Таблицы выбора устройств плавного пуска и частотных преобразователей

Таблица 1: Выбор устройств плавного пуска по типу нагрузки

Таблица 2: Рекомендуемые параметры для различных типов нагрузки

Таблица 3: Выбор тормозных резисторов для частотных преобразователей

Таблица 4: Гармонические искажения частотных преобразователей

1. Введение

В современной промышленности эффективное управление электродвигателями играет ключевую роль в обеспечении надежности и энергоэффективности производственных процессов. Два основных технических решения – устройства плавного пуска (УПП) и частотные преобразователи (ЧП) – применяются для различных задач управления электродвигателями. Правильный выбор между этими технологиями требует глубокого понимания их принципов работы, характеристик и областей применения.

Устройства плавного пуска обеспечивают плавный разгон и торможение двигателей за счет регулирования напряжения, что значительно снижает пусковые токи и механические ударные нагрузки. Частотные преобразователи, помимо этих функций, позволяют регулировать скорость вращения двигателя путем изменения частоты питающего напряжения, что открывает широкие возможности для оптимизации технологических процессов и энергосбережения.

В данной статье представлены подробные таблицы для выбора УПП по типам нагрузки, рекомендации по настройке параметров, спецификации тормозных резисторов для ЧП и данные по гармоническим искажениям с методами их снижения. Эта информация позволит инженерам и техническим специалистам принимать обоснованные решения при выборе оборудования для конкретных промышленных задач.

2. Устройства плавного пуска (УПП)

2.1. Принцип работы УПП

Устройства плавного пуска работают на основе фазового управления напряжением с помощью полупроводниковых элементов – тиристоров или симисторов. УПП плавно увеличивает напряжение, подаваемое на двигатель, от начального значения (обычно 30-50% от номинального) до полного напряжения в течение заданного времени разгона. За счет этого значительно снижается пусковой ток и механические нагрузки на двигатель и приводимый механизм.

Основные элементы типичного УПП:

• Силовая часть с тиристорами или симисторами
• Микропроцессорный блок управления
• Система измерения тока и напряжения
• Система защиты от аварийных режимов
• Интерфейс пользователя и коммуникационные порты

Современные УПП имеют несколько режимов запуска:

• Линейное нарастание напряжения – классический режим, подходящий для большинства применений
• Ограничение тока – поддержание постоянного значения пускового тока
• Режим пуска с начальным броском момента – для нагрузок с высоким начальным сопротивлением
• Режим контроля момента – для плавного изменения крутящего момента
• Импульсный пуск – для преодоления начального трения

2.2. Области применения УПП

Устройства плавного пуска наиболее эффективны в системах, где требуется только снижение пусковых токов и механических нагрузок, а регулирование скорости в процессе работы не требуется. Основные области применения:

• Насосные системы – предотвращение гидравлических ударов при пуске и останове
• Вентиляционные системы – плавный разгон вентиляторов большой мощности
• Конвейерные системы – устранение рывков при пуске ленточных конвейеров
• Компрессорное оборудование – снижение нагрузки на механические компоненты
• Дробильное оборудование – предотвращение повреждения механизмов

2.3. Критерии выбора УПП

При выборе устройства плавного пуска необходимо учитывать следующие основные параметры:

• Номинальная мощность и ток двигателя – УПП должно соответствовать или превышать номинальные характеристики двигателя
• Тип нагрузки – для разных типов нагрузки требуются различные настройки и запас по мощности (см. Таблицу 1)
• Частота пусков – влияет на тепловой режим работы УПП
• Условия окружающей среды – температура, влажность, запыленность
• Требуемые защитные функции – защита от перегрузки, асимметрии фаз, пропадания фазы и т.д.
• Необходимость функции плавного останова – особенно важна для насосных систем

Для корректного выбора УПП по мощности необходимо учитывать как характеристики двигателя, так и характер нагрузки. В зависимости от типа нагрузки может потребоваться запас по мощности УПП относительно номинальной мощности двигателя:

• Легкий пуск (вентиляторы, центробежные насосы) – 100-110% от номинальной мощности двигателя
• Нормальный пуск (конвейеры, винтовые компрессоры) – 150-200% от номинальной мощности двигателя
• Тяжелый пуск (поршневые компрессоры, дробилки) – 200-300% от номинальной мощности двигателя

2.4. Настройка параметров УПП

Правильная настройка параметров УПП критически важна для обеспечения оптимального пуска и останова двигателя. Основные параметры, требующие настройки:

• Начальное напряжение – определяет начальный момент при пуске (обычно 30-60% от номинального)
• Время разгона – период, за который напряжение повышается от начального до номинального
• Ограничение тока – максимально допустимый ток во время пуска (обычно 300-450% от номинального)
• Профиль пуска – линейное напряжение, квадратичное напряжение, линейный момент и т.д.
• Время останова – период, за который напряжение снижается от номинального до минимального
• Порог срабатывания защит – по току, напряжению, асимметрии фаз и т.д.

