Частотное регулирование электродвигателей: Преобразователь частоты для электродвигателя

Преобразователь частоты для электродвигателя

30.10.2017

Тематика: Полезная информация

 

 

Введение

Существует немало технологических операций, нуждающихся в регулировании угловых скоростей приводных валов механизмов. Традиционно эта задача решалась двумя путями:

• применением механических многоскоростных редукторов для ступенчатого регулирования скорости, либо вариаторов для плавного регулирования;
• использованием электродвигателей постоянного тока совместно с регуляторами уровня питающего напряжения.

Регулирование угловой скорости ротора, основанное на изменении передаточного числа механической трансмиссии, характеризуется снижением общего КПД передачи. Это объясняется высоким уровнем механических потерь в редукторе, подверженном к тому же, интенсивному износу.

Двигатели постоянного тока представляют собой достаточно сложные и дорогие машины. Наличие коллекторного механизма со щёточным аппаратом, предъявляет повышенные требования к их обслуживанию и снижает надёжность.

 

Компания Овердрайв-Электро предлагает частотно-регулируемые приводы ABB со склада в Минске:

 

Принцип частотного регулирования

В основе частотного регулирования двигателя переменного тока лежит взаимосвязь угловой скорости, с которой вращается поле статора с частотой напряжения питания. Это означает, что изменение частотной характеристики напряжения статора приводит к пропорциональному изменению угловой скорости вращающегося ротора. Угловая скорость, или частота вращающегося поля статора асинхронного электрического двигателя выражается следующим соотношением:

ω₀ = 2πf₁/р,

где f₁ — значение частоты напряжения, питающего обмотку статора, р — количество полюсных пар статорной обмотки.

Из приведенной формулы следует, что совершая изменение значения частоты подводимого к двигателю напряжения, можно плавно изменять значение угловой скорости (частоты) вращающегося поля статора, что приведёт к изменению частоты вращения ротора электродвигателя.

Данный принцип позволяет использовать в регулируемых приводах наиболее технологичные, простые и надёжные асинхронные двигатели, имеющие короткозамкнутый ротор. Благодаря высоким технико-экономическим показателям систем частотного регулирования происходит их активное внедрение в сферу промышленной и бытовой техники.

Устройство преобразователя частоты.

На рисунке 1 показана структурная схема, иллюстрирующая устройство преобразователя частоты (ПЧ).

Рис.1 Преобразователь частоты

Сетевое питающее напряжение промышленной частоты 50 герц поступает на вход выпрямителя (В), представляющего собой обычную мостовую диодную сборку. На выходе выпрямителя установлен Г — образный LC фильтр, выполняющий функции сглаживания пульсаций, которые присутствуют в выпрямленном напряжении.

Основной частью преобразователя является инвертор (И), осуществляющий преобразование постоянного напряжения в трёхфазную систему напряжений синусоидальной формы с регулируемой частотой и амплитудой. Ключевыми элементами инвертора служат мощные IGBT транзисторы, которые коммутируются сигналами, генерируемыми в системе импульсно — фазового управления. Система управления транзисторами, формирующими выходное напряжение, которое поступает на статор асинхронного двигателя (АД), основана на принципе ШИМ — широтно-импульсной модуляции. Сигнал управления представляет собой чередование импульсов напряжения с изменяемой скважностью.

Примечание. Скважность — это оценочная характеристика периодического импульсного сигнала, рассчитываемая как отношение периода чередования сигнала к длительности импульса. То есть, величина скважности показывает, какую часть периода занимают импульсы. При изменении скважности изменяется соотношение длительностей импульсов и промежутков между ними.

Следует обратить внимание на одну интересную особенность частотных преобразователей. На рисунке 1 показан преобразователь, подключенный к трёхфазной сети. Существуют модели преобразователей, питающихся от однофазной сети, при этом, на выходе инвертора формируется всё та же трёхфазная система. Разница между трёхфазными и однофазными частотными преобразователями заключается только в качестве напряжения на выходе выпрямителя. Трёхфазный выпрямительный мост создаёт меньший уровень пульсаций напряжения, по этой причине, однофазное выпрямление предъявляет повышенные требования к параметрам LC фильтра.

Применение частотных преобразователей

Сегодня трудно найти область, где не нашли своего применения частотно-регулируемые приводы асинхронных электродвигателей.

На крупных блочных электрических станциях частотные регуляторы осуществляют регулирование подачи топлива в котлы, гибко адаптируя работу энергоблоков к изменяющемуся режиму работы энергосистемы. В этом качестве частотные приводы функционируют как исполнительные звенья автоматизированной системы управления технологическими процессами электростанции.

Частотное регулирование приводов мощных вентиляторов промышленных систем позволяет автоматически поддерживать оптимальные условия их работы при изменении внутренних и внешних факторов, экономя при этом электрическую энергию и продлевая ресурс оборудования.

Большую финансовую экономию принесло внедрение частотных регуляторов в городские системы водоснабжения. Рабочее давление в водоводах питьевого назначения ранее поддерживалось в основном путём оперирования задвижками. Это приводило к неэффективной работе насосного оборудования, повышенному расходу энергии и износу. Насосы, оснащённые частотным приводом способны гибко реагировать на изменение расхода воды в системе и изменяя частоту вращения поддерживать необходимое давление.

Применение частотных регуляторов не обошло стороной и область бытовой электротехники. Все современные стиральные машины и пылесосы оснащены частотным приводом. Это позволило отказаться от редукторов и ремённых приводов и повысить экономичность работы домашних агрегатов.

Двигатели с частотным регулированием АДЧР. Преобразователь частоты позволяет регулировать скорость работы двигателя. Подбор и характеристики.

На основе частотно-регулируемого привода создаются энергосберегающие системы во многих производственных, коммунальных и других обслуживающих отраслях. Преобразователь частоты, интегрированный с электродвигателем, позволяет манипулировать номинальной мощность, плавно регулировать скорость работы.

Интеграция двигателя и преобразователя частоты дает преимущества:

• Сбережение электроэнергии.
• Увеличение срока эксплуатации двигателя.
• Автоматическое управление производственными процессами.

Эффективность работы привода с частотным регулироваением

Эффективность работы привода обеспечивают асинхронные двигатели частотного регулирования, купить которые можно в интернет-магазине ЭлРе, выбрав из линеек как:

• BESEL. Польский производитель в составе группы компаний Cantoni предлагает двигатели общего назначения для эксплуатации в умеренном климате, со стандартными параметрами пуска. Ассортимент двигателей частотного регулирования в каталоге выдержан в диапазоне типоразмеров с 56 по 90 мм. Линейка предназначается для управления насосами, вентиляторами и другой обслуживающей техникой. Производитель рекомендует правильно подбирать крыльчатку вентилятора для эффективной работы двигателя, т.к. слишком маленький вентилятор не обеспечивает должный контроль скорости вращения.

• ЭЛРЕ (ДАР). Компания ЭлРе предлагает модифицированные регулируемые по частоте двигатели собственного производства с маркировкой ДАР всех типоразмеров, с 56 по 132 мм. Производство АДЧР – двигателей частотного регулирования общего назначения компания – выполняет как по производственному плану, так и по конкретным заказам с предоставлением технического задания. Эти двигатели могут работать в одиночном или групповом приводе ЧРП либо от стандартной питающей сети.

Преимущество двигателей, выпускаемых в диапазоне SS(K,L), состоит в том, что мощность, потребляемая ими, прямо пропорциональна производительности по вращению и в связи с этим при низкой скорости вентилятора уменьшается энергопотребление двигателя.

Каталоги и подбор электродвигателей

Регулирование частоты оборотов электродвигателя с помощью частотных преобразователей | Полезные статьи

Частотные преобразователи применяются для плавной регулировки скорости вращения электродвигателей, а также для их защиты от перегрева и перегрузок. Эти устройства обеспечивают плавный пуск и торможение электродвигателей.

Используя частотник для электродвигателя, принцип работы которого заключается в эффективном способе управления напряжением, можно будет уже не беспокоиться за производственный или ремонтный процесс, осуществляемый соответствующим агрегатом — все будет находиться под контролем частотного преобразователя. В процессе своей работы частотник способен создавать выходное импульсное напряжение заданной частоты в диапазоне от нуля до шестисот герц. Частотное регулирование электродвигателей позволяет добиваться изменения их скорости вращения по заданным критериям. В современных моделях частотников может использоваться и бездатчиковый способ векторного регулирования, когда на валу электродвигателя нет датчика скорости, а сама скорость изменяется лишь в небольших диапазонах. Такого вида частотный регулятор для электродвигателя обычно применяется при управлении низковольтными двигателями переменного тока. В любом случае следует выбирать тот частотный преобразователь, который будет соответствовать мощности и условиям работы электродвигателя.

За счет преобразователя могут контролироваться самые разные параметры электродвигателя — например, это настройка крутящего момента, выходной мощности, изменение напряжения, скорости вращения вала и многое другое. Как видим, частотное регулирование электродвигателей — это очень широкое понятие, и поэтому оно может быть совершенно разным в зависимости от конкретной ситуации. Надо заметить, что частотник также еще позволяет экономить электроэнергию при переменном токе; к тому же это устройство, без сомнения, повышает в целом и срок работы электродвигателя. Получается, что устройство частотного регулирования оборотов электродвигателей — очень важное и нужное средство для любого электродвигателя.

 

Частотные преобразователи могут использоваться на конвейерах различных видов, в подъемном оборудовании (на кранах и в лифтовых системах), в центробежных насосах, вентиляторах и на металлообрабатывающем оборудовании. Частотный регулятор оборотов электродвигателя — неотъемлемый компонент на любом производстве, так как даже в экономическом плане их использование окупает себя на все сто процентов. Ведь частотники помогают существенно снижать расходы на обслуживание электродвигателей и приводных механизмов. Что и говорить про оптимизацию всего рабочего процесса с помощью частотника. Например, при помощи дополнительных входов управления частотного привода можно синхронизировать различные процессы на конвейере, а также задавать соотношения изменения одних показателей в зависимости от других — например, сделать зависимой скорость вращения шпинделя станка от скорости подачи резца. То есть в результате нагрузки на резец в данном случае подача будет уменьшена.

Частотно-регулируемый привод экономит и повышает надежность производства энергии

Отметим, что на сегодняшний момент основные усилия по экономии электроэнергии сосредоточены в области потребления энергии - на промышленных объектах и объектах инфраструктуры. Но стоит обратить внимание и на этап производства электроэнергии, а именно на объекты собственных нужд электростанций. На самом деле, в их работе кроется большой потенциал энергосбережения.

Экономить можно и при производстве энергии!

Сегодня проблеме энергосбережения по всему миру и в том числе в России уделяется много внимания. Отметим, что на сегодняшний момент основные усилия по экономии электроэнергии сосредоточены в области потребления энергии - на промышленных объектах и объектах инфраструктуры. Но стоит обратить внимание и на этап производства электроэнергии, а именно на объекты собственных нужд электростанций. На самом деле, в их работе кроется большой потенциал энергосбережения.

Отметим, что объекты собственных нужд электростанций, такие как различные насосы и вентиляторы и другие, потребляют ощутимую часть общей вырабатываемой станцией электроэнергии – в определенных случаях до 7% от всей производимой энергии. Получается, что сама энергетика также является одним из крупнейших потребителей электроэнергии. Заметим, что большая часть данных механизмов управляется неэффективно и имеют обычно избыточное энергопотребление.

В данной статье мы рассмотрим современные варианты управления электродвигателями механизмов собственных нужд электростанции и акцентируем внимание читателя на преимуществах применения частотно-регулируемого привода. Применение новых видов управления позволяет добиться экономии энергии и увеличения автоматизации и надежности работы оборудования.

Когда идет речь об энергосбережении на электростанции, тогда в первую очередь обращают внимание на крупных потребителей энергии, имеющих мощность более 1 МВт – питательные насосы, тягодутьевые механизмы. Действительно эти объекты имеют большой потенциал энергосбережения, но они не являются темой данной статьи. Хочется обратить внимание читателей на огромное количество потребителей собственных нужд электростанции мощностью менее 300 кВт, имеющих не менее значительный потенциал экономии.

Наиболее типовыми такими объектами являются: дымососы, дутьевые вентиляторы, конденсатные насосы, насосы химического цеха, пылепитатели котлов, питатели сырого угля и др.

