Управление электродвигателями на основе изменения частоты напряжения питания позволило расширить возможности для увеличения производительности и энергоэффективности. В России и странах СНГ приводная техника используется в разных отраслях: к примеру, решения на основе преобразователей частоты всё чаще применяют в энергетике и сфере ЖКХ. Наиболее распространены системы с насосами, вентиляторами, компрессорами.
Изначально преобразователи частот использовались для повышения эффективности асинхронных электродвигателей. Классическая модель представлена в виде системы плавного изменения крутящего момента и частоты вращения привода. В основе процесса лежит зависимость скорости вращения магнитного поля от частот переменного напряжения.
Наиболее широкое распространение получили электронные преобразователи частот. Их работа построена на силовой части из полупроводников (транзисторов или тиристоров) и схемы управления на базе микроконтроллера. Благодаря скалярному принципу регулировки обеспечивается напряжение только определённой частоты и амплитуды. Это востребовано в решениях с изменением скорости вращения ротора в зависимости от нагрузок. Нижний порог в 10 % от номинального и возможность управления несколькими двигателями максимально повышают эффективность эксплуатации вентиляторов и насосов.
Векторный режим обеспечивает на выходе постоянные частоты вращения ротора независимо от нагрузок. Это позволяет достичь максимально точного позиционирования положения вала и поддерживать частоту вращения, регулировать момент на низкой скорости и запускать двигатели с минимальным крутящим моментом. Такие схемы ценятся там, где важны максимальная производительность и безотказность.
Запускать и настраивать частотные преобразователи можно с панели оператора или через компьютер. Русскоязычный интерфейс удобен для обслуживающего персонала. Возможность подключения по дискретным входам и «сухим» контактам делает преобразователь частот эффективным исполнительным механизмом для наружных систем управления. Некоторые модели можно программировать по событиям для автоматизированных процессов.
От простого к сложному
Время массовой востребованности частотных преобразователей началось еще в 1968 году, когда концерн Danfoss первым в мире начал серийное производство приводной техники — это была модель VLT 5. С того момента конструкторы компании добились значительных успехов: сегодня в линейке производителя несколько десятков универсальных, профессиональных и специализированных серий низко- и высоковольтных преобразователей, а также тысячи их модификаций.
Возможности приводных устройств разнообразны. Модельный ряд преобразователей представлен в диапазоне мощности от 0,18 кВт до нескольких мегаватт с большим выбором напряжений и номиналов. Устройства совместимы со всеми типами двигателей и источниками питания. Широкий функционал частотных преобразователей позволяет поддерживать непосредственную связь с питающей электросетью и промежуточным звеном постоянного тока, можно подключать трёхфазный двигатель в однофазную сеть. У большинства моделей конфигурация настраивается автоматически.
Удобство модульной платформы заключается в гибком подборе требуемых силовых опций в зависимости от использования. Например, DC/DC-преобразователи повышают напряжение для потребностей приводов.
Выбираем модель
Казалось бы, выбрать частотный преобразователь для определенного применения очень сложно: продукция каждого производителя имеет свою классификацию и особые конструктивные решения. Однако, как показывает практика, ключевых критериев всего два:
- Сфера применения. Все частотные преобразователи отвечают за плавную регулировку скорости и снижение пускового тока. Общепромышленные модели имеют унифицированный функционал, а для решения конкретных задач разрабатывают специализированные модификации. Как в ЖКХ, так и в энергетике, специализированные устройства отвечают за управление насосным оборудованием в тепловых пунктах и котельных, на объектах водоснабжения. Уникальные алгоритмы обеспечивают автоматизацию работы приводов в вентиляционных установках и работу компрессоров в системах холодоснабжения. Также предлагаются специальные решения для противопожарных систем в зданиях и лифтах.
- Типоразмер. Здесь важно соблюдать правило двух неравенств: номинальный ток устройства должен превышать номинал двигателя, максимальный ток тоже должен быть выше. Соотношение между максимальным и номинальным моментом должно находиться в диапазоне от 110 до 250 %.
При подборе частотного преобразователя учитывают не только напряжение сети питания и тип двигателя, но также дополнительные функции. К примеру, для интеграции в систему управления автоматикой зданий BMS или в систему диспетчерского контроля SCADA должны быть предусмотрены сетевые интерфейсы.
Характеристики частотных преобразователей и степень необходимой защиты корпуса нужно подбирать в соответствии с условиями эксплуатации: температурой окружающей среды, уровнем влажности, высотой над уровнем моря и сейсмичностью района. Важен и способ установки: на полу, на стене, в шкафу.
Чтобы быстро подобрать оборудование, воспользуйтесь онлайн-конфигуратором Danfoss. В поле поиска специального приложения следует ввести исходные данные для получения подходящей конфигурации преобразователя частоты под конкретное применение.
Функционал систем ОВиК, используемых в HVAC-отрасли, оптимален именно для автоматизации управления отоплением, вентиляцией и кондиционированием. Они применяются совместно с фанкойлами, приточными и вытяжными вентиляторами, воздушными и холодильными компрессорами, чиллерами. Благодаря встроенной функции пропорционально-интегрально-дифференцирующей (ПИД) регулировки можно менять производительность системы в зависимости от текущих перепадов.
Одной из новинок в сегменте является встроенный преобразователь давления воздуха, способный контролировать сразу 4 участка перепада давлений. Оригинальное техническое решение значительно упрощает рабочие схемы, не требует использования датчиков на вентиляторах и фильтрах. Благодаря наличию дискретных выходов и протоколов связи обеспечивается передача данных в комплексы BMS и SCADA.
