Устройства плавного пуска и частотные преобразователи
Сравнительные таблицы устройств плавного пуска и частотных преобразователей
| Тип защиты | ABB (PSR/PSE/PSTX) | Schneider Electric (ATS) | Siemens (SIRIUS 3RW) | INSTART (SSI/SBI) | Время срабатывания |
|---|---|---|---|---|---|
| Защита от перегрузки | 5-100% In, классы 10A, 10, 20, 30 | 5-100% In, классы 5, 10, 20, 30 | 5-100% In, классы 10, 15, 20, 25, 30 | 5-100% In, классы 5, 10, 15, 20, 30 | В соответствии с выбранным классом защиты |
| Защита от перегрева двигателя (термистор PTC) | Да (PSTX) | Да (ATS48) | Да (3RW5) | Да (SSI/SBI) | < 1с |
| Электронная защита от перекоса фаз | 10-80%, 1-60с | 10-100%, 1-60с | 20-80%, 1-30с | 20-90%, 1-60с | По заданной уставке времени |
| Защита от блокировки ротора | 150-800% In, 0.1-10с | 100-800% In, 0.1-5с | 150-700% In, 0.5-10с | 200-900% In, 0.1-20с | По заданной уставке времени |
| Защита от недогрузки | 20-90% In, 1-60с | 20-90% In, 1-40с | 20-90% In, 1-40с | 20-80% In, 1-60с | По заданной уставке времени |
| Защита от повышенного напряжения | 110-150%, 1-10с | 110-150%, 0.1-10с | 105-140%, 0.1-10с | 110-140%, 0.5-10с | По заданной уставке времени |
| Защита от пониженного напряжения | 50-90%, 1-10с | 60-90%, 0.1-10с | 65-95%, 0.1-10с | 60-90%, 0.5-10с | По заданной уставке времени |
| Защита от обрыва фазы | Да, <1с | Да, <1с | Да, <1с | Да, <1с | <1с |
| Защита от неправильного чередования фаз | Да | Да | Да | Да | Мгновенно, до запуска |
| Защита от перегрева силовых элементов | Да, встроенные датчики | Да, встроенные датчики | Да, встроенные датчики | Да, встроенные датчики | <0.5с |
| Производитель/Модель | Номинальная рабочая температура | Максимальная рабочая температура | Снижение тока при максимальной температуре | Дополнительные условия |
|---|---|---|---|---|
| ABB ACS580 | -15°C до +40°C | +50°C | 1% на каждый °C выше +40°C | Без снижения при установке бок о бок до +35°C |
| Danfoss FC-102 | -25°C до +45°C | +55°C | 1.5% на каждый °C выше +45°C | Снижение на 10% при высокой частоте коммутации |
| Siemens SINAMICS G120 | -10°C до +40°C | +60°C | 2.5% на каждый °C выше +40°C | Без снижения до +50°C при уменьшении частоты коммутации |
| Schneider Electric Altivar 630 | -15°C до +40°C | +50°C | 2% на каждый °C выше +40°C | При высоте установки выше 1000м снижение на 1% каждые 100м |
| Delta VFD-E | -10°C до +40°C | +50°C | 2% на каждый °C выше +40°C | IP20: снижение на 5% для моделей со встроенным тормозным резистором |
| Mitsubishi FR-A800 | -10°C до +40°C | +50°C | 15% при +50°C | SLD (сверхлегкий режим): снижение на 20% выше +40°C |
| ABB PSE/PSTX (УПП) | -25°C до +40°C | +60°C | 1.2% на каждый °C выше +40°C | Снижение на 20% при монтаже бок о бок без зазора |
| Siemens 3RW5 (УПП) | -25°C до +60°C | +70°C | 2% на каждый °C выше +60°C | Дополнительная вентиляция требуется выше +40°C |
| Тип фильтра | Эффективность для 5-й гармоники | Эффективность для 7-й гармоники | Эффективность для 11-й гармоники | Общее снижение THDi | Применимость |
|---|---|---|---|---|---|
| Дроссель AC (3-5%) | 20-30% | 10-20% | 5-10% | до 40% | Базовая защита для ЧП до 110 кВт |
| Пассивный гармонический фильтр | 80-90% | 80-85% | 70-80% | до 70% | Общепромышленное применение |
| Активный фильтр гармоник | 95-98% | 93-98% | 90-95% | до 98% | Критические объекты, медицинское, лабораторное оборудование |
| 12-пульсный выпрямитель | 90% | 85% | 35% | до 85% | Мощные приводы от 75 кВт |
| Многопульсный выпрямитель (18 пульсов) | 95% | 95% | 90% | до 95% | Тяжелая промышленность, мощные приводы |
| LC фильтр | 75-85% | 75-85% | 70-80% | до 65% | Средние мощности, промышленные системы |
| DV/dt фильтр (на выходе) | N/A | N/A | N/A | N/A | Защита двигателя от скачков напряжения |
