ЗАЧЕМ НУЖЕН ЧАСТОТНЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД НА ПРОИЗВОДСТВЕ?
Частотный электропривод или иначе частотный преобразователь (также нередко называемый просто приводом) представляет собой статическое преобразовательное устройство, управляющее исполнительными механизмами асинхронных электродвигателей переменного тока, посредством изменения скорости вращения последних или их останова в необходимый момент времени. Тем самым, при помощи частотного преобразователя осуществляется управление движением электродвигателя, необходимое для обеспечения непрерывности технологического процесса.
Что это дает? Если не сильно «городить огород», то главным моментом здесь является то, что частотный привод в комплекте с асинхронным электродвигателем позволяет заменить собой электропривод постоянного тока. А если учесть, что асинхронный электродвигатель превосходит двигатель постоянного тока по целому ряду параметров (так, они надежнее и проще по устройству, к тому же благодаря отсутствия подвижных контактов, имеют при аналогичной мощности более компактные размеры, меньшую массу и стоимость, и (это здесь, пожалуй, главное!) они проще в производстве и эксплуатации), то очевидно – применение частотных электроприводов на производстве порой может быть важнейшим фактором повышения качества производства, уменьшения износа оборудования, снижения потребления электроэнергии и т.п.
Впрочем, здесь нельзя не заметить, что само по себе регулирование скорости вращения асинхронного электродвигателя может выполняться и посредством других устройств, таких как, например, механический вариатор, гидравлическая муфта и другие. Однако в реальности все эти методы обладают существенными недостатками, к которым, прежде всего, относятся - сложность использования, низкое качество работы, высокая стоимость и, пожалуй, самое главное, очень небольшой диапазон регулирования.
И в этом плане применение частотно-регулируемого электропривода может рассматриваться как отличная альтернатива всем другим способам, поскольку именно его применение дает возможность выявить все плюсы асинхронных электродвигателей позволяя в итоге занимать асинхронным двигателям нишу, прежде предназначенную ранее для устройств постоянного тока.
Принцип работы частотного преобразователя
Принцип работы частотного преобразователя заключается в том, что переменное напряжение промышленной сети выпрямляется блоком выпрямительных диодов, и после этого фильтруется батареей конденсаторов большой емкости. Таким образом само регулирование скорости вращения асинхронного электродвигателя при применении частотно-регулируемого электропривода производится путем изменения частоты и величины напряжения питания двигателя.
Впрочем, иногда в схему иногда включают цепь «слива» энергии – транзистор с резистором большой мощности рассеивания. Такая схема применяется в режиме торможения, чтобы гасить генерируемое напряжение двигателем и обезопасить конденсаторы от перезарядки и поломки.
В результате получается весьма экономичная система, поскольку КПД такого преобразования составляет около 98 %, т.е. из сети потребляется практически только активная составляющая тока нагрузки. К тому же микропроцессорная система управления обеспечивает высокое качество управления электродвигателем, позволяя контролировать фантастически большое множество его параметров, и в силу этого предотвращая возможность развития аварийных ситуаций, поломки двигателя, станков и т.п.
Таким образом, нельзя не заметить, что одной экономичностью здесь дело не ограничивается. Частотный электропривод «игрушка» все-таки не дешевая, несмотря на то, что появление силовых схем с IGBT-транзисторами, разработка высокопроизводительных микропроцессорных систем управления и т.п. в итоге позволило сегодня создать современные преобразователи частоты доступной для производителя стоимости. Но на активный выбор современных приводов влияют и иные плюсы такого выбора.
Какие? Рассмотрим их поподробнее.
Энергосбережение
Выше уже отмечалось, что преобразователь частоты (инвертор) позволяет экономить на непроизводительных затратах энергии. И в современных условиях это уже неплохо, но в данном случае нельзя не заметить, что преобразователь частоты позволяет не просто экономить электроэнергию. Не менее существенно, что он еще выполняет функцию энергосбережения.
В чем заключается эта функция? Прежде всего в том, что в режиме энергосбережения преобразователь частоты автоматически отслеживает потребление тока, рассчитывает нагрузку и снижает выходное напряжение. Таким образом, снижаются потери на обмотках двигателя, и увеличивается его КПД. При этом, если сравнивать работу с приводом с выполнением аналогичной работы, но без привода, то эта функция позволяет сэкономить дополнительно от 5% до 60% электроэнергии в зависимости от типа производства путем поддержания электродвигателя в режиме оптимального КПД.
Предотвращение резонанса
Еще одним важным моментом применения частотного преобразователя, является предотвращение резонанса. Дело в том, что в случаях возникновения резонанса в механической системе преобразователь частоты обходит резонансную частоту.
Предотвращение опрокидывания ротора
Очень важной функцией привода является функция предотвращения опрокидывания ротора. Данная функция предотвращения опрокидывания ротора или функция ограничения момента работает в трех режимах - при разгоне, при торможении и во время работы. Так, при разгоне, если задано слишком большое ускорение и не хватает мощности, преобразователь автоматически продлевает время разгона. При торможении функция работает аналогично. А вот во время работы эта функция позволяет в случае перегрузки системы вместо аварийной остановки продолжить работу, но уже на меньшей скорости. В ряде случае это бывает очень важно.