Если оснастить двигатели насосов и вентиляторов, например, преобразователями частоты , тогда можно в среднем добиться экономии электроэнергии более чем в 30%. К примеру, на одной крупной электростанции, например ГРЭС, может быть таких объектов более тысячи, что выливается в огромный потенциал энергосбережения!

Рассмотрим каким способом чаще всего сегодня управляются эти механизмы и как можно оптимизировать их работу при помощи современных способов регулирования.

Основные способы управления электродвигателями

Обычно вентиляторы и насосы, используемые в системе собственных нужд электростанции, подключаются напрямую к сети. В случае с насосами для регулирования их производительности используется гидравлическое дросселирование. Для вентиляторов применяют специальные шиберы, направляющие осевые аппараты, двухскоростные двигатели. В обоих случаях регулируется поток жидкости или воздуха за счет его ограничения, сами двигатели работают практически на номинальном режиме.

Для питателей и других механизмов где требуется плавное регулирование скорости зачастую используются двигатели постоянного тока с тиристорным управлением. Недостатком этим механизмов является необходимость их постоянного обслуживания, а именно замена щеток двигателя.

Наиболее распространенными на сегодня современными способами регулирования вращающихся механизмов в энергетике являются преобразователи частоты и гидромуфты. Рассмотрим более подробно каждый из способов регулирования.

Преобразователи частоты

Преобразователи частоты позволяют регулировать скорость вращения электродвигателя за счет изменения входной частоты. Рабочие механизмы не так часто работают при полной нагрузке двигателя, зачастую на выходе насоса или вентилятора устанавливаются заслонки или шиберы для уменьшения расхода воды или воздуха.

В случае с центробежными насосами и вентиляторами снижение рабочей скорости ведет к кубическому снижению электропотребления, что существенно больше по сравнению с классическими методами регулирования. За счет значительной экономии электроэнергии инвестиции в преобразователи частоты окупаются за разумный период.

В общем случае применение преобразователей частоты для управления электродвигателями позволяет сэкономить как минимум 30% электроэнергии по сравнению с традиционными способами управления двигателями. Например, если снизить рабочую частоту всего лишь на 20% (с 50 до 40 Гц), тогда, как это видно на рис.1 , потребление электроэнергии уменьшится вдвое!

Помимо энергосбережения преобразователи частоты увеличивают срок службы электродвигателя и трубопроводной арматуры, повышают надежность всей системы, не требуют технического обслуживания.

Также преобразователи частоты позволяют осуществлять основные технологические задачи: регулирование давления, расхода, температуры, скорости, управление вентиляторами, насосами, компрессорами, конвейерами.

Чаще всего двигатели, используемые на электростанциях, достаточно старые и эксплуатируются уже более 30 лет. Для их работы с преобразователями частоты необходимо устанавливать специальные фильтры на выходе частотного преобразователя. Это могут быть ферритовые кольца, фильтры du/dt или синусоидальные фильтры. Выбор фильтра зависит от длины кабеля от двигателя до преобразователя частоты. Данные фильтры позволяют избежать повреждения двигателей и увеличить их срок службы при работе с преобразователями частоты.

Следует иметь в виду, что установка преобразователей частоты имеет и отрицательные последствия – передача гармонических искажений в сеть. Будучи экспертом в области преобразователей частоты, компания «Данфосс» предлагает эффективные решения для устранения гармонических искажений – пассивные и активные фильтры, 12-пульсные приводы и т.д. Данные решения позволяют улучшать важные параметры питающей сети и уменьшить негативное воздействие на другое оборудование, подключенное к общей сети.

Гидромуфты

Регулирование частоты вращения рабочего колеса насоса при постоянной частоте вращения ротора электродвигателя можно осуществить с помощью гидродинамической передачи (регулируемой гидромуфты).

Рабочими элементами гидромуфты являются колесо центробежного насоса и колесо турбины, размещенные в общем корпусе и предельно сближенные. Рабочее колесо центробежного насоса насажено на ведущий вал (электродвигателя). Колесо турбины закреплено на ведомом валу (валу насоса), соосном с ведущим валом. При вращении ведущего вала рабочая жидкость, находящаяся в каналах колеса насоса, получает приращение механической энергии и передает ее лопаткам колеса турбины. При выходе из колеса турбины рабочая жидкость вновь попадает во всасывающие отверстия колеса насоса, и цикл повторяется. Основным способом регулирования частоты вращения ведомого вала является изменение наполнения рабочего пространства колес гидромуфты жидкостью.

Потери энергии в гидромуфте увеличиваются с уменьшением передаточного числа, т. е. они увеличиваются при возрастании глубины регулирования. Это обстоятельство является недостатком гидравлических муфт. Кроме того, гидравлические муфты конструктивно более сложны, чем насосы, и имеют слишком большие размеры, почти одинаковые с размерами насосов.

Однако, гидромуфты по сравнению с использованием дросселирования позволяют добиваться экономии электроэнергии (10-15% в среднем).

Тягодутьевые механизмы – способы оптимизации работы

Внедрение преобразователей частоты для тягодутьевых механизмов (дымососы, воздуходувки, дутьевые вентиляторы и др.) помимо экономии электроэнергии дает ряд существенных преимуществ по сравнению с управлением при помощи шибера.

За счет применения частотно-регулируемых приводов достигается повышение надежности работы котлоагрегата в целом, за счет уменьшения вероятности выхода из строя и увеличения срока службы тягодутьевых механизмов. Тягодутьевые машины являются механизмами с большим моментом инерции, поэтому при их запуске возникают значительные механические и электрические перегрузки. Все это приводит к преждевременному выходу их из строя, и как следствие, остановке котла. Применение преобразователей частоты позволяет осуществлять запуск данных механизмов практически без перегрузок, что положительно влияет на их надежность и срок службы.

Стоит отметить, что за счет частотно-регулируемых приводов (чрп) достигается уменьшение износа электрооборудования. Пуск мощных тягодутьевых машин характеризуется значительными и довольно длительными пусковыми токами и провалами напряжения. Это приводит к негативному влиянию на электрооборудование и электроприемники котельной. Применение преобразователей частоты позволяет свести пусковые токи к минимуму и практически ликвидировать провалы напряжения.

Применение частотно-регулируемого привода позволяет получить значительную экономию электроэнергии за счет регулирования расхода (до 60%).С помощью преобразователей частоты можно регулировать производительность данного тягодутьевого механизма путём изменения уровня частоты вращения, при этом, поддерживая заданный уровень технологического параметра.

Применение частотно-регулируемого привода уменьшает расход топлива (от 2 до 8%) за счет работы вентиляторов в соответствии с текущей нагрузкой котла.

Так как преобразователи частоты не требует обслуживания достигается снижение трудозатрат на техническое обслуживание оборудования и увеличение срока службы агрегатов.

Преобразователи имеют защиту обмоток электродвигателей от увлажнения с помощью которой осуществляется предварительный нагрев двигателя. Данная особенность позволяет избежать необходимости применения дополнительного обогревательного оборудования.

Для защиты от обледенения необходимо периодически на некоторое время менять направление вращения вентилятора. Использование преобразователей частоты позволяет осуществить это без динамических перегрузок.

Преобразователи частоты «Данфосс» имеют функцию «Подхват вращающегося электродвигателя». Данная функция позволяет при просадке или пропаже напряжения питания быстро включить двигатель избегая дорогостоящих простоев оборудования.

Преобразователи частоты имеют широкий набор коммуникационных возможностей (протоколы и интерфейсы) для подключения к ПЛК или системе управления станции (АСУ ТП). Таким образом, можно повысить уровень автоматизации и оперативно получать данные с оборудования

Опыт «Дальневосточной теплогенерирующей компании»

В 2011 году на объектах тепловых сетей и генерирующих предприятий «Дальневосточной теплогенерирующей компании» были установлены преобразователи частоты на тягодутьевые механизмы.

«За время эксплуатации (с августа 2011г.) преобразователи частоты Danfoss показали себя как надежное оборудование, обладающее высоким КПД, соответствующее самым высоким требованиям. Внедрение преобразователей частоты позволили получить экономию энергии более 25%., снизить нагрузки на двигатели и питающие сети. Помимо этого удалось реализовать удобную систему мониторинга.», - говорит Полушко А.А., начальник ПТС, ОАО «Дальневосточная Генерирующая компания».

Насосы различного назначения – экономия электроэнергии и увеличение срока службы

Чаще всего насосы на электростанциях управляются следующими способами: дроссельная заслонка, постоянный расход, циклическая система, двигатели постоянного тока, гидромуфты.

Применение преобразователей частоты для управления электродвигателями насосов позволяет добиться экономии электроэнергии, увеличения срока службы оборудования и других положительных эффектов. Расмотрим их более подробно.

Использование частотного привода позволяет экономить значительные объемы (более 30%) электроэнергии за счет регулирования скорости электродвигателя. Помимо экономии электроэнергии за счет снижения давления в системе уменьшаются утечки воды, а следовательно экономится перекачиваемая жидкость, до 10%.

Преобразователи частоты позволяют избежать повреждения двигателей, так как за их счет осуществляется плавный пуск и отсутствуют прямые пуски с 6-7 кратными пусковыми токами.

Гибкое управление за счет простоты перенастройки параметров технологического цикла (изменение скорости). Встроенные в преобразователи частоты функции позволяют реализовывать сложные задачи автоматического управления без дополнительных внешних устройств.

Преобразователь частоты имеет ряд встроенных защитных функций для работы с насосами – обнаружение утечек, защита от сухого хода и др. Данные защитные функции увеличиват срок службы насосов и повышают надежность их работы, исключая возможные аварийные остановы.

Частотный привод увеличивает срок службы труб и арматуры. Это достигается за счет плавного пуска и останова насосов,режима заполнения пустой трубы, эти функции позволяют избежать гидравлического удара в системе. Помимо этого, значительно увеличивается надежность работы всей системы в целом.

Использование преобразователей частоты (ПЧ) позволяет добиться увеличения надежности работы всей системы. Снижение риска порыва трубопроводной сети достигается за счёт автоматического поддержания давления в заданных пределах.

Преобразователи частоты не требуют технического обслуживания в отличие от механических задвижек и двигателей постоянного тока. Отсутствие износа механических часте й позволяет повысить надежность оборудования, позволяет избежать аварий и нежелательных простоев оборудования.

Частотные преобразователи имеют широкий набор коммуникационных возможностей (протоколы и интерфейсы) для подключения к ПЛК или системе управления завода (АСУ ТП). Таким образом, можно повысить уровень автоматизации и оперативно получать данные с оборудования.

Например, преобразователи частоты Данфосс были использованы в ТЭЦ Горнолыжного комплекса «Газпром», г. Сочи, Красная поляна. Преобразователи были использованы для управления насосами. Была произведена интеграция частотных преобразователей в САУ верхнего уровня, достигнуто значительное энергосбережение.

Опыт ТГК-11

В 2008 году компанией партнером компании «Данфосс» НПФ «Привод-Сервис» было проведено обследование на предмет внедрения преобразователей частоты и предоставлено заказчику ТЭО на ПНС-1 и ПНС-11 компании ТГК-11. В 2009 году объекты были оснащены частотными преобразователями.

«Полученные результаты измерений показывают, что на ПНС-1 относительное энергосбережение составило 59,5%, на ПНС-11 – 47,2%. Эти цифры свидетельствуют о высокой эффективности выбранного решения. Помимо снижения потребления электроэнергии система регулирования привела к уменьшению избыточного напора насосов, снижению интенсивности износа уплотнений и арматуры», - говорит Гончаров С.В., заместитель директора филиала по производству – главный инженер, ТГК-11.

Управление высоковольтными двигателями
Стоит отдельно отметить насосы, вентиляторы и другие агрегаты оснащенные электродвигателями с напряжением 6 кВ. Использование преобразователей частоты для их управления позволит экономить электроэнергию в случае переменной нагрузки. Для их управления могут использоваться как высоковольтные преобразователи частоты так и низковольтные. Компания «Данфосс» для управления высоковольтными двигателями рекомендует использовать двухтрансформаторную схему. Данная схема предполагает применение двух трансформаторов (повышающего и понижающего), низковольтного преобразователя частоты и оддного или двух синусоидальных фильтров в зависимости от мощности преобразователя. Двухтрансформаторная схема ограничена максимальной мощностью низковольтного преобразователя частоты и экономической целесообразностью подобной схемы (до 1 МВт).

