Понимание принципа действия частотно-управляемых приводов с переменной частотой (ЧУП)

Eсли на предприятии вы участвуете в решении вопросов экономии энергии, то, вероятно, вы в какой-то мере анализировали вопрос применения преобразователей частоты (ЧУП) для электродвигателей переменного тока. Они могут помочь сэкономить энергию, сократить операции по обслуживанию, а также снизить стоимость используемых средств. Вопросы следующие: действительно ли преобразователи частоты так хороши и как они действуют?

Преобразователь частоты ЧУП управляет скоростью вращения электродвигателя переменного тока, что позволяет сделать осуществляемый процесс более гибким, поскольку скорость вращения может быть легко изменена в целях оптимизации процесса. Подается ток определенной мощности и осуществляется конверсия в источник  тока переменной частоты и переменного напряжения, который затем питает электродвигатель. Это дает возможность управлять скоростью вращения и оборотным моментом, создаваемым электродвигателем.

Преобразователь частоты ЧУП может увеличить доходность фирмы за счет оптимизации процесса, что в свою очередь дает быструю окупаемость инвестиции (ROI). Оптимизация процесса может проистекать из лучшей управляемости:

• скорости вращения,
• расхода,
• давления,
• температуры,
• напряжения,
• момента,
• возможности мониторинга качества,
• ускорения/замедления.

Во многих случаях, когда применяются электродвигатели переменного тока, можно получить выгоду за счет применения таких приводных систем, поскольку они могут также уменьшить операционные затраты при одновременном усовершенствовании осуществляемого процесса. Снижение затрат вытекает из:

• увеличения надежности системы,
• сокращения простоев,
• сокращения времени подготовки оборудования,
• экономии энергии,
• сокращения операций по обслуживанию,
• более равномерной работы — меньший износ и трение,
• управления коэффициентом мощности.
• Результатом этих улучшений является увеличение доходности.

Оценка применений

Для разных применений приводных систем имеются разные критерии, которые должны оцениваться индивидуально.  Например, использование преобразователя частоты с электродвигателем переменного тока, приводящим в движение центробежный насос или вентилятор, позволяет экономить энергию за счет возможности регулирования скорости вращения двигателя наиболее эффективным образом. В таком случае часто можно получить даже 60% экономии энергии по сравнению с электродвигателями  с постоянными оборотами и управлением с помощью клапана. Этого обычно достаточно, чтобы за короткое время окупились затраты на такую приводную систему.

При обсуждении темы преобразователей частоты (ЧУП) и экономии энергии внимание часто сосредотачивается на их применении в вентиляторах и центробежных насосах. Однако существуют и другие применения, которые тоже дают большие возможности в части экономии энергии и/или ее рекуперации, основанные на простых для реализации концепциях, что не должно ускользнуть от внимания. Эти применения — коррекция коэффициента мощности, рекуперация (возврат энергии), применение общей магистрали или комбинация всех этих трех применений. Проследим все эти применения и увидим, каким образом использование соответствующей приводной системы приносит выгоду.

Применения в центробежных насосах и вентиляторах: законы подобия

Экономия расходов при применении для вентилятора или центробежного насоса проистекает главным образом из двух факторов:

законов подобия, которые указывают рабочую область, дающую наибольший расход или давление на единицу мощности, как это показано на графике,

ликвидации всех механических устройств регулирования расхода, которые ограничивают расход вентилятора или насоса, в то время как электродвигатель привода вращается с постоянной скоростью.

Такая приводная система переменного тока после первоначального периода окупаемости затрат на инвестицию продолжает в течение многих лет экономить энергию, а также снижать затраты на работы по обслуживанию и дает более равномерный расход продукта. Если имеется вентилятор или центробежный насос с механической регулировкой расхода, то за счет замены этого решения на приводную систему переменного тока с регулируемой скоростью вращения получают от 10 до 60% экономии на стоимости электроэнергии, в случае, когда система вентилятора или насоса спроектирована для работы в диапазоне от 40 до 80%  максимальной скорости вращения. Обычно такое изменение дает окупаемость инвестиции в течение периода продолжительностью от 6 до 24 месяцев.

В соответствии с законами подобия:

• расход пропорционален скорости вращения вала,
• давление пропорционально квадрату скорости вращения вала,
• мощность пропорциональна кубу скорости вращения вала.

Сравнивая различные методы механического управления расходом, на представленных графиках мы отчетливо видим, что единственным решением, позволяющим значительно приблизиться к максимальной производительности, определяемой теоретической характеристикой вентилятора, или к расходу насоса, является ЧУП.

Коэффициент мощности

Что есть коэффициент мощности (PF – power factor)? Питание переменным током имеет два основных параметра: напряжение и ток. Если эти два параметра не синхронизированы друг с другом, мощность теряется из-за отсутствия эффективности. Это называют сдвигом коэффициента мощности. Когда питание переменным током имеет высокий уровень дополнительных гармонических, называемых искажением коэффициента мощности, то сдвиг и искажения усиливают друг друга в разы, что еще больше снижает эффективность питания.

