорости двигателя начинает соответствовать номинальному, поступление питания осуществляется по схеме «треугольник». Но этот приём используется, только когда технические возможности позволяют подключаться по двум схемам.

В объединённой схеме «звезды» и «треугольника» наблюдаются резкие скачки токов. При переходе на второй тип подключения показания по вращательной скорости значительно уменьшаются. Для восстановления прежнего режима работы и частоты оборотов следует осуществить увеличение силы тока.

Наиболее активно применяются частотники в конструкции электрического двигателя с уровнем мощности 0,4 — 7,5 кВт.

Сборка преобразователя частот своими руками

Одновременно с промышленным производством частотных преобразователей, остаётся актуальной сборка подобного устройства своими руками. Особенно этому способствует относительная простота процесса. В результате работы инвертора производится преобразование одной фазы в три.

Применение в бытовых условиях электрических двигателей, имеющих в комплектации подобное устройство, не вызывает никаких дополнительных затруднений. Поэтому можно смело браться за дело.

На рисунке структурная схема частотных преобразователей со звеном постоянного тока.

Схемы частотного преобразователя, используемые при сборке, состоят из выпрямительного блока, фильтрующих элементов (отвечающих за отсечение переменной составляющей тока и конструируемых из IGBT-транзисторов). По стоимости покупка отдельных компонентов преобразователя и выполнение сборки своими руками обходится дешевле, чем приобретение готового устройства.

Применять самосборные частотные преобразователи можно в электродвигателях имеющих мощность 0,1 — 0,75 кВт.

В то же время, современные заводские частотники имеют расширенную функциональность, усовершенствованные алгоритмы и улучшенный контроль безопасности рабочего процесса ввиду того, что при их производстве используются микроконтроллеры.

Сферы применения преобразователей:

• Машиностроение;
• Текстильная промышленность;
• Топливно-энергетические комплексы;
• Скважинные и канализационные насосы;
• Автоматизация управления технологическим процессом.

Стоимость электродвигателей находится в прямой зависимости от того, есть ли в его комплектации преобразователей.

Классификация частотников

По величине и типу электропитания различают инверторы нескольких видов:

• однофазные;
• трёхфазные;
• высоковольтные агрегаты.

Полупроводниковые частотные преобразователи производят преобразование тока или напряжения промышленной сети. Выходные параметры необходимого сигнала свободно регулируются элементами управления.

Больший момент инерции без дополнительного редуктора

Малоинерционные сервомоторы от Beckhoff серии AM3000, которые производятся на основе новых материалов и технологии, используются, главным образом, в динамичных приложениях с высокими нагрузками, например, для привода осей металлообрабатывающих станков или устройств без редукторов. В сочетании с большой инерцией ротора, они предлагают те же преимущества, что и моторы серии AM3xxx, например, полюсную статорную обмотку, которая позволяет значительно уменьшить общие габариты мотора. Фланцы, соединители и валы моторов новой серии AM3500 совместимы с хорошо проверенными моторами AM3000. Новые модели AM3500 выпускаются с фланцами размеров 3 – 6 и имеют момент вращения от 1,9 до 15 Нм. Скорости вращения моторов составляют от 3000 до 6000 оборотов в минуту. Для систем обратной связи имеются координатные преобразователи или абсолютные датчики положения (одно- или многооборотные). Корпус относится к классу защиты IP 64; возможны опции с классом защиты IP 65/67. Эта серия моторов соответствует нормам безопасности CE, UL и CSA.

Beckhoff www.beckhoff.ru

Как выбрать преобразователь

На что следует обратить внимание при подборе частотных преобразователей на свой насос:

1. Мощность оборудования – от этого зависит частота вращения насоса, регулируемая преобразователем.
2. Диапазон входного напряжения – уровень напряжения в сети, при котором частотник сохраняет свою функциональность. В этом случае стоит произвести расчет, какое напряжение может возникнуть в сети. Этот показатель позволит «пережить» преобразователю колебания напряжения в сети, полностью сохранив свою работоспособность.
3. Диапазон изменений частоты – убедитесь, что выбираемое оборудование выдает именно ту частоту, которую смогут поддерживать механизм насоса и его двигатель.
4. Количество управляющих входов – для ввода различных команд, которые могут потребоваться при управлении насосом (старт, реверс, стоп, аварийная остановка и др.). Входы устанавливаются самим пользователем. Если вы стремитесь построить сложную систему, в таком случае, чем больше входов, тем лучше, для бытого применения подойдет частотник с небольшим количеством входов.
5. Количество выходных сигналов – потребуются для аналогового управления преобразователем.
6. Метод управления – как осуществляется оперативное управление преобразователем (через входы управления с автономного или локального пульта, от ПК или контролера, переключаемое или комбинированное управление).

Учитывая представленные характеристики, вы сможете подобрать такое оборудование, которое подойдет именно для вашего насоса и для ваших нужд.

Преимущества применения частотно регулируемых приводов для управления АД

1. Облегчает пусковой режим привода.
2. Позволяет двигателю долго работать, независимо от степени загрузки.
3. Обеспечивает большую точность регулировочных операций.
4. Позволяет контролировать состояние отдельных узлов в цепях промышленной электрической сети. За счет этого возможно вести постоянный учет количества времени, наработанного двигателями, чтобы потом оценивать их результативность.
5. Наличие электронных узлов дает возможность диагностировать неисправности в работе двигателя дистанционно.
6. К устройству можно подключать различные датчики обратной связи (давления, температуры). В результате скорость вращения будет стабильна при постоянно меняющихся нагрузках.
7. При пропадании сетевого напряжения включается управляемое торможение и перезапуск.

• В результате:
• повышается уровень КПД за счет чего можно сэкономить порядка 30-35 % электроэнергии;
• количество и качество конечного продукта возрастает;
• снижается износ комплектующих механизмов;
• возрастает срок службы оборудования.