Преимуществами данной схемы по сравнению с высоковольтными преобразователями частоты являются:

двухтрансформаторная схема дешевле в среднем на 30% в диапазоне до 1 МВт
достигается гальваническая развязка за счет применения трансформаторов
проще обслуживание преобразователя частоты, более простой запуск в эксплуатацию, выше надежность.
Также в случае модернизации старых агрегатов, если это возможно, рекомендуется производить замену высоковольтного двигателя на низковольтный.

Гидромуфта или преобразователь частоты, что выбрать?
Попробуем разобраться в преимуществах двух наиболее современных способов управления электродвигателями – преобразователей частоты и гидромуфт.

Для потребителей электростанции с потреблением более 1 МВт и имеющих обычно напряжение питания 6 кВ, наиболее обосновано применение гидромуфт так как по сравнению с высоковольтными преобразователями частоты они существенно дешевле и требуют меньше обслуживания.

Но для низковольтных потребителей мощностью менее 300 кВт наблюдается обратная картина. В данном случае более предпочтительно использовать низковольтные преобразователи частоты, так как они удобнее в эксплутации, дешевле и эффективнее.

Помимо этого есть еще ряд особенностей, связанных с применением преобразователей частоты и гидромуфт.

Одним из преимуществ использования частотно-регулируемого привода является то, что с помощью преобразователя частоты можно управлять несколькими электродвигателями. Например, в случае с насосами за счет встроенной в преобразователи частоты серии VLT AQUA Drive FC200 функции «каскадного контроллера» можно управлять от 3 до 8 насосов одновременно при помощи одного привода. У гидромуфт такой возможности нет. В случае использования гидромуфт на каждый агрегат необходима отдельная гидромуфта, что значительно увеличивает капитальные затраты.

В случае выхода из строя гидромуфты, двигатель останавливается. У частотных преобразователей применяется и реализуется схема с байпасированием. Т.е. при выходе из строя частотного преобразователя двигатель будет переключен на работу от сети автоматически, что значительно повышает надежность работы и не позволит выйти из строя котлу и другому оборудованию, а также позволит избежать простоев.

В отличие от гидромуфт, где со временем происходит механический износ оборудования, в преобразователях частоты исключены поломки механического характера, а значит и выше надежность работы. Преобразователь частоты не требует никакого технического обслуживания, кроме ухода за радиатором в случае работы в загрязненной среде. Гидромуфты же предполагают ряд мероприятий по их техническому обслуживанию, плюс для их работы необходимо подключать воду для охлаждения масла.

В случае использования преобразователя частоты значительно снижаются пусковые токи двигателя, что уменьшает нагрузку на общую сеть и позволяет более стабильно работать другому оборудованию электростанции или котельной. В случае тягодутьевых машин , мощности агрегатов могут достичь больших значений, более 600 кВт, и большие пусковые токи, возникающие при пуске от гидромуфт могут стать причиной отключения других потребителей от сети. При прямом пуске и управлению через гидромуфты пусковые токи достигают пятикратных значений от номинального тока.

Применение частотно-регулируемого привода за счет большого диапазона регулирования (0% - более 100%) позволяет добиться большой плавности и гибкости в регулировании технологического оборудования. Гидромуфты более ограничены в регулировании и позволяют осуществлять только дискретное регулирование.

Стоить отметить, что КПД частотно-регулируемого привода (ЧРП) выше чем у гидромуфт, особенно при низких нагрузках и работе на низких оборотах двигателя. У приводов компании «Данфосс» максимальный КПД может достигать значений до 98%.

Отдельно отметим, что использование преобразователей частоты совместно с асинхронными двигателями переменного тока вместо пары «двигатель постоянного тока и тиристорное управление» является более выгодным так как в данном случае не требуется никакого обслуживания и можно добиться дополнительного энергосбережения.

Таким образом, преобразователи частоты являются более подходящим решением для оптимизации работы потребителей станции, имеющих мощность менее 300 кВт – они удобнее, дешевле и эффективнее!

Управление частотным преобразователем, векторное, скалярное.

Компания Русэлком производит и поставляет преобразователи частоты для управления асинхронными двигателями. Поэтому для понимания принципа частотного управления рассмотрим более детально работу асинхронного двигателя и методы его частотного регулирования

Конструкция асинхронного двигателя схематически изображена на рис. 2. Двигатель состоит из неподвижной части, которая называется статор и подвижной (вращающейся) части называемой ротор.

В пазах статора уложены три группы обмоток А-В-С. Обмотки статора сдвинуты друг относительно друга в пространстве на угол 120°. Это является одним из двух обязательных условий для создания вращающегося магнитного поля статора.

Ротор двигателя изготовлен в виде цельного цилиндра из специальной электротехнической стали с короткозамкнутой обмоткой.

Рис.2. Схематический разрез асинхронного двигателя.

На обмотки статора от источника питания подается трехфазное напряжение uа, uв, uс с частотой

Напряжения uа, uв, uс сдвинуты друг относительно друга по фазе на 120°. Это является вторым обязательным условием для создания вращающегося магнитного поля статора.

При питании обмоток статора электрического двигателя трехфазным напряжением с частотой создается вращающееся магнитное поле. Угловая скорость вращения этого поля в радианах определяется по известной формуле

– число пар полюсов статора.

Переход от угловой скорости вращения поля измеряемой в радианах, к частоте вращения выраженной в оборотах в минуту, осуществляется по следующей формуле

где 60 – коэффициент пересчета размерности.

Подставив в это уравнение скорость вращения поля, получим, что

Из формулы видно, что частота вращения магнитного поля статора зависит от частоты напряжения питания и числа пар полюсов.

К примеру, в двигателе с одной парой полюсов при частоте питающего напряжения 50 Гц частота вращения магнитного поля равна 3000 об/мин.

В синхронном электрическом двигателе частота вращения ротора на установившемся режиме равна частоте вращения магнитного поля статора

В асинхронном электрическом двигателе частота вращения ротора на установившемся режиме отличается от частоты вращения на величину скольжения . Для примера в асинхронном двигателе с одной парой полюсов при частоте питающего напряжения 50 Гц и при скольжении 5% частота вращения ротора равна 2850 об/мин.

Таким образом, частота вращения ротора синхронного и асинхронного двигателей зависит от частоты напряжения питания.

На этой зависимости и основан метод частотного регулирования.

Изменяя с помощью преобразователя частоту на входе двигателя, мы регулируем частоту вращения ротора.

В наиболее распространенном частотно регулируемом приводе на основе асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором применяются скалярное и векторное частотное управление.

При скалярном управлении по определенному закону изменяют амплитуду и частоту приложенного к двигателю напряжения. Изменение частоты питающего напряжения приводит к отклонению от расчетных значений максимального и пускового моментов двигателя, к.п.д., коэффициента мощности. Поэтому для поддержания требуемых рабочих характеристик двигателя необходимо с изменением частоты одновременно соответственно изменять и амплитуду напряжения.

В существующих преобразователях частоты при скалярном управлении чаще всего поддерживается постоянным отношение максимального момента двигателя к моменту сопротивления на валу. То есть при изменении частоты амплитуда напряжения изменяется таким образом, что отношение максимального момента двигателя к текущему моменту нагрузки остается неизменным. Это отношение называется перегрузочная способность двигателя.

При постоянстве перегрузочной способности номинальные коэффициент мощности и к.п.д. двигателя на всем диапазоне регулирования частоты вращения практически не изменяются.

Максимальный момент, развиваемый двигателем, определяется следующей зависимостью

где - постоянный коэффициент.

Поэтому зависимость напряжения питания от частоты определяется характером нагрузки на валу электрического двигателя.

Для постоянного момента нагрузки поддерживается отношение U/f = const, и, по сути, обеспечивается постоянство максимального момента двигателя. Характер зависимости напряжения питания от частоты для случая с постоянным моментом нагрузки изображен на рис. 2. Угол наклона прямой на графике зависит от величин момента сопротивления и максимального крутящего момента двигателя.

Вместе с тем на малых частотах, начиная с некоторого значения частоты, максимальный момент двигателя начинает падать. Для компенсации этого и для увеличения пускового момента используется повышение уровня напряжения питания.

В случае вентиляторной нагрузки реализуется зависимость U/f² = const. Характер зависимости напряжения питания от частоты для этого случая показан на рис.3. При регулировании в области малых частот максимальный момент также уменьшается, но для данного типа нагрузки это некритично.

Используя зависимость максимального крутящего момента от напряжения и частоты, можно построить график U от f для любого типа нагрузки.

Важным достоинством скалярного метода является возможность одновременного управления группой электродвигателей.

Скалярное управление достаточно для большинства практических случаев применения частотно регулируемого электропривода с диапазоном регулирования частоты вращения двигателя до 1: 40.

Векторное управление позволяет существенно увеличить диапазон управления, точность регулирования, повысить быстродействие электропривода. Этот метод обеспечивает непосредственное управление вращающим моментом двигателя.

Вращающий момент определяется током статора, который создает возбуждающее магнитное поле. При непосредственном управлении моментом необходимо изменять кроме амплитуды и фазу статорного тока, то есть вектор тока. Этим и обусловлен термин «векторное управление».

Для управления вектором тока, а, следовательно, положением магнитного потока статора относительно вращающегося ротора требуется знать точное положение ротора в любой момент времени. Задача решается либо с помощью выносного датчика положения ротора, либо определением положения ротора путем вычислений по другим параметрам двигателя. В качестве этих параметров используются токи и напряжения статорных обмоток.

Менее дорогим является частотно регулируемый электропривод с векторным управлением без датчика обратной связи скорости, однако векторное управление при этом требует большого объема и высокой скорости вычислений от преобразователя частоты.

Кроме того, для непосредственного управления моментом при малых, близких к нулевым скоростям вращения работа частотно регулируемого электропривода без обратной связи по скорости невозможна.

Векторное управление с датчиком обратной связи скорости обеспечивает диапазон регулирования до 1:1000 и выше, точность регулирования по скорости – сотые доли процента, точность по моменту – единицы процентов.

В синхронном частотно регулируемом приводе применяются те же методы управления, что и в асинхронном.

Однако в чистом виде частотное регулирование частоты вращения синхронных двигателей применяется только при малых мощностях, когда нагрузочные моменты невелики, и мала инерция приводного механизма. При больших мощностях этим условиям полностью отвечает лишь привод с вентиляторной нагрузкой. В случаях с другими типами нагрузки двигатель может выпасть из синхронизма.

Для синхронных электроприводов большой мощности применяется метод частотного управления с самосинхронизацией, который исключает выпадение двигателя из синхронизма. Особенность метода состоит в том, что управление преобразователем частоты осуществляется в строгом соответствии с положением ротора двигателя.

Коротко о ЧРП

Современный частотно-регулируемый электропривод состоит из асинхронного или синхронного электрического двигателя и преобразователя частоты (см. рис.1.).

            Электрический двигатель преобразует электрическую энергию в механическую энергию и приводит в движение исполнительный орган технологического механизма.

            Преобразователь частоты управляет электрическим двигателем и представляет собой электронное статическое устройство. На выходе преобразователя формируется электрическое напряжение с переменными амплитудой и частотой.

            Название «частотно- регулируемый электропривод» обусловлено тем, что регулирование скорости вращения двигателя осуществляется изменением частоты напряжения питания, подаваемого на двигатель от преобразователя частоты.

            На протяжении последних 20 –25 лет в мире наблюдается широкое и успешное внедрение частотно регулируемого электропривода для решения различных технологических задач во многие отрасли экономики. Это объясняется в первую очередь разработкой и созданием преобразователей частоты на принципиально новой элементной базе, главным образом на биполярных транзисторах с изолированным затвором IGBT.

            В настоящей статье коротко описаны известные сегодня типы преобразователей частоты, применяемые в частотно регулируемом электроприводе, реализованные в них методы управления, их особенности и характеристики.

            При дальнейших рассуждениях будем говорить о трехфазном частотно- регулируемом электроприводе, так как он имеет наибольшее промышленное применение.