Если вам случалось получать счет за электричество от энергетической компании, в который включен штраф за питание вашего предприятия или дома, то это, скорее всего, указывает на то, что имеет место проблема сдвига коэффициента мощности. Даже если энергетическая фирма не применяет такого дополнительного штрафа, вы все равно платите за избыток потребленной энергии. По этой причине очень важным оказывается вопрос удержания значения сдвига коэффициента мощности в области, близкой к совпадению.

Ниже представлен графический пример сдвига коэффициента мощности и искажения коэффициента мощности (гармонические):

Штрафы, связанные с коэффициентом мощности

Хотя каждое предприятие, поставляющее электроэнергию, может по-разному начислять оплату, имеются два универсальных способа таких начислений – в зависимости от кВА (кажущейся мощности) (хуже коэффициент мощности = больше ампер) или в зависимости от кВт (активной мощности) со штрафом за коэффициент мощности.

Если коэффициент мощности меньше 90%, замеренная активная потребленная мощность кВт будет умножена на соотношение 90%, деленное на фактический коэффициент мощности:

двигатель 100 кВт с коэффициентом мощности 0,85: (100 кВт  x  0,9) / (0,85 коэффициент мощности)  =  105 кВт

В таком случае увеличение суммы счета составит 5%.

Другой метод состоит в коррекции потребления энергии, когда потребности будут корректироваться относительно средних коэффициентов мощности, меньших, чем 95%. Такие корректировки будут выполняться путем увеличения на 1 % замеренного потребления на каждый 1% или его часть, большую, чем 0,5%, на который средний коэффициент мощности отклоняется в сторону понижения от 95%.

В этом случае штраф увеличится на 1% за каждый 1% уменьшения коэффициента мощности ниже 0,95.

В случае применения устройств для корректировки коэффициента мощности, таких, как конденсаторы и фильтры, приводная система переменного тока часто не рассматривается как способ корректировки сдвига коэффициента мощности, если одновременно имеет место низкий уровень искажения. Привод ЧУП с технологией AFE (active front end) имеет возможность подстройки своего коэффициента мощности рабочей точки, равно как и ограничения гармонических до уровня ниже 4%. Для сравнения, при стандартной шестипульсовой приводной системе переменного тока с диодным выпрямителем, преобразующим входное напряжение переменного тока в напряжение магистрали постоянного тока (dc bus voltage), типичный уровень гармонических составляет 30-40%. На сегодня доступна как минимум одна приводная система переменного тока с технологией AFE, которая имеет возможность корректировки своего коэффициента мощности от 0,8 leading (опережение) до 0,8 lagging (запаздывание) и соответствует нормам IDEE 519 в отношении эмиссии гармонических и ограничения искажений коэффициента мощности. Это означает, что данная приводная система может улучшить имеющийся на предприятии сдвиг коэффициента мощности.

Искаженный коэффициент мощности свидетельствует об уменьшении среднего значения передаваемой мощности по причине наличия гармонических и сдвига по фазе между током и напряжением.

Во что это обходится и сколько можно сэкономить, зависит от того, каковы в настоящее время значения сдвига и искажения.

Рекуперация (возврат)

Электродвигатель переменного тока может работать либо как двигатель, преобразующих электрическую энергию в механическую, либо как генератор, преобразующих механическую энергию в электричество. Это зависит от того, приводит ли двигатель в движение машину, которая требует энергии привода, или же нагрузка машины иногда будет создавать опережение двигателя. Опережение представляет собой состояние, в котором механизм или физическое воздействие нагрузки механическим образом приводит к тому, что двигатель стремится вращаться быстрее, чем его номинальная (приводная) скорость вращения, и приводная система используется для снижения скорости вращения двигателя. Такое состояние опережения может иметь место в нескольких типах применения.

1. Постоянное замедление: Когда нагрузка, как, например, в вертикальном транспортере, работающим под действием силы тяжести, будет вызывать опережение скорости вращения двигателя, и приводная система применяется для управления скоростью транспортера, чтобы получить скорость меньшую, нежели та, которая получилась бы в данном устройстве под воздействием естественных физических сил.

2.Периодическое замедление: Когда нагрузка быстро прерывается, и инерция нагрузки стремится сохранить обороты, как, например, в случае большого барабана. В этом случае время цикла или же количество остановок нагрузки за единицу времени, а также количество энергии, требующееся для остановки, определяют количество энергии, которое может быть сэкономлено.

3.Система приводящего/сдерживающего момента: Когда две секции машины используются для напряжения находящегося между ними материала, как, например, напрягается металлическая лента в лентопрокатном стане. Две секции могут работать с одной и той же скоростью, но чтобы процесс протекал правильно, требуется определенное напряжение ленты. Это означает, что ведущая секция будет работать вперед и тянуть ленту, а задняя секция будет тоже работать вперед и одновременно создавать необходимый момент, действующий в направлении, противоположном движению ленты, создавая тем самым правильное напряжение.