| Синусный фильтр (на выходе) | N/A | N/A | N/A | N/A | Создание синусоидального выходного напряжения |
Полное оглавление
1. Введение в устройства плавного пуска и частотные преобразователи
Электродвигатели являются основой современного промышленного оборудования, однако их прямой пуск может вызывать значительные проблемы: высокие пусковые токи (в 5-7 раз превышающие номинальные), механические удары, гидравлические удары в трубопроводах и просадки напряжения в сети. Для решения этих проблем применяются два основных типа устройств: устройства плавного пуска (УПП) и частотные преобразователи (ЧП).
Обе технологии предназначены для управления электродвигателями, но имеют разные принципы действия, функциональные возможности и области применения. В данной статье мы рассмотрим их особенности, защитные функции, характеристики при работе в условиях повышенной температуры и методы борьбы с гармоническими искажениями.
2. Устройства плавного пуска (УПП)
2.1. Принцип работы УПП
Устройство плавного пуска управляет напряжением, подаваемым на двигатель в процессе запуска, посредством тиристоров или симисторов (силовых полупроводниковых ключей). УПП постепенно увеличивает напряжение от начального значения (обычно 30-50% от номинального) до полного значения за заданное время разгона (от нескольких секунд до минуты).
Управление осуществляется методом фазового управления: тиристоры открываются в определенный момент каждого полупериода синусоиды питающего напряжения. Такой подход позволяет уменьшить пусковой ток и механические нагрузки при запуске двигателя.
2.2. Типы устройств плавного пуска
Существует несколько типов устройств плавного пуска, отличающихся по принципу управления и функциональности:
- Базовые УПП - обеспечивают только плавный пуск и останов, имеют минимальный набор настроек и защит.
- Стандартные УПП - дополнительно позволяют настраивать профили пуска/останова, включают основные виды защит от перегрузки и перегрева.
- Продвинутые УПП - имеют расширенный набор защитных функций, возможности диагностики, коммуникационные интерфейсы для интеграции в системы автоматизации.
По схеме подключения различают:
- Трехфазные УПП - тиристоры установлены во всех трех фазах
- УПП с управлением в двух фазах - бюджетный вариант, с упрощенной схемой управления
- Внутри треугольника - схема с подключением УПП к точкам соединения обмоток двигателя (для снижения номинального тока устройства)
2.3. Защитные функции УПП
Современные устройства плавного пуска предлагают широкий набор защитных функций, среди которых наиболее важными являются:
- Электронная тепловая защита двигателя - защита от перегрузки по току с учетом тепловой модели двигателя
- Защита от блокировки ротора - срабатывает при заклинивании двигателя
- Защита от перекоса фаз - контролирует симметричность токов в фазах
- Защита от неправильного чередования фаз - предотвращает обратное вращение двигателя
- Защита от обрыва фазы - отключает двигатель при потере одной из фаз питания
- Защита от перенапряжения и пониженного напряжения - контролирует уровень питающего напряжения
- Защита от перегрева силовых элементов - предотвращает выход из строя тиристоров
- Защита от недогрузки - выявляет работу без нагрузки (например, сухой ход насоса)
Ниже приведена сравнительная таблица защитных функций устройств плавного пуска различных производителей.
3. Частотные преобразователи (ЧП)
3.1. Принцип работы ЧП
Частотный преобразователь (ЧП) преобразует переменное напряжение фиксированной частоты (обычно 50 или 60 Гц) в переменное напряжение с регулируемой частотой и амплитудой. Это позволяет не только обеспечивать плавный пуск и останов, но и регулировать скорость вращения двигателя в процессе работы.