О методах управления асинхронным двигателем

            Компания Русэлком производит и поставляет преобразователи частоты для управления асинхронными двигателями. Поэтому рассмотрим более детально работу асинхронного двигателя и методы его частотного регулирования

            Конструкция асинхронного двигателя схематически изображена на рис. 2. Двигатель состоит из неподвижной части, которая называется статор и подвижной (вращающейся) части называемой ротор.

            В пазах статора уложены три группы обмоток А-В-С. Обмотки статора сдвинуты друг относительно друга в пространстве на угол 120°. Это является одним из двух обязательных условий для создания вращающегося магнитного поля статора.

            Ротор двигателя изготовлен в виде цельного цилиндра из специальной электротехнической стали с короткозамкнутой обмоткой.

Применение частотного регулирования электродвигателя насоса для привода исполнительного оборудования Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

_МЕЖДУНАРОДНЫЙ НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ «СИМВОЛ НАУКИ» №11-3/2016 ISSN 2410-700Х_

УДК 62-523.3

А.В. Кожухова,

к.т.н, доцент

ФБГОУ ВО «Донской государственный технический университет» ДГТУ

г. Ростов-на-Дону, Россия Худокормов В.В., магистрант гр. УМГА-11 ФБГОУ ВО «Донской государственный технический университет» ДГТУ

г. Ростов-на-Дону, Россия

ПРИМЕНЕНИЕ ЧАСТОТНОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ НАСОСА ДЛЯ ПРИВОДА ИСПОЛНИТЕЛЬНОГО ОБОРУДОВАНИЯ

Аннотация

Применение электродвигателей с частотным регулированием гидравлических насосов для привода исполнительного оборудования позволяет снизить энергопотребление в рабочем цикле при его работе.

Ключевые слова

Частотное регулирование, дроссельное регулирование, объемное регулирование, электродвигатель,

гидравлический насос, энергопотребление.

Выполнен анализ работы прессов, применяемых для сращивания древесины по длине, выполненных с различным конструктивным решением исполнительных механизмов. На этой основе установлено, что в рабочем цикле шток гидроцилиндра осуществляет прямой ход, при котором совершается процесс сжатия древесины и когда процесс сжатия заготовки завершается шток гидроцилиндра может совершать ускоренное движение в обратном направлении.

Известно, что при сжатии шток гидроцилиндра должен двигаться с некоторой допустимой скоростью и уровнем давления для обеспечения необходимого качества в процессе сращивания заготовок (чтобы не повредить соединение и чтобы оно было надежным в будущем), а при обратном направлении штока, его скорость должна быть максимальной. На основании изложенного, целью данного исследования является повышение производительности работы гидравлического пресса, применяемого для сращивания древесины по длине.

Для достижения поставленной цели необходимо решить задачу - выполнить анализ известных способов управления скоростью движения исполнительного элемента пресса и выбрать такой способ, у которого уровень энергопотребления является минимальным и при этом обеспечивается высокое качество сращивания древесины по длине.

Существуют три распространенных способа регулирования скорости - дроссельный, объемный и частотный, основанный на изменении частоты вращения вала электродвигателя, связанного с валом насоса [1, с. 87], [2, с. 82], [3, с. 94]. Дроссельный способ регулирования скорости гидравлических двигателей характеризуется изменением величины жидкости подаваемой к потребителю потока рабочей среды через прохождение ее через суживающиеся каналы. Для этого используются аппараты регулирования расхода в виде дросселя. Насосы в виде источников энергии, используются, как правило, нерегулируемые.

Рисунок 1 - Схемы дроссельного регулирования скорости движения гидравлических двигателей

_МЕЖДУНАРОДНЫЙ НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ «СИМВОЛ НАУКИ» №11-3/2016 ISSN 2410-700Х_

На рис. 1 представлены две схемы дроссельного регулирования скорости (с последовательным и с параллельным соединением дросселя и насоса). В первом случае часть жидкости расходуется на преодоление сопротивления

дросселя, то есть ее основная часть уходит через клапан в сливной бак, а значит, мы теряем некоторую часть расхода жидкости и соответственно мощности насоса. Теоретически это можно представить так:

@др Q н @кл Qц = Qдр

Nn = Qnx Рц % = РцХ (Qh - Qкл)

где Qдр, QH, Q^ Qrn - соответственно, объемы рабочих камер дросселя, насоса, цилиндра, клапана.ц = Рц х - QДр)

Следовательно, потери мощность в гидросистеме возникают при открытии дросселя, то есть при снижении скорости перемещения штока гидроцилиндра. Недостатком такого регулирования, в первом случае, является

то, что энергия потока рабочей жидкости расходуется на проталкивание ее через рабочие щели регулирующих аппаратов и за счет этого переходит в тепловую энергию.

В результате этого происходит нагрев рабочей жидкости ее испарение и снижение смазывающей способности. Во второй схеме принцип остается тот

же. В обоих случаях это выражаются в снижении КПД гидросистемы. Эти

недостатки ограничивают область применения дроссельного регулирования.

Объемный способ регулирования скорости гидроцилиндра характеризуется применением регулируемых насосов.ц = Рц х Сц = Рн х Qн

Этот способ является более эффективный по сравнению с дроссельным.

Но для реализации такой гидравлической системы требуется установка дорогостоящего насоса с объемным регулированием.

Рисунок 2 - Схема объемного регулирования скорости движения гидравлических двигателей

_МЕЖДУНАРОДНЫЙ НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ «СИМВОЛ НАУКИ» №11-3/2016 ISSN 2410-700Х_

Чтобы уменьшить влияния этих недостатков можно использовать регулирование частоты вращения вала насоса на основе частотного способа регулирования вала электродвигателя. Применение регулируемого электродвигателя обеспечивает решение проблемы энергосбережения и, в свою очередь, это позволяет получать новые качества для устройств с такими двигателями. При применении этого способа на выходе насоса можно поддерживать давление близкое к постоянной величине и регулировать расход

жидкости на входе в гидроцилиндр. При использовании этого способа регулирования получается, что объем камеры величина постоянная, изменяется

лишь частота вращения вала двигателя и тогда мощность определяется по формуле:

N = VH х Рн х пн Где Пн - частота вращения вала двигателя.

На сегодняшний день, доступным становится частотное регулирование асинхронного двигателя, приводящего в движение, например, вал насоса. Перспективность частотного регулирования наглядно показано на рис. 3.

0 0,25 0,5 0.75 1,0

Рисунок 3 - График сравнения способов регулирования

Применение регулируемого электродвигателя для привода насоса позволяет управлять расходом и давлением жидкости, что обеспечит не только экономию электроэнергии, но и повышает ресурс работы жидкости и гидросистемы в целом. Современные преобразователи частоты состоит из следующих основных частей: звена постоянного тока (неуправляемого выпрямителя), силового импульсного инвертора и системы управления. Звено постоянного тока состоит из неуправляемого выпрямителя и фильтра. Переменное напряжение питающей сети преобразуется в нем в напряжение постоянного тока.

Применение электродвигателей с частотным способом регулированием вала гидравлических насосов в прессах позволяет решить следующее. Во-первых решить проблему снижения энергопотребления, а во-вторых, повысить производительность процесса сращивания древесины по длине с одновременным повышением качества изделий из древесины.

Список использованной литературы:

1. Кожухова А.В. Математическая модель объемных потерь в объемно-роторной гидромашине при насосном и частотном управлении. Успехи современной науки и образования. 2016. Т5. №7.С.86-89.

2. Кожухова А.В. Сравнительный анализ способов регулирования скорости движения выходного звена объемного гидропривода. Успехи современной науки и образования. 2016. Т3. №6.С.81-84.

3. Кожухова А.В. Математическая модель объемного гидропривода с частотным управлением. Наука и мир. 2016.Т1. №5 (33). С.92-96.

©Кожухова А.В., Худокормов В.В., 2016

Изменение частоты напряжения

Отклонение от номинального напряжения:

В соответствии с NEMA MG 1, 12.44 двигатели должны успешно работать в рабочих условиях при номинальной нагрузке с колебаниями напряжения до следующих процентов от номинального напряжения:

1. Универсальные двигатели, кроме двигателей вентиляторов - плюс-минус 6 процентов (при номинальной частоте).
2. Асинхронные двигатели - плюс-минус 10 процентов (с номинальной частотой).

Характеристики при этих колебаниях напряжения не обязательно будут соответствовать стандартам, установленным для работы при номинальном напряжении.

Отклонение от номинальной частоты:

Двигатели переменного тока должны успешно работать в рабочих условиях при номинальной нагрузке и номинальном напряжении с изменением частоты до 5 процентов выше или ниже номинальной частоты. Характеристики в пределах этого изменения частоты не обязательно будут соответствовать стандартам, установленным для работы на номинальной частоте.

Комбинированное изменение напряжения и частоты:

Двигатели переменного тока должны успешно работать в рабочих условиях при номинальной нагрузке с комбинированным изменением напряжения и частоты до 10 процентов выше или ниже номинального напряжения и номинальной частоты, при условии, что изменение частоты не превышает 5 процентов. Характеристики в этом комбинированном варианте не обязательно будут соответствовать стандартам, установленным для работы при номинальном напряжении и номинальной частоте.

Влияние колебаний напряжения и частоты на работу асинхронных двигателей:

1. Асинхронные двигатели время от времени работают в цепях напряжения или частоты, отличных от тех, на которые они рассчитаны. В таких условиях характеристики двигателя будут отличаться от номинальных. Ниже приводится краткое изложение некоторых эксплуатационных результатов, вызванных небольшими изменениями напряжения и частоты, и указывающее на общие изменения, вызванные такими изменениями в рабочих условиях.
2. При увеличении или уменьшении напряжения на 10 процентов по сравнению с указанным на паспортной табличке, нагрев при номинальной мощности нагрузки может увеличиться. Такая работа в течение продолжительных периодов времени может ускорить разрушение системы изоляции.
3. В двигателе с нормальными характеристиками при полной номинальной нагрузке в лошадиных силах 10-процентное увеличение напряжения по сравнению с указанным на паспортной табличке обычно приводит к значительному снижению коэффициента мощности. Снижение напряжения на 10 процентов ниже указанного на паспортной табличке обычно приводит к увеличению коэффициента мощности.
4. Заторможенный ротор и момент пробоя будут пропорциональны квадрату приложенного напряжения.
5. Увеличение напряжения на 10 процентов приведет к уменьшению скольжения примерно на 17 процентов, в то время как уменьшение на 10 процентов увеличит скольжение примерно на 21 процент. Таким образом, если скольжение при номинальном напряжении составляло 5 процентов, оно увеличилось бы до 6,05 процента, если напряжение снизилось на 10 процентов.
6. Частота выше номинальной обычно улучшает коэффициент мощности, но снижает крутящий момент заторможенного ротора и увеличивает скорость, трение и потери на ветер.При частоте ниже номинальной скорость уменьшается, крутящий момент заторможенного ротора увеличивается, а коэффициент мощности уменьшается. Для определенных видов нагрузки двигателя, например, на текстильных фабриках, необходимо точное регулирование частоты.
7. Если изменение напряжения и частоты происходит одновременно, эффект будет наложен. Таким образом, если напряжение высокое, а частота низкая, крутящий момент заторможенного ротора будет значительно увеличен, но коэффициент мощности будет уменьшен, а повышение температуры увеличится при нормальной нагрузке.
8. Изложенное выше относится, в частности, к двигателям общего назначения. Они не всегда могут быть верными в отношении двигателей специального назначения, построенных для определенной цели или применительно к очень маленьким двигателям.

Работа универсальных многофазных 2-, 4- и 8-полюсных асинхронных двигателей переменного тока общей мощностью 60 Гц, работающих на частоте 50 Гц:

В то время как универсальные многофазные 2-, 4-, 6- и 8-полюсные асинхронные двигатели переменного тока с частотой 60 Гц не предназначены для работы на частоте 60 Гц в цепях с частотой 50 Гц, они могут удовлетворительно работать на частоте 50 Гц. цепей, если их номинальное напряжение и мощность в лошадиных силах соответственно уменьшены.Когда такие двигатели с частотой 60 Гц работают в цепях с частотой 50 Гц, подаваемое напряжение на частоте 50 Гц должно быть уменьшено до 5/6 от номинальной мощности двигателя в 60 Гц.