В любом из этих примеров комбинация двигателя и приводной системы имеет возможность возврата электроэнергии, вырабатываемой двигателем, работающим как генератор, и передачи этой энергии энергетическому предприятию. Сколько энергии будет сэкономлено, зависит от конкретного применения, но это могут быть значительные количества. Одним из таких применений, где можно получить значительную экономию от рекуперации энергии, является стенд для испытания коробок передач. Во время тестирования коробки передач одна приводная система и двигатель используются для вращения тестируемой коробки передач, тогда как другая приводная система с двигателем используются для имитации нагрузки. Такая система, если она правильно построена, будет работать при очень низком потреблении энергии, поскольку количество энергии, потребленной на вращение коробки передач, без учета потерь в системе, такое же, как количество энергии, возвращенной при симуляции нагрузки на тестируемую коробку передач. Пытаясь определить, позволяет ли конкретное применение получить существенный возврат энергии, следует задать один вопрос: «Нагрузка в каждый момент стремится вращать двигатель (возвратное восстановление) или же двигатель используется для вращения с преодолением нагрузки?”

Общая магистраль

В случае, когда в одном месте находится несколько приводных систем переменного тока, система общей магистрали дает обычно наиболее эффективный способ работы. Она может содержать в себе решения, дающие экономию энергии и возврат энергии, о которых здесь шла речь. Если в схеме имеется приводная система переменного тока и двигателя с рекуперацией энергии, то такое решение прекрасно подходит для максимизации возврата энергии и снижения затрат. Это вытекает из того, что потери порождаются, когда энергия из питающей сети переменного тока преобразуется в питание магистрали постоянного тока или из магистрали постоянного тока в питающую сеть переменного тока. Если имеется более одной независимой приводной системы, питающую энергию приходится пропускать через две или более систем конверсии переменного тока в постоянный ток и через две системы конверсии постоянного тока в переменный ток. В конфигурации с применением общей магистрали энергия проходит только через одну систему конверсии переменного тока в постоянный ток, при прохождении в направлении приведения в движение с помощью двигателя. Когда секция инвертора приводной системы рекуперирует энергию на магистраль постоянного тока, эта энергия передается по соединению с общей магистралью постоянного тока непосредственно на другой инвертор, который питает двигатель, и эту энергию нет необходимости пропускать через конвертор. Этот метод исключает две точки конверсии, в которых имели бы место потери энергии, что повышает эффективность на 2-4% на каждую секцию рекуперации энергии. Если секций, позволяющих возвращать энергию, больше, экономия энергии будет суммироваться. Если одновременно будет применена технология AFE, то кроме экономии, которую дает применение общей магистрали, у такой системы будет возможность осуществлять коррекцию коэффициента мощности, что увеличивает экономию системы общей магистрали.  Хорошим примером применения общей магистрали является стенд для тестирования коробок передач. Здесь имеется одна секция приводной системы и двигателя движения вперед и одна секция — привод и двигатель для рекуперации энергии. В этом конкретном случае две секции приводной системы и двигателя имели номинальные параметры 1000 А при 690 В переменного тока каждая. Несмотря на это питающая линия переменного тока, а также входные модули могли бы быть настроены на параметры ниже 1000 А при 690 В переменного тока. Это было бы возможно, поскольку одна из двух секций требует 1000 А  при приведении в действие двигателем или создании вращающего момента, тогда как другая секция, которая создавала нагрузку, имела возможность возвращать путем рекуперации энергию почти 1000 А, уменьшенные на потери в системе. Поэтому значение тока, генерируемого в секции возврата энергии, почти уравновешивало 1000 А для секции, создающей вращательный момент для вращения коробки передач, а питание переменным током могло быть ограничено значением, несколько превышающим потери системы, которые в этом случае были около 200 А при 690 В переменного тока. Результатом этого было бы снижение затрат на установку в силу меньшего размера секции преобразования переменного тока в постоянный ток. Это решение позволило получить возврат энергии, стоимость которой за год составила 75 000 USD, что позволило окупить затраты в течение четырех лет.

Это применение соединило эффективность системы рекуперации энергии с системой общей магистрали. В случае, когда предприятию пришлось бы вносить поправку в коэффициент мощности, примененное решение общей магистрали дало бы также возможность увеличения экономии за счет этого источника.

В заключение, при применении комбинации приводной системы переменного тока и двигателя существует много разных применений и методов, при которых можно достичь значительной экономии и рекуперации энергии. Хотя обычно обращают большое внимание на начальную стоимость приводной системы, следует произвести оценку каждого применения, чтобы определить максимальную возможность увеличения производительности и снижения затрат на эксплуатацию в части экономии энергии и рекуперации энергии. Во многих случаях экономия энергии и затраты на эксплуатацию значительно больше, чем затраты на установку приводной системы.