Типичный частотный преобразователь состоит из следующих основных блоков:
- Выпрямитель - преобразует переменное напряжение сети в постоянное
- Звено постоянного тока - сглаживает пульсации напряжения, обычно включает фильтр
- Инвертор - преобразует постоянное напряжение в переменное с нужной частотой и амплитудой
- Система управления - обеспечивает работу инвертора по заданному алгоритму
Большинство современных ЧП использует принцип широтно-импульсной модуляции (ШИМ) для формирования выходного напряжения. Высокочастотные импульсы разной длительности, формируемые инвертором, создают в обмотках двигателя синусоидальный ток, частота и амплитуда которого определяются системой управления преобразователя.
3.2. Типы частотных преобразователей
В зависимости от принципа преобразования энергии и схемных решений различают следующие типы ЧП:
- Преобразователи с управляемым выпрямителем (АИН-ШИМ) - наиболее распространенный тип
- Преобразователи с активным выпрямителем - обеспечивают возможность рекуперации энергии в сеть
- Многоуровневые преобразователи - для высоковольтных применений
- Преобразователи с прямым управлением моментом (DTC) - обеспечивают высокую динамику и точность
По функциональным возможностям можно выделить:
- Общепромышленные ЧП - для стандартных применений
- Специализированные ЧП - оптимизированы для конкретных задач (например, для насосов, вентиляторов, подъемных механизмов)
- Сервопреобразователи - для прецизионного управления сервоприводами
3.3. Основные настройки и конфигурация
Современные частотные преобразователи предлагают широкие возможности настройки для оптимальной работы с конкретным двигателем и нагрузкой:
- Закон управления U/f - установка зависимости напряжения от частоты (линейный, квадратичный, программируемый)
- Настройки разгона/торможения - время, форма S-кривой, пределы ускорения
- Ограничения - минимальная и максимальная частота, токовые лимиты
- Автоматическая настройка - идентификация параметров двигателя
- Компенсация скольжения - для точного поддержания скорости при изменении нагрузки
- Функции энергосбережения - оптимизация КПД для частичных нагрузок
- ПИД-регулятор - для автоматического управления по внешнему параметру (давление, расход, температура)
Важно:
В отличие от устройств плавного пуска, частотные преобразователи могут управлять скоростью двигателя во всем диапазоне от нуля до номинальной и даже выше. Это дает значительную экономию энергии в приложениях с переменной нагрузкой, таких как насосы и вентиляторы, где потребляемая мощность пропорциональна кубу скорости.
4. Влияние температуры на работу устройств
4.1. Концепция снижения номинальных характеристик
Полупроводниковые компоненты, используемые в УПП и ЧП, чувствительны к повышенным температурам. При работе в условиях высокой температуры окружающей среды необходимо снижать номинальную нагрузку устройства для предотвращения перегрева и выхода из строя. Этот процесс называется «снижением номинальных характеристик» или «derating».
Основные факторы, влияющие на необходимость снижения параметров:
- Температура окружающей среды - при превышении номинальной (обычно 40°C) требуется снижение
- Высота над уровнем моря - на больших высотах снижается эффективность охлаждения
- Частота коммутации - для ЧП повышенная частота ШИМ ведет к дополнительным потерям
- Плотность монтажа - установка устройств бок о бок ухудшает условия охлаждения
4.3. Решения для охлаждения и рекомендации по монтажу
Для обеспечения надежной работы устройств в условиях повышенных температур применяются различные технические решения:
- Принудительное воздушное охлаждение - вентиляторы внутри устройства или в шкафу
- Увеличение расстояния между устройствами - для улучшения циркуляции воздуха
- Специальные охлаждающие пластины - для увеличения площади теплоотдачи
- Жидкостное охлаждение - для мощных преобразователей
- Кондиционеры шкафов - для поддержания стабильной температуры
Рекомендации по монтажу для обеспечения оптимального теплового режима:
- Устанавливайте устройства вертикально для улучшения естественной конвекции
- Соблюдайте минимальные зазоры сверху, снизу и по бокам устройства
- Не размещайте устройства над источниками тепла
- Обеспечьте достаточный воздушный поток через шкаф
- Используйте фильтры для защиты от пыли, своевременно их очищайте
Практический совет:
При проектировании систем всегда выбирайте устройства с запасом по мощности на 15-20% с учетом возможных неблагоприятных условий эксплуатации. Это повысит надежность системы и продлит срок службы оборудования.