Когда двигатель 60 Гц работает от 50 Гц при напряжении 5/6 от 60 Гц и номинальной мощности л.с. , другие рабочие характеристики для режима 50 Гц следующие:

1. Скорость
   Синхронная скорость будет составлять 5/6 от синхронной скорости 60 Гц, а скольжение будет составлять 6/5 от скольжения 60 Гц.
2. Torque
   Номинальный момент нагрузки в фунт-футах будет примерно таким же, как номинальный момент нагрузки 60 Гц в фунт-футах. Крутящий момент с заторможенным ротором и крутящий момент срабатывания в фунт-футах двигателей с частотой 50 Гц будет примерно таким же, как у двигателей с заторможенным ротором с частотой 60 Гц, и крутящие моменты срабатывания в фунт-футах.
3. Ток заторможенного ротора
   Ток заторможенного ротора (ампер) будет примерно на 5 процентов меньше, чем ток заторможенного ротора 60 Гц (амперы).Буквенный код на паспортной табличке двигателя, обозначающий, что кВА с заторможенным ротором на одну лошадиную силу, относится только к номинальной мощности двигателя 60 Гц.
4. Коэффициент обслуживания
   Коэффициент обслуживания будет 1,0.
5. Повышение температуры
   Повышение температуры не должно превышать 90 ^° C.

Влияние напряжения свыше 600 В на работу низковольтных двигателей:

Многофазные двигатели обычно изготавливаются для номинального напряжения 575 вольт или меньше и, как ожидается, будут удовлетворительно работать при изменении напряжения на плюс или минус 10 процентов.Это означает, что двигатели с таким уровнем изоляции могут успешно применяться до рабочего напряжения 635 вольт.

На основании испытаний, проведенных производителями двигателей с высоким потенциалом, и эксплуатационных характеристик в полевых условиях, было обнаружено, что там, где рабочее напряжение превышает 635 вольт, коэффициент безопасности изоляции снижается до уровня, несовместимого с надлежащими инженерными процедурами.

Ввиду вышеизложенного, двигатели с этим уровнем изоляции не должны применяться в энергосистемах с заземленной нейтралью или без нее, где напряжение превышает 630 вольт, независимо от используемого подключения двигателя.

Стандарты и нормы | TOPMOTORS

---

Правила ЕС

В ЕС действуют следующие Директивы по экодизайну (директивы по созданию основы для установления требований к экологически безопасному проектированию энергетических продуктов) для двигателей, насосов и вентиляторов:

Электродвигатели Ecodesign (Постановление ЕС № 640/2009)
С 1 января 2015 года двигатели мощностью 7,5 кВт и более, а с 2017 года все двигатели типоразмера от 0.75–375 кВт должны соответствовать премиальному классу эффективности IE3. Однако двигатели с классом эффективности IE2 все еще могут продаваться, если они работают вместе с частотно-регулируемым приводом (VFD). С помощью частотно-регулируемого привода скорость двигателя можно регулировать в зависимости от нагрузки, чтобы всегда обеспечивать оптимальную эффективность. Это означает, что потребление энергии может быть значительно снижено, если двигатель работает с разными скоростями и нагрузками. Скачать

25 октября 2019 года Европейский Союз объявил о повышении минимальных требований к энергоэффективности для электродвигателей и преобразователей частоты.Требования нового Регламента (ЕС) № 1781/2019 вступят в силу 1 июля 2021 года. Скачать

Циркуляционные насосы Ecodesign (Регламент ЕС № 641/2009)
С 1 августа 2015 года требуется индекс энергоэффективности (EEI) 0,23 для автономных циркуляционных насосов с мокрым ротором и циркуляционных насосов с мокрым ротором, встроенных в изделия мощностью от 1 до 2500 Вт с гидравлическим приводом. мощность. Скачать

Водяные насосы Ecodesign (Регламент ЕС № 547/2012)
С 1 января 2015 года водяные насосы должны соответствовать требуемой эффективности гидравлического насоса в оптимальной рабочей точке с индексом минимальной эффективности (MEI), равным 0.4. Скачать

Вентиляторы Ecodesign (Регламент ЕС № 327/2011)
С 1 января 2015 года вентиляторов с потребляемой электрической мощностью от 125 Вт до 500 кВт должны соответствовать минимальным требованиям к энергоэффективности второго уровня. Скачать

Оптимизированная работа с преобразователями частоты

Для многих типов приложений точное управление скоростью и крутящим моментом имеет решающее значение в повседневной работе. Например, точное управление скоростью может быть необходимо для адаптации конвейерной ленты к остальному процессу, а возможность регулировки производительности насоса может обеспечить значительную экономию энергии.В то же время возможность управления скоростью может улучшить рабочую среду за счет гашения шума и вибрации и уменьшения механической нагрузки на двигатель.

Преобразователь частоты, также называемый ЧРП (частотно-регулируемый привод), часто оказывается оптимальным решением для регулирования скорости приложения, приводимого в действие электродвигателем. Преобразователь частоты преобразует переменный ток из сети в постоянный, а затем обратно в переменный ток с регулируемой частотой и напряжением, что позволяет двигателю работать с желаемым крутящим моментом и числом оборотов.

Экономия энергии до 50 процентов

При использовании преобразователя частоты обычно достигается лучшее и более эффективное управление, чем при гидравлическом или механическом регулировании. Вместо того, чтобы двигатель работал на полную мощность и использовал такое оборудование, как клапаны или зубчатые передачи для управления скоростью и крутящим моментом, двигатель, подключенный к преобразователю частоты, потребляет ровно столько энергии, сколько требуется для процесса. В определенных типах применений, таких как центробежные вентиляторы и насосы, это может обеспечить экономию энергии почти на 50 процентов.

«Например, более энергоэффективно управлять центробежным насосом путем регулирования оборотов двигателя с помощью преобразователя частоты, чем использование клапанов для регулирования объема жидкости. В то же время это приводит к меньшему износу, а преобразователь также может обеспечить более мягкий пуск и остановку в качестве альтернативы устройству плавного пуска », - говорит Клаус Балле Томсен, менеджер по продукции Hoyer Drives & Controls.

Соединительный элемент для интеллектуального управления

Еще одним важным преимуществом преобразователей частоты является то, что они могут быть адаптированы для сбора таких данных, как температура и вибрации двигателя, с помощью датчиков.Их можно использовать для контроля состояния двигателя и создания возможностей для более интеллектуального управления приложениями и профилактического обслуживания. Это также позволяет отслеживать работу через облачное решение и, в некоторых случаях, устранять неполадки, не присутствуя физически в производственной среде.

«На вашем ноутбуке можно получать такую ​​информацию, как часы работы и показания энергии, которые, например, можно использовать для диагностики изношенного оборудования за счет увеличения энергопотребления. Таким образом можно предотвратить выход из строя приложения, которое необходимо обслуживать раньше, чем планировалось, и отложить обслуживание приложений, находящихся в хорошем состоянии.Преобразователь также может изменить направление вращения двигателя и тем самым освободить заблокированный насос, если что-то застряло в корпусе насоса. Все эти функции могут помочь улучшить время безотказной работы », - объясняет Клаус Балле Томсен.

Обращение к источникам шума

Преобразователь частоты может быть встроен в двигатель (см. Видео) или подключен через кабель. Во время установки важно учитывать множество различных проблем. Преобразователь частоты может, среди прочего, создавать различные типы помех, акустический шум, гармонические помехи в сети и шум ЭМС, также называемый электромагнитной совместимостью, который может влиять на радиооборудование и передачу данных.

«Помехи от преобразователя частоты следует ограничивать с помощью фильтров и экранированных кабелей, чтобы установка соответствовала требованиям ЭМС. По этой причине при выборе преобразователей частоты всегда следует обращаться за профессиональной консультацией. Сервисный переключатель для механического обслуживания может, например, быть встроен в преобразователь, чтобы избежать типичного источника неисправности ЭМС и, в то же время, добиться экономии затрат на установку. Со стороны Хойера мы можем предоставить рекомендации по правильному экранированию и снабдить двигатель соответствующими фильтрами ЭМС, чтобы он был готов к правильному подключению вместе с преобразователем частоты », - говорит Клаус Балле Томсен.

Hoyer Drives & Controls - факты

• С созданием компании Hoyer Drives & Controls компания Hoyer Motors теперь может предложить комплексное решение, охватывающее как двигатель, так и преобразователь частоты.
• Предлагаются решения с комбинированным двигателем и частотно-регулируемым приводом от 0,37 до 1800 кВт.
• Основное внимание уделяется OEM-решениям, в которых частотно-регулируемый привод либо интегрирован с двигателем, либо поставляется как отдельный автономный блок с высокими классами защиты (IP), либо устанавливается в шкаф.
• Hoyer Motors работает с ведущими производителями преобразователей частоты, такими как Schneider Electric и Kostal Inveor.Предлагаются отраслевые решения.

Узнайте больше о Hoyer Drives & Controls здесь.

Какая у вас частота? | Groschopp

Нам часто задают вопрос: «Может ли двигатель, рассчитанный на 60 Гц, работать при 50 Гц (или наоборот)?» При работе двигателя с частотой, отличной от частоты, указанной на паспортной табличке, может возникнуть несколько проблем.

В нашем предыдущем блоге «Основы двигателя переменного тока» мы объяснили, что синхронная скорость двигателя переменного тока определяется двумя факторами: числом полюсов двигателя и частотой входной мощности двигателя.Для данного двигателя количество полюсов не может быть изменено, потому что оно определяется физической конструкцией двигателя. Частота потребляемой мощности чаще всего определяется системой распределения электроэнергии в стране, в которой используется двигатель. Наиболее распространенные частоты - 50 Гц и 60 Гц.

Уменьшение частоты двигателя переменного тока снижает его скорость. В двигателях переменного тока с вентиляторным охлаждением более низкая скорость может означать, что вентилятор также не охлаждает двигатель. Это может означать, что длительный номинальный рабочий крутящий момент двигателя также уменьшится.Более медленный двигатель также означает, что его номинальная мощность снизится.

Другой важный параметр, который изменяется при изменении частоты, - это отношение вольт к герцам. Двигатели переменного тока предназначены для работы с определенным соотношением В / Гц. В двигателе переменного тока сопротивление изменяется при изменении частоты. Если напряжение остается постоянным, а сопротивление уменьшается, тогда ток будет увеличиваться. Повышенный ток может обеспечить больший крутящий момент, но это также вызовет большие резистивные потери в двигателе, что может привести к его перегреву.Точно так же, если напряжение остается постоянным, а сопротивление увеличивается, тогда ток будет уменьшаться. Пониженный ток означает, что двигатель будет иметь меньший крутящий момент. Чтобы избежать обеих этих ситуаций, следует поддерживать постоянное соотношение В / Гц. Это принцип работы многих частотно-регулируемых приводов. Поддерживая постоянное соотношение В / Гц, ток, потребляемый двигателем, остается неизменным, и двигатель может поддерживать крутящий момент при различных скоростях. Это также означает, что двигатель, рассчитанный на 240 В переменного тока, 60 Гц (В / Гц = 240/60 = 4), может работать при 200 В переменного тока, 50 Гц (В / Гц = 200/50 = 4).

По возможности следует выбирать двигатель, который рассчитан на частоту мощности страны, в которой двигатель будет работать. Если двигатель должен работать при 50 Гц и 60 Гц, многие производители, включая Groschopp, делают двигатели, которые рассчитаны на обеих частотах. Кроме того, как мы видели выше, хотя в определенных ситуациях можно запустить двигатель на более высокой или более низкой частоте, чем та, на которую он рассчитан, это не всегда практично из-за изменений крутящего момента, потребляемого тока и потерь в двигателе.

Электродвигатели | Европейская комиссия

Электродвигатель обычно определяется как устройство, преобразующее электрическую энергию в механическую энергию в форме вращения (крутящий момент и скорость).

В ЕС используется около 8 миллиардов электродвигателей, которые потребляют почти 50% электроэнергии, производимой ЕС.

Этот сектор очень неоднороден, со значительным разнообразием технологий, приложений и размеров, начиная от крошечных двигателей, таких как приводящие в движение охлаждающие вентиляторы в компьютерах, до огромных двигателей в тяжелой промышленности.

Требования к экодизайну

Правила экодизайна электродвигателей обязательны для всех производителей и поставщиков, желающих продавать свою продукцию в ЕС.