Работа в режиме подхвата работающего двигателя
Следует также отметить возможность привода работать в режиме подхвата работающего двигателя. Что это означает и с чем связано?
Как известно, кратковременное отключение напряжения сети питания, равно как и понижение напряжения ниже допустимого уровня ведет к отключению управляющих работой электродвигателя электронных схем. При этом сам электродвигатель продолжает свободное вращение, которое поддерживается моментом инерции массивного ротора вместе с присоединенными к нему механизмами. Наиболее явно данное явление прослеживается в установках вентиляции промышленного значения, поскольку здесь лопасти вентилятора имеют достаточно большую массу, что порой приводит к свободному выбегу до одного часа, а то и более.
Казалось бы, в чем проблема? Проблема в инерции. Дело в том, что такой свободный выбег на самом деле очень опасен, поскольку подача питающего напряжения до того времени, когда электродвигатель полностью остановился неминуемо приводит к повышенному перерасходу пусковых токов и увеличенной нагрузке, которая носит характер удара на механические составляющие привода. Другими словами, включение электродвигателя в таких условиях (т.е. до полной остановки) может вызвать аварию и разрушение слабых узлов механической части электрооборудования. Причем нельзя не заметить, что подобная ситуация еще более усугубляется при раскрутке вала двигателя в обратном направлении, например, при обратной тяге в воздуховоде или обратным потоке жидкости в трубопроводах станций перекачки.
Для исключения появления подобных явлений собственно и разработана функция безударного плавного выхода на рабочий режим, включающая функцию «подхвата» вращения, при которой преобразователь частоты предварительно определяет и анализирует параметры состояния регулируемого двигателя, в том числе при его вращении - определяется частота вращения. При этом процессор преобразователя формирует импульсы возбуждения обмоток электродвигателя таким образом, чтоб не создавать перегрузок по току, в силу чего происходит своеобразная синхронизация работы преобразователя с частотой вращения двигателя. Собственно, сам этот процесс и принято называть «подхватом». При использовании этой функции частотный преобразователь при пуске определяет скорость вращения нагрузки и соответственно начинает регулирование уже не с нуля, а с той скорости, которая в этот момент есть в системе. При этом само время, необходимое частотному преобразователя для синхронизации с вращением двигателя, как правило, составляет от 4 до 6 секунд.
Функции защиты
Еще одной важной функцией частотного преобразователя является функция защиты. При этом сам частотный преобразователь обеспечивают защиту как самого себя, так и электродвигателя.
Сам набор функций защиты в данном случае определяется моделью преобразователя. Но если суммировать основные аспекты, то в целом функции защиты двигателя предполагают:
- токовую защиту мгновенного действия;
- токовую защиту двигателя от перегрузки по току;
- защиту двигателя от перегрева.
Одновременно практически все преобразователи частоты имеют ниже перечисленные функции самозащиты:
- от замыкания выходных фаз;
- от замыкания выходных фаз на землю;
- от перенапряжения;
- от недонапряжения;
- от перегрева выходных каскадов.
К дополнительным функциям защиты преобразователей частоты также можно отнести следующие:
1) от пропадания фазы на входе;
2) от ошибок передачи данных;
3) ошибка пропадания фаз на выходе.
Общие итоги
И так суммируя все вышесказанное можно заметить, что применение частотно-регулируемого электропривода обеспечивает следующие моменты на производстве:
- изменение скорости вращения в ранее нерегулируемых технологических процессах;
- синхронное управление несколькими электродвигателями от одного преобразователя частоты;
- замена приводов постоянного тока, что позволяет снизить расходы, связанные с эксплуатацией;
- создание замкнутых систем асинхронного электропривода с возможностью точного поддержания заданных технологических параметров;
- возможность исключения механических систем регулирования скорости вращения (вариаторов, ременных передач);
- повышение надежности и долговечности работы оборудования;
- большую точность регулирования скорости движения, оптимальные параметры качества регулирования скорости в составе механизмов, работающих с постоянным моментом нагрузки (конвейеры, загрузочные кулисные механизмы и т. п.).
А это все означает, что очевидной сегодня является не просто нужность, а даже необходимость приводов на многих производствах для решения многих их типовых проблем. И то сказать экономия энергоресурсов, увеличение сроков службы технологического оборудования, снижение затрат на планово-предупредительные и ремонтные работы, равно как и обеспечение оперативного управления и достоверного контроля за ходом технологических процессов – все эти и многие иные задачи сегодня являются существенной частью современного бизнеса в его технологической производственной ипостаси. Во многом от их решения зависит сегодня успех или неуспех дела. А потому применение приводов на производстве в силу их экономического эффекта – это не блажь и не попытка быть так сказать «на острие технологического процесса».
Увы, но рост стоимости энергоносителей, ужесточение экологических требований, повышение требований к потребительским качествам, все это приводит к тому, что покупать автоматизированное оборудование становится просто экономически нецелесообразно.
А это значит, что на современном производстве без частотного электропривода просто не обойтись. И, следовательно, от умения правильно выбрать его сегодня зависит многое.
Последнее, впрочем, сегодня связано часто не только с правильным выбором технического специалиста для обслуживания оборудования, выбором инженера, но и с грамотным выбором компании-поставщика.
Но это, как говорится, «уже другая история…»
Источник | 