У лучших моделей имеется встроенный контроль загрязнения фильтров и обрыва ремней, режим пожарной безопасности. Устройства могут эксплуатироваться в температурном диапазоне от -25 до +50 °C. С помощью цифровых решений можно настраивать через смартфон или планшет работу как частотных преобразователей, так и электродвигателей. Отличия между специализированными устройствами типа AQUA и FLOW заключаются в интегрированных функциях для насосов. Сюда относятся регулировка расхода и управление работой обратного клапана, компенсация потерь давления в трубопроводах.
Функционал:
- «Спящий режим» автоматически отключает насос при низком водоразборе и включает его в случае повышения. На агрегатах негативно сказывается работа на низких оборотах, поэтому не рекомендуется переходить порог в 20-25 %.
- Функция предотвращения утечек основана на контроле давления, а компенсация расхода — на принципе снижения гидравлического сопротивления в системах с уменьшением. За безотказную работу оборудования отвечает защита от «сухого хода».
- Интегрированный каскадный контроллер нужен при работе насосной группы: он отвечает за регулировку скорости одного насоса, затем по необходимости подключает следующие. Более высокая эффективность при режиме «ведущий/ведомый» (master/slave), когда преобразователь управляет всей группой. В этих случаях насосы синхронизируются между собой и работают на одной скорости.
- За регулировку насосов по сигналу обратной связи в больших диапазонах отвечает ПИД-регулятор. Благодаря наличию постоянного и переменного момента оператор может управлять насосными агрегатами любого типа: плунжерными, центробежными, осевыми, поршневыми.
Для насосов с невысоким уровнем автоматизации и для регулировки вентиляторов/бытовых дымососов в административных и производственных помещениях предлагаются упрощённые модели. Например, частотные преобразователи типа HVAC Basic Drive и Micro Drive имеют минимально необходимый защитный функционал при широком спектре наборе регулирующих опций.
Преимущества регулировки
Асинхронные электродвигатели используются повсеместно. Однако эффективность их работы снижается из-за отсутствия регулировки скорости и ударных нагрузок на механизмы. Пусковой ток достигает шести-восьмикратного значения от номинала. Устранить недостатки и повлиять на производительность оборудования помогает частотная регулировка. Как правило, насосы, вентиляторы и компрессоры работают не на полную проектную мощность. Преобразователи частот очень точно подстраивают скорость привода под требуемые в данный момент нагрузки: напором и расходом легко управлять, регулируя частоты и момент.
Пусковые токи привода существенно ниже, чем у двигателей с прямым запуском или запуском по схеме «звезда-треугольник». Плавный запуск снижает пусковой ток и нагрузки на электросеть, обеспечивая нормальную работу запорной арматуры и другого оборудования.
Главные преимущества силовой электроники перед механическими устройствами — автоматизация и интеграция в системы диспетчеризации верхнего уровня. Инженеры Danfoss разработали «облачные» сервисы, позволяющие дистанционно контролировать и управлять устройствами, использовать архивные данные для анализа и дальнейшей оптимизации.
Регулирование скорости вращения момента на валу увеличивает межсервисный интервал и продлевает рабочий ресурс двигателей. Сами же электронные преобразователи частоты не имеют движущихся частей и не требуют такого же технического обслуживания, как редукторы или дроссельные заслонки.
Частотные преобразователи, кроме того, способны защищать электроприводы от аварийных ситуаций и аномальных режимов работы. Среди функциональных возможностей — контроль перегрузки и коротких замыканий, выпадения фаз. Также имеется функция перезапуска при возобновлении подачи электричества после его отключения. Специальные возможности управления насосом и компрессором обеспечивают удобство и безопасность эксплуатации.
Особенность применения силовой электроники — появление гармонических помех в питающей электросети, однако современные технологии Danfoss практически полностью устраняют эти негативные влияния. Для борьбы с ними созданы передовые решения активного и пассивного подавления гармоники.
Правительством РФ запланировано введение новых регламентов по энергоэффективности на 2021-2025 годы. Они устанавливают обязательную необходимость перехода на двигатели класса IE3. Так как миллионы асинхронных приводов старых поколений заменить нереально, требуется альтернатива, и наиболее целесообразное решение с экономической точки зрения — использование систем с частотно-регулируемыми приводами.
Энергосберегающий потенциал
Потребляемая мощность зависит от скорости вращения для центробежных машин. К примеру, снижение частоты вращения на 20 % уменьшает энергопотребление вдвое. Для стандартных решений экономия достигает от 20 до 70 %, однако и это не предел. Особенности конструкции частотных преобразователей способны повысить этот потенциал. Так, функция «автоматическая оптимизация энергопотребления» понижает реактивные составляющие тока при недостаточной загрузке двигателя. На оборудовании до 10 кВт это дополнительно добавляет еще до 10 % экономии энергии.
В режиме «автоматическая адаптация к двигателю» не только обеспечивается «подхват на лету» и возврат кинетической энергии, но и высокое энергопотребление. Небольшой процент дает векторное управление с экономией при запусках и переходных процессах, а также новейшие фильтры гармоник. Если системой охлаждения выводится до 90 % тепла, то нет необходимости в дополнительных устройствах, у которых свое энергопотребление.
Danfoss предлагает комплексный подход в решении задач, инновационные функции и нестандартный взгляд на традиционные методики. В результате потребитель получает всегда гарантированное увеличение производительности, уменьшение энергопотребления и повышение надёжности инженерных систем различной степени сложности.