Действующий Регламент по экодизайну электродвигателей (ЕС) № 640/2009 распространяется на односкоростные, трехфазные 50 Гц или 50/60 Гц асинхронные двигатели со следующими характеристиками

• от 2 до 6 полюсов
• номинальная мощность от 0,75 кВт до 375 кВт
• номинальное напряжение до 1000В
• рассчитан на непрерывный режим работы

Энергоэффективность электродвигателя рассчитывается как отношение механической выходной мощности к входной электрической мощности.Уровень энергоэффективности выражается в Международных классах энергоэффективности (IE), IE1 - это более низкий класс, а IE4 - самый высокий. Согласно действующему регулированию, двигатели должны достигать уровня эффективности IE3 или соответствовать IE2 и быть оснащены приводом с регулируемой скоростью, электрическим устройством, которое регулирует скорость двигателя.

Некоторые двигатели, разработанные для определенных условий, не подпадают под действие этих правил, например, те, которые погружены в жидкость, например, в канализационных системах.

Новые требования к экодизайну с июля 2021 года

С июля 2021 года действующее постановление будет отменено и заменено Положением об электродвигателях и приводах с регулируемой скоростью (ЕС) 2019/1781.Согласно новым правилам, несколько асинхронных двигателей, которые ранее не рассматривались, будут регулироваться, в том числе

• меньшие двигатели мощностью от 120 до 750 Вт
• более мощных двигателей от 375 кВт до 1000 кВт
• Двигатели 60 Гц, 8-полюсные двигатели и однофазные двигатели (последние только по состоянию на июль 2023 г.)

Уровень требований, кроме того, увеличится, поскольку трехфазные двигатели с номинальной мощностью от 0,75 кВт до 1000 кВт или ниже должны достичь уровня IE3 к июлю 2021 года.Двигатели мощностью от 75 до 200 кВт должны соответствовать уровню IE4 с июля 2023 года.

Регламент также будет регулировать эффективность приводов с регулируемой скоростью, и обе группы продуктов будут зависеть от требований к информации, таких как эффективность в различных точках нагрузки с точки зрения скорости и крутящего момента. Это поможет инженерам оптимизировать эффективность всей системы.

Как и в предыдущем постановлении, некоторые двигатели, разработанные для определенных условий, исключаются или получают более благоприятные условия.

Обратите внимание, что Регламент (ЕС) 2019/1781 проходит процедуру внесения поправок. Государства-члены положительно проголосовали за проект поправки к экодизайну.

Экономия энергии

Более эффективный двигатель может сэкономить от нескольких евро до нескольких десятков тысяч евро в течение срока его службы, в зависимости от его мощности и схемы использования.

Более эффективные двигатели в соответствии с действующим законодательством принесут 57 ТВтч ежегодной экономии энергии в ЕС к 2020 году.Принимая во внимание общий эффект пересмотренных правил, годовая экономия увеличится до 110 ТВтч к 2030 году, что эквивалентно потреблению электроэнергии в Нидерландах. Это означает, что ежегодно будет предотвращаться 40 миллионов тонн выбросов CO2 и что к 2030 году ежегодные счета за электроэнергию домохозяйств и промышленности в ЕС будут сокращены примерно на 20 миллиардов евро.

Сопряжение новых частотно-регулируемых приводов с существующими двигателями

Двигатели, подключенные к частотно-регулируемым приводам, получают питание с изменяемой основной частотой, несущей частотой и очень быстрым нарастанием напряжения.Эти факторы могут иметь негативные последствия, особенно при использовании существующих двигателей.

Существует ряд потенциальных проблем, которые могут стать реальными при использовании частотно-регулируемого привода (ЧРП) для питания существующего асинхронного двигателя. Таким образом, вам следует провести тщательное исследование, чтобы определить, могут ли эти проблемы быть достаточно серьезными, чтобы вызвать пересмотр такой установки. С частотно-регулируемым приводом существующий двигатель, у которого обычно осталось несколько лет эксплуатации, может внезапно выйти из строя.

Существующие двигатели рассчитаны только на работу с частотой 60 Гц, только 50 Гц или 60/50 Гц. Таким образом, вы должны задаться вопросом, может ли новый VFD соответствовать вашему существующему двигателю, и при этом он будет работать достаточно хорошо. Другими словами, сможет ли двигатель справиться с дополнительными факторами, которые могут вызвать большую вибрацию, повышение температуры и т. Д., А также возможное усиление слышимого шума?

Высокие частоты могут вызывать проблемы

Вы должны знать о возможных побочных эффектах, вызванных высокой частотой импульсов при подключении частотно-регулируемого привода к существующему двигателю.Эти негативные эффекты включают дополнительный нагрев, слышимый шум и вибрацию. Кроме того, схема широтно-импульсной модуляции (ШИМ) (см. Врезку «Основы приводов с регулируемой скоростью» на стр. 38), которая вызывает высокую скорость нарастания напряжения несущей частоты, может вызвать пробой изоляции концевых витков обмоток двигателя, поскольку а также изоляция питающего кабеля.

Несущая частота, побочный продукт получения тока на переменной основной частоте, является причиной наличия дополнительных ватт в двигателе; эта мощность, по сути, представляет собой потерянную энергию, которая нагревает двигатель.Величина таких потерь варьируется в зависимости от конструкции статора и ротора двигателя и частоты несущей волны.

На частотах, отличных от основной, двигатель работает с очень большим проскальзыванием и, следовательно, работает несколько неэффективно. (Скольжение - это разница между скоростью вращения магнитного поля статора [синхронной скоростью асинхронного двигателя] и скоростью ротора.) Кроме того, ротор разрезает многочисленные линии магнитного потока; это явление производит дополнительные ватты и дополнительное тепло.(Обратите внимание, что высокочастотные колебания тока имеют низкую величину, а дополнительное тепло на 5-10% выше, чем от чистой синусоидальной волны).

Синхронная скорость четырехполюсного двигателя, работающего от сети 60 Гц, составляет 1800 об / мин. В этом же двигателе, если учесть «обертоны» или пульсации основной частоты тока, вызванные несущей частотой напряжения 4 кГц, через него будет протекать ток, основанный на этой высокой частоте. Таким образом, ротор четырехполюсного двигателя с частотой 60 Гц (с номинальной скоростью при полной нагрузке 1750 об / мин), питаемый от частотно-регулируемого привода, настроенного на выходную частоту 10 Гц, будет вращаться с 1/6 номинальной скорости.Если требования к крутящему моменту нагрузки постоянны при скоростях от низкой до полной, частота вращения скольжения остается постоянной. (Для получения дополнительной информации о скольжении см. «Термины, которые следует знать» на странице 38 и «Некоторые основы двигателя» на странице 46.) Для указанного выше двигателя, который работает с частотой 10 Гц, вал будет вращаться со скоростью 250 об / мин. .

Ротор, вращаясь со скоростью 250 об / мин и пересекая линии потока (магнитного поля) на основе основной частоты 10 Гц и синхронной скорости 300 об / мин (1/6 от 1800 об / мин), также пересекает линии магнитного потока из-за несущая частота напряжения 4 кГц.Синхронная скорость при 4 кГц составляет 120 000 об / мин ([120 x 4000] [деленное на] 4).

Исходя из синхронной скорости 120000 об / мин и скорости вала 250 об / мин, вы можете видеть, что магнитные линии потока, отсекаемые из-за несущей частоты (4 кГц), существенны по сравнению с синхронной скоростью 300 об / мин, вызванной 10 -Гц частота. Этот дополнительный ток, который передается на стержни ротора путем отсечения дополнительного магнитного потока, вызванного несущей частотой, производит очень небольшую полезную мощность.Большая часть этого тока рассеивается в виде тепла, что увеличивает температуру двигателя. Это дополнительное тепло представляет собой еще от 5% до 10% теплового накопления в двигателе и может вызвать дополнительную тепловую нагрузку на стержни ротора и обмотки статора двигателя, если он работает с полной нагрузкой. Эта высокочастотная мощность является неэффективным источником крутящего момента.

Из-за этих и других упомянутых условий вы можете захотеть снизить номинальные характеристики существующего двигателя, когда он подключен к VFD. Количество энергии несущей частоты, рассеиваемой двигателем, зависит от амплитуды и частоты напряжения, а также реактивного сопротивления и сопротивления двигателя на результирующей частоте.Амплитуда тока определяется отношением напряжения к импедансу, а потерянные ватты - это произведение тока в квадрате на сопротивление.

Другие нежелательные побочные эффекты

Вы также должны знать о других потенциальных побочных эффектах, вызванных высокой частотой. К ним относятся нежелательный слышимый шум, вредная вибрация и проблемы с подшипниками.

Проблемы с вибрацией и шумом. Чтобы избежать проблем с шумом и вибрацией, рекомендуется, чтобы в используемом двигателе не было компонентов, которые могут резонировать на частотах, генерируемых двигателем (и его нагрузкой).Это возможно в системах, где частота питания известна, например, 60 Гц. Однако современные частотно-регулируемые приводы не имеют стандартной несущей частоты, а основная частота может находиться в диапазоне от менее 10% от 60 Гц до 100% от 60 Гц и выше. В зависимости от того, какая марка и номер модели частотно-регулируемого привода сопрягается с существующим двигателем, а также от других факторов, таких как характеристики электрической системы на объекте, резонансы в определенных компонентах могут возникать, а могут и не возникать.

Вы также должны учитывать, что, когда двигатель, рассчитанный на 60 Гц, работает на другой электрической частоте, различные компоненты двигателя могут войти в механический резонанс, например вентилятор или вал.Каждый компонент имеет свою собственную механическую частоту, а электрическая частота, проходящая через катушки и стержни ротора, может вызывать механические колебания, отличные от исходных проектных параметров. Когда электрическая частота соответствует собственной частоте механического компонента, могут возникнуть серьезные проблемы. Это может включать распад компонента.

Проблемы с подшипником. Еще одна возможная проблема, которая до сих пор не полностью изучена, - это медленное разрушение роликовых / шариковых (антифрикционных) подшипников, поддерживающих вал.Похоже, это вызвано током в подшипниках и статическим разрядом. Происходит то, что на поверхности ролика / шарика возникает точечная коррозия, которая при накоплении вызывает шум в подшипнике. Если не принять меры, начнет развиваться вибрация.

Проблемы с воздушным потоком. Дополнительный фактор, который следует учитывать при работе стандартного двигателя 60 Гц на очень низкой скорости, заключается в том, что вентилятор, закрепленный и прикрепленный к ротору, может не создавать достаточного воздушного потока для эффективного охлаждения двигателя. Это верно, потому что воздушный поток пропорционален скорости вала.Таким образом, при половинной скорости вала воздушный поток вдвое меньше нормального. Для компенсации небольшого расхода воздуха при низких скоростях двигателя, если установка возможна, прикрепление блока нагнетателя воздуха постоянной скорости к задней части двигателя обычно обеспечивает надлежащее охлаждение.

Пробой изоляции проводника

Как уже упоминалось, схема ШИМ, которая вызывает высокую скорость нарастания напряжения на несущей частоте, может вызвать пробой изоляции концевых витков обмоток двигателя, а также возможное нарушение изоляции фидерного кабеля.Это связано с очень высокой скоростью нарастания напряжения (скоростью изменения напряжения во времени) в сочетании с очень быстро повторяющимся импульсом напряжения, вызванным частотно-регулируемым приводом. [ИЛЛЮСТРАЦИЯ К РИСУНКУ 3 ОПРЕДЕЛЕНА]. Из-за этого явления произошли нарушения изоляции проводов в двигателях. Этот предмет не до конца изучен и в настоящее время исследуется. Известные факты по этому поводу резюмируются следующим образом.

• Переключатели в секции инвертора частотно-регулируемых приводов, используемых сегодня, приводят к тому, что мгновенное межвитковое напряжение внутри обмоток двигателя значительно выше, чем то, что производит эквивалентный нормальный источник синусоидальной волны.
• Каждый цикл основного напряжения состоит из множества импульсов напряжения.
• Большое расстояние между двигателем и его частотно-регулируемым приводом приводит к тому, что межвитковое напряжение становится еще выше.