5. Проблема гармоник в частотных преобразователях
5.1. Влияние гармонических искажений на электросеть
Частотные преобразователи с неуправляемым выпрямителем на входе являются источниками гармонических искажений тока. Гармоники — это токи с частотой, кратной основной частоте сети (50 или 60 Гц). Наиболее выражены 5-я, 7-я, 11-я и 13-я гармоники.
Негативные последствия гармонических искажений:
- Дополнительный нагрев кабелей, трансформаторов, двигателей
- Ложные срабатывания устройств защиты
- Перегрузка нейтрального проводника в трехфазных системах
- Резонансные явления в сети с конденсаторами
- Помехи в работе чувствительного электронного оборудования
- Снижение коэффициента мощности
Коэффициент гармонических искажений (THDi) для стандартного частотного преобразователя может составлять 35-80% от основной гармоники, что значительно превышает рекомендуемые стандартами значения (обычно не более 5-8%).
5.2. Методы снижения гармонических искажений
Для уменьшения уровня гармоник, генерируемых частотными преобразователями, применяются различные технические решения:
- Входные дроссели переменного тока - простое и недорогое решение, снижающее THDi до 40-45%
- Пассивные гармонические фильтры - LC-фильтры, настроенные на определенные гармоники
- Активные фильтры гармоник - устройства, компенсирующие гармоники путем генерации противофазных токов
- Многопульсные схемы выпрямления - 12, 18, 24-пульсные выпрямители
- Активные выпрямители (AFE) - обеспечивают синусоидальный ток потребления и возможность рекуперации
Выбор метода снижения гармоник зависит от требований к качеству электроэнергии, мощности оборудования и экономических факторов. В таблице ниже представлена сравнительная эффективность различных типов фильтров для подавления гармоник.
6. Сравнение УПП и ЧП
6.1. Основные преимущества и ограничения
При выборе между устройством плавного пуска и частотным преобразователем необходимо учитывать их особенности и ограничения:
Устройство плавного пуска:
Преимущества:
- Меньшая стоимость (в 2-3 раза дешевле ЧП аналогичной мощности)
- Более простая конструкция и высокая надежность
- Меньшие габариты
- Отсутствие генерации высокочастотных помех
- Возможность работы с длинными кабелями без специальных фильтров
Ограничения:
- Управление только процессами пуска и останова
- Невозможность регулирования скорости в процессе работы
- Ограниченные возможности энергосбережения
- Меньший пусковой момент по сравнению с ЧП
Частотный преобразователь:
Преимущества:
- Полный контроль скорости во всем диапазоне
- Значительная экономия энергии при частичных нагрузках
- Высокий пусковой момент (до 150-200% от номинального)
- Возможность точного позиционирования
- Расширенные функции защиты и диагностики
- Встроенные ПИД-регуляторы для автоматизации процессов
Ограничения:
- Более высокая стоимость
- Большие габариты
- Генерация гармоник в сеть
- Необходимость специальных мер при использовании длинных кабелей
- Более сложная настройка
6.2. Рекомендации по применению
Исходя из особенностей УПП и ЧП, можно дать следующие рекомендации по их применению:
Устройства плавного пуска рекомендуются для:
- Приводов, работающих с постоянной скоростью
- Центробежных насосов и вентиляторов без необходимости регулирования
- Конвейеров с постоянной скоростью
- Компрессоров с постоянной скоростью
- Систем с частыми пусками/остановами
Частотные преобразователи рекомендуются для:
- Приводов с переменной скоростью
- Насосных и вентиляторных станций с переменной нагрузкой
- Подъемно-транспортного оборудования
- Прецизионных позиционирующих систем
- Систем с требованиями по энергосбережению
- Оборудования с необходимостью плавного пуска при высоком пусковом моменте
Практический пример:
Для насосной станции с переменным расходом в течение суток использование ЧП вместо постоянной скорости с регулированием задвижкой может дать экономию электроэнергии до 30-50%. При этом окупаемость ЧП может составить от нескольких месяцев до 2-3 лет в зависимости от режима работы.