Есть разные подходы к объяснению увеличения напряжения на клеммах двигателя. Некоторые объясняют это с помощью цепей резонансной емкости / индуктивности (LC); другие объясняют это с точки зрения теории стоячей волны. Оба подхода дают одинаковый результат.Когда расстояние между двигателем и его частотно-регулируемым приводом превышает критическое расстояние (которое может составлять всего 30 футов), возникает выброс напряжения, который может в два раза превышать амплитуду импульса напряжения, первоначально подаваемого на выходные клеммы частотно-регулируемого привода.

Это более высокое напряжение поступает на двигатель с такой высокой скоростью изменения для каждого из импульсов ШИМ, от нуля вольт до его пикового значения, что оно неравномерно распределяется по обмотке, вызывая высокие межвитковые напряжения в ближайших к нему витках. к проводам питания.В результате на изоляцию проводника оказывается очень большая нагрузка, что может вызвать преждевременный пробой изоляции.

Доступны двигатели со специальным инверторным режимом работы, которые рассчитаны на соответствие или превышение амплитуд напряжения и времени нарастания, определенных в стандарте NEMA MG1, Двигатели и генераторы, Раздел .31.40.4.2, Пики напряжения. При подключении существующих двигателей к частотно-регулируемым приводам с помощью кабеля большой длины следует рассмотреть возможность использования фильтра, чтобы уменьшить влияние длинного кабеля.

Скин-эффект способствует убыткам

В дополнение к проблемам, описанным выше, есть еще один компонент потерь, о котором вы должны знать: скин-эффект.Скин-эффект заставляет ток в системе переменного тока вытесняться на внешнюю поверхность проводника. Это явление приводит к тому, что сопротивление напрямую связано с квадратным корнем из частоты тока. Другими словами, чем больше частота, тем больше сопротивление из-за скин-эффекта. Несущие частоты обычно находятся в диапазоне от 800 Гц до 15 кГц, и токи на этих высоких частотах вызовут потери [I.sup.2] R. Хотя высокочастотные токи относительно номинальны, потери связаны с квадратичной мощностью тока.А несущая частота, даже в виде квадратного корня, может быть в некоторой степени эффективной из-за своего основного высокого значения. Геометрия стержней ротора также определяет степень влияния скин-эффекта на потери в роторе.

Применение двигателя очень важно

Вы должны помнить, что двигатель - это машина с постоянным крутящим моментом. Другими словами, при номинальной скорости и номинальном крутящем моменте он будет производить определенную мощность в лошадиных силах. Когда скорость снижается за счет уменьшения частоты и напряжения, двигатель, потребляя больше тока, будет пытаться поддерживать постоянную мощность, если этого требует нагрузка.Это можно сделать в ограниченной степени. Чем больше тока протекает, тем больше тепла выделяется, и двигатель быстро нагревается.

В ситуациях, когда во всем используемом диапазоне скоростей требуется постоянная мощность, очень важно, чтобы размер двигателя соответствовал требуемой мощности при минимальной ожидаемой скорости вала. Например, если требуемый диапазон скоростей составляет от 50% до 100% номинальной скорости, а требуемая мощность нагрузки составляет 100 л.с., то двигатель все равно должен обеспечивать мощность 100 л.с. при скорости 50%.Это также означает, что при 100% скорости выходная мощность двигателя, требуемая его нагрузкой, также будет составлять 100 л.с. однако требуемый крутящий момент нагрузки будет снижен на 50%. На полной скорости двигатель будет способен производить 200 л.с., что означает, что двигатель будет больше обычного.

При использовании частотно-регулируемого привода, когда основная частота снижается для достижения более низкой скорости, напряжение также уменьшается прямо пропорционально снижению скорости. Как упоминалось ранее, двигатель на 460 В при половинной скорости ротора будет иметь 230 В.Таким образом, если мощность двигателя составляет 100 л.с. на полной скорости, его мощность будет только 50 л.с. на половинной скорости.

Определенным нагрузкам, например токарным и шлифовальным станкам, требуется постоянная мощность в лошадиных силах во всем диапазоне рабочих скоростей. Предположим, ЧРП обслуживает двигатель токарного станка мощностью 20 л.с., который работает со снижением скорости на 25% (3/4 номинальной скорости). Вращающийся патрон токарного станка, который удерживает некоторый материал, обрабатываемый режущим инструментом, потребует постоянной мощности во всем используемом диапазоне скоростей. Если скорость снижена на 25%, напряжение снизится на 25%.Чтобы двигатель мог поддерживать постоянную мощность в лошадиных силах, он будет потреблять на 33% больше тока (4/3 нормальной силы тока). Поскольку ток производит тепло (в первую очередь потери [I.sup.2] R), двигатель должен иметь достаточную тепловую мощность, чтобы выдерживать дополнительный ток.

Некоторые двигатели могут выдерживать определенную избыточную тепловую нагрузку в зависимости от эксплуатационного фактора двигателя (SF). Обычно SF составляет от 1,0 до 1,15; за пределами этой точки произойдет повреждение двигателя. Поскольку напряжение снижается с использованием частотно-регулируемого привода, номинальная мощность двигателя в лошадиных силах должна быть увеличена, чтобы соответствовать требованиям к нагрузке на самой низкой используемой скорости, если требуется постоянная мощность.Конечно, это означает, что двигатель перестроен при использовании на более высоких скоростях и будет иметь более высокие потери и более низкий коэффициент мощности (PF) на более высоких скоростях при работе с нагрузкой ниже полной. Однако более низкий коэффициент мощности компенсируется ЧРП. Это условие, которое необходимо принять. В противном случае вы напрашиваетесь на неприятности.

При работе с двигателями вам будет полезно помнить о следующих отношениях:

1 л.с. = 0,746 кВт = [3 фунт-фут x 1750 об / мин] [деленное на] 5250

Любой из этих номеров можно изменить.Однако при этом должно соблюдаться равенство обеих сторон уравнения. Крутящий момент составляет фут-фунт. Если мощность остается постоянной, а скорость (об / мин) снижается, очевидно, что крутящий момент должен быть увеличен. Таким образом, в приведенном выше применении двигателя (где скорость снижена на 25%) выходной крутящий момент двигателя должен быть увеличен на 33%. И если мощность в кВт остается постоянной, а напряжение снижается (что происходит при использовании частотно-регулируемого привода для уменьшения скорости), ток необходимо увеличить. Это может привести к перегреву. Неправильное использование двигателей - одна из основных причин их выхода из строя.

Если кто-то рекомендует приобрести частотно-регулируемый привод для вашего существующего двигателя с целью внесения изменений, которые привели бы к установке любого значения выходного напряжения (с ограничением до входного напряжения частотно-регулируемого привода) для любой конкретной основной частоты, будьте осторожны.

Такая корректировка может быть произведена; например, вы можете настроить частотно-регулируемый привод на 460 В при 30 Гц. Если 460 В - это линейное напряжение (то есть максимальное напряжение), тогда, когда основная частота превышает заданное значение, напряжение, поступающее на двигатель, остается постоянным.

Давайте еще раз посмотрим на один из приведенных выше примеров. Скажем, 100 л.с. требуется при половинной скорости, а частотно-регулируемый привод настроен на выдачу 460 В при 30 Гц. Что произойдет, если вы используете существующий двигатель мощностью 100 л.с.? Что ж, двигатель будет пытаться выдать 100 л.с. на половинной скорости и продолжит попытки, если основная частота будет увеличена, а напряжение останется постоянным на уровне 460 В. (Обратите внимание, что когда основная частота становится ниже установленного значения [скажем, 15 Гц], напряжение будет пропорционально уменьшено, в данном случае до 230 В.) При 30 Гц и 460 В железо в статоре этого существующего двигателя магнитно насыщено, что приводит к протеканию большего тока и чрезмерному нагреву двигателя. Это состояние может разрушить изоляцию проводов, а также отрицательно повлиять на другие компоненты двигателя. В статорах двигателей обычно достаточно железа, чтобы выдерживать определенное отношение напряжения к частоте (В / Гц). Но когда соотношение сильно увеличивается, требуется больше железа; иначе будет перегрев.

Тем не менее, использование 30 Гц при 460 В - это эффективный способ получить регулируемую скорость при постоянной мощности, при условии, что железо в статоре двигателя рассчитано на более высокое соотношение В / Гц.Это означает, что в статор двигателя необходимо поместить больше железа. Сегодня существуют определенные двигатели, у которых в статоре есть дополнительное железо для работы при высоких соотношениях В / Гц. За них придется заплатить больше. Но для определенных типов приложений, таких как вышеупомянутые, такие двигатели могут быть экономически эффективными по сравнению с использованием существующего двигателя с удвоенной мощностью. Это связано с тем, что двигатель премиум-класса может работать при 30 Гц, 460 В и нормальном токе, тогда как существующий двигатель большой мощности, работающий при 30 Гц, 230 В, должен будет использовать удвоенный ток и будет испытывать потери, связанные с высоким текущая операция.

Резюме

При применении двигателей к нагрузкам, требующим постоянной мощности в широких диапазонах скоростей, вам часто будет полезно работать с человеком, разбирающимся в двигателях. Когда. при использовании существующего двигателя для такого использования часто достигается компромисс между мощностью двигателя и фактической выходной мощностью, другими словами, снижение номинальных характеристик двигателя. В таких ситуациях, вероятно, будет лучше приобрести новый двигатель, отвечающий вашим требованиям.

Когда вы используете двигатель для приложения, в котором требования к крутящему моменту остаются постоянными или уменьшаются во всем применяемом диапазоне скоростей, частотно-регулируемый привод будет хорошим средством для достижения контроля скорости, при условии, что двигатель способен обрабатывать искаженную электрическую мощность, подаваемую на него. по ПФО.Применения, в которых требования к крутящему моменту остаются постоянными или уменьшенными во всем диапазоне скоростей двигателя, включают вентиляторы, насосы и конвейерные ленты.

Существуют определенные нагрузки, такие как центробежные насосы и вентиляторы, при которых по мере уменьшения скорости крутящий момент обычно уменьшается пропорционально квадрату скорости, а мощность в лошадиных силах уменьшается пропорционально кубу скорости. Таким образом, если мощность в лошадиных силах устанавливается на нижнем пределе требуемой скорости (скажем, 50% номинальной скорости при 10 л.с.), потребность в лошадиных силах на полной скорости будет в восемь раз больше, или 80 л.с.Как вы можете видеть в такой ситуации, решающий фактор для требований к мощности должен быть основан на полной номинальной нагрузке.

УСЛОВИЯ ЗНАТЬ

Инвертор. Машина, устройство или система, которые меняют мощность постоянного тока на мощность переменного тока. Что касается частотно-регулируемых приводов, работа инвертора осуществляется такими устройствами, как биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT) и тиристоры с выключенным затвором (GTO).

Выпрямитель. Машина, устройство или система, которые меняют мощность переменного тока на постоянную.Выпрямление в частотно-регулируемых преобразователях типа ШИМ выполняется диодами в так называемых «мостовых схемах».

Синхронная скорость. В асинхронных двигателях скорость вращения магнитного поля статора называется синхронной скоростью, которая равна (в об / мин): [120] x [f (частота сети в Гц)] [деленная на] P ( количество полюсов).

Соскальзывать. Этот термин отражает разницу между синхронной скоростью асинхронного двигателя и скоростью его ротора. Коэффициент скольжения в процентах равен [(синхронная скорость - скорость ротора) [деленная на] синхронную скорость] x 100.

СВЯЗАННАЯ СТАТЬЯ: ОСНОВЫ РЕГУЛИРУЕМОЙ СКОРОСТИ ПРИВОДА

Существуют разные типы частотно-регулируемых приводов, но все они используют принцип изменения основной частоты (60 Гц или 50 Гц) для изменения скорости. Основными компонентами частотно-регулируемого привода являются выпрямительное / инверторное оборудование (последнее включает в себя электрическую коммутационную аппаратуру) и электронное управление. ЧРП изменяет (выпрямляет) поступающее напряжение 60 Гц на постоянный ток, а затем меняет (инвертирует) постоянный ток обратно на переменный, но с регулируемой основной частотой.

Для двигателя с постоянным числом полюсов существует прямая зависимость между основной частотой и частотой вращения вала двигателя. Таким образом, двигатель с номинальной частотой 60 Гц, работающий на половине номинальной скорости, будет питаться от частотно-регулируемого привода, производящего мощность 30 Гц.

Самый популярный тип частотно-регулируемого привода, производимый сегодня, производит переменный ток посредством широтно-импульсной модуляции (ШИМ), которая разбивает синусоидальную волну на сегменты постоянного тока постоянной амплитуды каждые полупериод. Полный цикл состоит из половины положительного и половины отрицательного сегментов напряжения.Эта обработка модуляции электроэнергии создает импульсы постоянного напряжения очень высокой частоты (в диапазоне от 800 Гц до 15 кГц) для каждого полупериода. Эти импульсы имеют прямоугольную форму при просмотре на осциллографе и шире (большая продолжительность) в центре полупериода и уже в конце полупериода. [ИЛЛЮСТРАЦИЯ К РИСУНКУ 1 опущена], на странице 41.)

Высокая частота импульсов напряжения из десяти называется несущей частотой. Эти многочисленные «выстрелы» напряжения постоянного тока каждые полупериод имеют время нарастания напряжения на шине постоянного тока от нуля до полного, составляющее десятые доли микросекунд.Эта скорость нарастания импульсов напряжения (изменение напряжения от нуля до пикового напряжения) намного выше, чем скорость нарастания напряжения для нормальной синусоидальной волны. Из-за высокой скорости нарастания напряжения возникают скачки напряжения.

Поскольку ЧРП типа ШИМ вырабатывает высокочастотное пульсирующее напряжение, результирующий ток, который обратно зависит от импеданса, на самом деле имеет форму синусоидальной волны, но с многочисленными небольшими отклонениями, такими как частота тона, производимого музыкальный инструмент с обертонами, связанными с инструментом.Обычно полное гармоническое искажение (THD) на этих высоких частотах (от 800 до 15 кГц) составляет от 5% до 10%.

Результатом процесса ШИМ является ток, имеющий синусоидальную волну, которая может варьироваться от 1 до 60 Гц (а иногда большое число может превышать 60 Гц для получения скорости вращения ротора, превышающей номинальную). Но форма волны тока на самом деле представляет собой сумму основной частоты плюс все сверхвысокие частоты, возникающие во время обработки модуляции, которая используется для создания пульсирующего напряжения.Из-за индуктивности обмотки двигателя форма волны тока выглядит синусоидальной с наложенным высокочастотным «шумом». Это приводит к тому, что текущая синусоида имеет множество мелких ряби или «обертонов», как показано на рис. 2 на стр. 41.

Выходной сигнал частотно-регулируемого привода состоит из двух компонентов: регулируемой основной частоты и несущей частоты. Таким образом, двигатель, подключенный к ЧРП, получает питание с этими частотами.

Воздействие высокой несущей частоты на двигатель может быть вредным.Чтобы уменьшить это влияние, ряд частотно-регулируемых приводов теперь используют асинхронное переключение, которое заставляет несущую частоту постоянно изменять частоту на очень высоких скоростях. При этом частотно-регулируемый привод ограничивает по крайней мере одно негативное воздействие (шум), вызванное несущей частотой.

Следует отметить, что по мере того, как основная частота (которая определяет скорость двигателя) уменьшается для снижения номинальной скорости вращения вала, напряжение также уменьшается, и в том же соотношении. Это означает, что для частотно-регулируемого привода, обслуживающего двигатель 460 В, работающий при 50% номинальной скорости, частотно-регулируемый привод подает на двигатель мощность 30 Гц и делает это при 230 В.Таким образом, двигатель развивает тот же крутящий момент, но только на половинной скорости и на половине его номинальной мощности.

СВЯЗАННАЯ СТАТЬЯ: УСТАНОВКА ТИПОВОГО ДВИГАТЕЛЯ / ПРИВОДА

Понимание характеристик двигателя и характеристик нагрузки очень важно при использовании двигателя для определенной нагрузки. И такое понимание становится более важным при использовании частотно-регулируемых приводов.

Асинхронные двигатели, которые обычно рассчитаны на определенную скорость, являются наиболее популярным приводным механизмом, используемым сегодня.При заданной установившейся нагрузке эти двигатели будут поддерживать постоянную скорость вращения вала. Другими словами, за исключением небольших изменений номинальной скорости из-за колебаний нагрузки, скорость вала двигателя не изменяется. Вместо этого он определяется частотой источника питания, подаваемого на двигатель, и количеством полюсов двигателя.

Сегодня, когда для системы привода требуется регулировка скорости, обычным подходом является покупка ЧРП и использование двигателя, который был разработан для обработки дополнительных параметров помимо тех, которые требуются для работы с нормальной синусоидальной волной 60 или 50 Гц.Таким образом, частотно-регулируемые приводы и двигатели часто заказываются комплектом из одного источника. Таким образом вы не только получите двигатель и частотно-регулируемый привод согласованной конструкции, но и получите преимущество, связанное с тем, что в случае возникновения проблем будет иметь дело всего один производитель. (См. Фото на странице 38.)

Однако соображения стоимости могут способствовать согласованию существующего двигателя с новым частотно-регулируемым приводом. В этой ситуации требуется тщательный анализ этого соответствия.

СВЯЗАННАЯ СТАТЬЯ: НЕКОТОРЫЕ ОСНОВЫ МОТОРА

Синхронная скорость асинхронного двигателя представлена ​​следующим уравнением:

[Н.sub.s] = (120xf) [разделить на] P

где [N.sub.s] = синхронная скорость в об / мин

f = частота сети в Гц

P = количество полюсов

Например, четырехполюсный асинхронный двигатель с частотой 60 Гц имеет синхронную скорость 1800 об / мин ([120 x 60] [деленное на] 4).

Скорость ротора двигателя всегда меньше синхронной скорости, потому что первый потребляет электрическую / магнитную энергию, вращаясь медленнее, чем магнитное поле статора.(В случае с генератором все наоборот: ротор, вращающийся со скоростью, превышающей синхронную, подает электроэнергию на клеммы.) Эта разница в скорости называется скольжением. Коэффициент скольжения представлен следующим уравнением:

% Коэффициент скольжения = [([N.sub.s] - [N.sub.r]) [делится на] [N.sub.s]] x 100

где [N.sub.r] = частота вращения ротора в об / мин

Таким образом, ненагруженный высокоэффективный четырехполюсный двигатель, работающий при частоте вращения вала 1790 об / мин, будет иметь коэффициент скольжения 56%.Это выводится следующим образом: [(1800 - 1790) [деленное на] 1800] x 100. Тот же самый двигатель при полной нагрузке может иметь скорость вала 1750 об / мин. При этом условии коэффициент скольжения будет 2,78%. Выведение: [(1800 - 1750) [деленное на] 1800] x 100. Скорость вала при полной нагрузке для асинхронного двигателя с синхронной скоростью 1800 об / мин обычно варьируется от примерно 1780 до 1730 об. / Мин. Эта скорость зависит от КПД двигателя / конструктивных характеристик.

Более низкая скорость (величина скольжения) позволяет ротору пересекать магнитные линии потока, установленные статором, создавая таким образом электрическую энергию для своих магнитных нужд.По мере увеличения жабы двигателя скорость ротора уменьшается, в результате чего линии магнитного потока срезаются с большей скоростью. Это вызывает большее напряжение в стержнях ротора и больший ток, тем самым вырабатывая больше электроэнергии, чтобы противодействовать увеличению требований к крутящему моменту. Когда линии потока пересекаются с большей скоростью, течет больше тока и увеличивается нагрев из-за потерь [I.sup.2] R.

Лестер Б. Манц - руководитель отдела разработки регулируемых скоростей GE Motors, Форт-Уэйн, Индиана.Роберт Б. Морган - старший редактор журнала EC&M.

Как управлять скоростью электродвигателя переменного тока

Электродвигатель переменного тока - это электродвигатель, приводимый в действие переменным током (AC), и состоит из двух основных частей: внешнего статора с катушками, на которые подается переменный ток для создания вращающегося магнитного поля. поле, и внутренний ротор, прикрепленный к выходному валу, создающий второе вращающееся магнитное поле. Возможность управлять скоростью двигателя имеет множество преимуществ, и в этом руководстве будут рассмотрены несколько способов управления скоростью двигателя.

Как отмечалось выше, управление скоростью электродвигателя переменного тока имеет ряд преимуществ, включая снижение слышимого шума, энергоэффективность и улучшенное управление приложением двигателя. Хотя они являются устройствами с постоянной скоростью, скорость двигателя переменного тока может изменяться при изменении частоты, входного напряжения или обмоток, которые заставляют двигатель вращаться.

Распространенным и эффективным средством изменения скорости двигателя является изменение частоты с использованием инвертора в качестве источника питания.Благодаря технологическому прогрессу и снижению стоимости силовых инверторов, это часто используемый и популярный вариант. Способы снижения напряжения на обмотках двигателя с помощью трансформаторов, резисторов или отводов обмоток двигателя также все еще используются.

Если вы планируете использовать инвертор для питания электродвигателя переменного тока, важно выбрать такой, который может обеспечивать не только напряжение и рабочий ток двигателя, но и пусковой ток. Используйте диапазон изменения скорости, необходимый для выбора диапазона частоты, которую инвертор должен обеспечивать.Элементы управления инвертора могут использоваться для изменения частоты, подаваемой на двигатель, и скорость двигателя будет соответственно изменяться.

Если полностью точное регулирование скорости не критично для двигателя, можно также добавить переменное сопротивление в цепь двигателя, чтобы снизить напряжение на основной обмотке. «Пробуксовка» двигателя - разница между синхронной скоростью магнитного поля электродвигателя и скоростью вращения вала - которая обычно близка к нулю, будет увеличиваться, поскольку на двигатель подается уменьшенная мощность.Кроме того, полюса двигателя не получают достаточной мощности для создания силы, необходимой для поддержания нормальной скорости, и в этом методе двигатель должен быть рассчитан на высокое скольжение.

Более эффективным вариантом является использование трансформатора переменного напряжения. Этот метод изменит напряжение, подаваемое на главную обмотку, что приведет к большому скольжению и уменьшению напряжения управления скоростью. Трансформатор переменного напряжения имеет низкие потери по сравнению с переменным резистором. Использование трансформатора может иметь серию ответвлений, которые изменяют соотношение напряжений для управления скоростью двигателя.Эти ответвления можно менять вручную, или трансформатор может иметь устройство переключения ответвлений с электроприводом. В любом случае скорость двигателя изменяется дискретно, и конкретная конструкция зависит от установки, в которой используется трансформатор.

Другой метод управления скоростью двигателя переменного тока - использование двигателя переменного тока с ответвленными обмотками для изменения скорости. Этот метод чаще всего встречается в домашних вентиляторах с переключателями высокой, средней и низкой скорости. Эти двигатели имеют заданное количество ответвлений на основной обмотке, что позволяет им работать с различными напряжениями, приложенными к его магнитному полю.Количество ступеней и скоростей, доступных для двигателя, обычно не превышает четырех. Точная скорость в этих типах приложений не критична, и регулирование скорости с помощью этой опции очень экономично.

Частотно-регулируемый привод (VFD) - это еще один вариант, который представляет собой контроллер двигателя переменного тока, который управляет двигателем, изменяя подаваемую на него частоту и напряжение. Частота (или герц) напрямую связана со скоростью двигателя (об / мин), поэтому чем выше частота, тем выше частота вращения. Если приложение двигателя не требует, чтобы он работал на полной скорости, можно использовать частотно-регулируемый привод для уменьшения частоты и напряжения в соответствии с требованиями к нагрузке двигателя.Когда требования к скорости двигателя в приложении меняются, частотно-регулируемый привод будет эффективно уменьшать или увеличивать скорость двигателя, удовлетворяя требованиям к скорости. Использование частотно-регулируемого привода может обеспечить снижение энергопотребления и затрат, увеличение производства за счет более жесткого контроля процесса и продление срока службы оборудования при одновременном снижении требований к техническому обслуживанию.

Наконец, регулирование величины напряжения на клеммах двигателя с помощью широтно-импульсной модуляции (ШИМ) также может управлять скоростью двигателя. Как следует из этого термина, ШИМ-регулирование скорости работает путем управления двигателем с помощью быстрой серии импульсов «ВКЛ» и «ВЫКЛ» и изменения рабочего цикла.