7. Обзор производителей и моделей
7.1. Ведущие производители УПП
На рынке устройств плавного пуска представлены следующие ведущие производители:
- ABB - серии PSR, PSE, PSTX с диапазоном мощностей от 3 до 1250 кВт
- Schneider Electric - серии Altistart (ATS01, ATS22, ATS48) от 4 до 900 кВт
- Siemens - серия SIRIUS 3RW (3RW30, 3RW40, 3RW44, 3RW55) от 1.5 до 1000 кВт
- Danfoss - серии MCD 100, MCD 200, MCD 500 от 0.1 до 850 кВт
- WEG - серии SSW05, SSW07, SSW08 от 1.5 до 1700 кВт
- INSTART - серии SSI, SBI от 5.5 до 600 кВт
Каждый производитель предлагает модели разного функционального уровня, от базовых до продвинутых с расширенными возможностями коммуникации и защиты.
7.2. Ведущие производители ЧП
Рынок частотных преобразователей представлен следующими основными производителями:
- ABB - серии ACS310, ACS380, ACS580, ACS880 для различных применений
- Danfoss - серии FC-051, FC-102, FC-202, FC-302 для различных отраслей
- Siemens - серии SINAMICS V20, G120, S120 от простых до высокопроизводительных
- Schneider Electric - серии Altivar (ATV12, ATV320, ATV630, ATV900)
- Mitsubishi Electric - серии FR-D, FR-E, FR-A от базовых до продвинутых
- Delta Electronics - серии VFD-E, VFD-M, VFD-C с различным функционалом
- Toshiba - серии VFAS3, VFNC3, VFMB1 для разных отраслей
- Hyundai - серии N700E, N700V, H100 с разным функционалом
- Vesper - серии E3-8100, E3-9100, EI-P7012 различного назначения
- INNOVERT - серии IBD, ISD, IVD от базовых до продвинутых
Наши предложения по частотным преобразователям:
Компания "Иннер Инжиниринг" предлагает широкий ассортимент частотных преобразователей ведущих мировых производителей. У нас вы найдете оптимальное решение для любой задачи автоматизации и управления электроприводом.
Наши специалисты помогут подобрать оптимальное устройство для вашей задачи с учетом всех особенностей применения, проконсультируют по вопросам монтажа и настройки.
Заключение
Устройства плавного пуска и частотные преобразователи являются важными элементами современных электроприводов, позволяющими значительно повысить их эффективность, надежность и срок службы. При выборе между УПП и ЧП необходимо учитывать конкретные требования к системе, режимы работы оборудования и экономические факторы.
Для приводов с постоянной скоростью, где основная задача — обеспечить мягкий пуск и останов, оптимальным выбором будет УПП. Для систем, требующих регулирования скорости и/или высокой энергоэффективности, следует выбирать частотный преобразователь.
Важно также учитывать условия эксплуатации, особенно температурный режим, и при необходимости применять соответствующие меры для снижения номинальных характеристик или улучшения охлаждения. Для частотных преобразователей следует обращать внимание на проблему гармоник и применять соответствующие методы их снижения.
Информация и отказ от ответственности
Данная статья предназначена только для ознакомительных целей. Приведенные данные о защитных функциях, характеристиках и параметрах устройств являются типовыми и могут отличаться в конкретных моделях. Перед выбором и использованием оборудования рекомендуется ознакомиться с актуальной документацией производителя.
Автор и компания "Иннер Инжиниринг" не несут ответственности за возможные ошибки или неточности в материале, а также за любые действия, предпринятые на основе информации из данной статьи.
Источники информации:
- Технические каталоги и руководства производителей оборудования
- IEC 60947-4-2 - Стандарт на устройства плавного пуска
- IEC 61800 - Стандарты на системы электропривода с регулируемой скоростью
- IEEE 519 - Рекомендации по контролю гармоник в электрических системах