Рекомендуемые настройки для различных типов нагрузки приведены в Таблице 2. Эти значения могут служить отправной точкой, но в каждом конкретном случае может потребоваться корректировка параметров в зависимости от характеристик двигателя и приводимого механизма.

3. Частотные преобразователи (ЧП)

3.1. Принцип работы ЧП

Частотные преобразователи преобразуют входное сетевое напряжение с постоянной частотой в напряжение с регулируемой частотой и амплитудой. Современные ЧП имеют следующую структуру:

• Выпрямитель – преобразует переменное напряжение сети в постоянное
• Звено постоянного тока – сглаживает пульсации выпрямленного напряжения
• Инвертор – преобразует постоянное напряжение в переменное с регулируемой частотой и амплитудой
• Микропроцессорная система управления – обеспечивает контроль всех параметров и алгоритмов работы

Основные методы управления двигателем в частотных преобразователях:

• Скалярное управление (U/f) – поддержание постоянного соотношения напряжение/частота
• Векторное управление без датчика – расчет вектора потокосцепления ротора на основе измеряемых параметров
• Векторное управление с датчиком обратной связи – наиболее точное управление с использованием энкодера
• Прямое управление моментом (DTC) – быстродействующий алгоритм с высокой точностью регулирования момента

3.2. Области применения ЧП

Частотные преобразователи применяются в системах, где требуется регулирование скорости двигателя в процессе работы, точное поддержание технологических параметров или значительная экономия электроэнергии. Основные области применения:

• Насосные станции – регулирование расхода и давления, экономия электроэнергии
• Вентиляционные системы – регулирование воздушного потока, энергосбережение
• Конвейерные линии – точное поддержание скорости и синхронизация
• Подъемно-транспортное оборудование – точное позиционирование и контроль ускорений
• Промышленные станки и обрабатывающие центры – прецизионное управление скоростью
• Компрессоры – регулирование производительности, снижение энергопотребления

3.3. Критерии выбора ЧП

При выборе частотного преобразователя необходимо учитывать следующие параметры:

• Мощность и тип двигателя – асинхронный, синхронный, с постоянными магнитами
• Требуемый диапазон регулирования скорости – влияет на выбор метода управления
• Требуемая точность поддержания скорости и момента – определяет необходимость использования векторного управления
• Характер нагрузки – постоянный момент, переменный момент, динамические режимы
• Режим работы – длительный, повторно-кратковременный, с частыми пусками
• Необходимость рекуперации энергии – требуется ли возврат энергии в сеть при торможении
• Условия эксплуатации – температура, влажность, запыленность, вибрации
• Требования к защитным функциям – защита двигателя, преобразователя, технологического процесса
• Интерфейсы связи – для интеграции в АСУ ТП

Для большинства применений ЧП выбирается по номинальной мощности двигателя без дополнительного запаса. Однако в случаях с тяжелым пуском, частыми торможениями или работой с перегрузками может потребоваться выбор ЧП на ступень выше по мощности.

4. Тормозные резисторы для частотных преобразователей

4.1. Принцип работы и назначение

При торможении электродвигателя происходит его переход в генераторный режим работы, когда механическая энергия инерции нагрузки преобразуется в электрическую. Эта энергия возвращается в звено постоянного тока частотного преобразователя, вызывая повышение напряжения. Для защиты от перенапряжения и утилизации избыточной энергии используется тормозной транзистор с тормозным резистором.

Тормозной резистор выполняет следующие функции:

• Преобразование электрической энергии торможения в тепловую
• Предотвращение превышения напряжения в звене постоянного тока ЧП
• Обеспечение быстрого торможения двигателя
• Стабилизация работы привода в тяжелых динамических режимах

Процесс торможения с использованием тормозного резистора работает следующим образом:

1. При превышении напряжения в звене постоянного тока выше порогового значения (обычно 380-400 В для сети 220 В или 770-800 В для сети 380 В) открывается тормозной транзистор
2. Избыточная энергия направляется в тормозной резистор, где преобразуется в тепло
3. При снижении напряжения ниже порогового значения тормозной транзистор закрывается

4.2. Выбор тормозных резисторов

Правильный выбор тормозного резистора зависит от следующих факторов:

• Мощность частотного преобразователя – определяет номинальную мощность резистора
• Момент инерции нагрузки – влияет на энергию торможения
• Время торможения – более короткое время требует более мощного резистора
• Частота циклов торможения – определяет термический режим работы резистора
• Напряжение звена постоянного тока – определяет сопротивление резистора

Основные параметры тормозного резистора, требующие определения:

• Сопротивление (Ом) – зависит от напряжения звена постоянного тока и тока тормозного транзистора
• Мощность (кВт) – определяется энергией торможения и скважностью
• Кратковременная перегрузочная способность – способность выдерживать пиковые нагрузки
• Скважность – отношение времени работы резистора к полному времени цикла

В Таблице 3 приведены рекомендации по выбору тормозных резисторов для различных мощностей частотных преобразователей с указанием оптимальных параметров сопротивления, мощности и скважности.

4.3. Расчет параметров тормозных резисторов

Для более точного расчета параметров тормозного резистора применяются следующие формулы:

Энергия торможения (Дж):

E = 0.5 × J × (ω₁² - ω₂²)

где J – момент инерции системы (кг·м²), ω₁ – начальная угловая скорость (рад/с), ω₂ – конечная угловая скорость (рад/с).

Минимальное сопротивление резистора (Ом):

R = U² / P

где U – напряжение срабатывания тормозного транзистора (В), P – пиковая мощность торможения (Вт).

Мощность резистора (Вт):

P = E / t × s

где E – энергия торможения (Дж), t – время торможения (с), s – скважность (отн. ед.).

Для нагрузок с высокой инерцией и частыми циклами торможения рекомендуется использовать специальные тормозные резисторы с высокой теплоемкостью и эффективным охлаждением. В особо тяжелых режимах работы может потребоваться установка нескольких параллельно работающих тормозных резисторов или использование частотного преобразователя с функцией рекуперации энергии в сеть.

5. Гармонические искажения

5.1. Природа гармонических искажений

Частотные преобразователи являются нелинейной нагрузкой для электрической сети, что приводит к возникновению гармонических искажений тока и напряжения. Основной источник гармоник в ЧП – выпрямитель на входе преобразователя, который потребляет ток импульсной формы.

Основные характеристики гармонических искажений:

• THDi (Total Harmonic Distortion current) – коэффициент гармонических искажений тока
• THDu (Total Harmonic Distortion voltage) – коэффициент гармонических искажений напряжения
• Порядок гармоник – для 6-пульсного выпрямителя наиболее значимы 5, 7, 11, 13 гармоники

Характер гармонических искажений зависит от типа преобразователя:

• 6-пульсный выпрямитель – наиболее распространенный, создает до 80-120% THDi
• 12-пульсный выпрямитель – значительно снижает 5 и 7 гармоники, THDi около 12-15%
• 18-пульсный выпрямитель – дополнительно снижает 11 и 13 гармоники, THDi около 5-8%
• Активный выпрямитель (AFE) – формирует синусоидальный ток, THDi менее 5%

5.2. Проблемы, вызываемые гармоническими искажениями

Высокий уровень гармонических искажений может вызвать ряд проблем в электрической сети и подключенном оборудовании:

• Дополнительные потери в трансформаторах и линиях – увеличение нагрева и снижение срока службы
• Перегрузка нулевого проводника – из-за суммирования гармоник, кратных трем
• Резонансные явления в сети – усиление отдельных гармоник
• Перегрузка конденсаторов компенсации реактивной мощности – преждевременный выход из строя
• Помехи в работе чувствительного электронного оборудования – сбои в системах связи и управления
• Ложные срабатывания автоматов защиты – из-за искажения формы тока

5.3. Методы снижения гармонических искажений

Для снижения уровня гармонических искажений в сети при использовании частотных преобразователей применяют следующие методы и устройства:

• Входные дроссели – самый простой и экономичный способ, снижает THDi до 30-45%
• Пассивные фильтры гармоник – специальные LC-контуры, настроенные на частоты определенных гармоник
• Активные фильтры гармоник – компенсируют гармоники путем инжекции в сеть гармонических токов в противофазе
• Многопульсные схемы выпрямления – 12, 18, 24-пульсные схемы с фазосдвигающими трансформаторами
• Активные выпрямители (AFE) – обеспечивают синусоидальный ток потребления и возможность рекуперации

Выбор метода снижения гармоник зависит от требований к качеству электроэнергии, мощности установки и экономических факторов. В Таблице 4 приведены сравнительные характеристики различных типов преобразователей с точки зрения гармонических искажений и методов их снижения.

6. Сравнение УПП и ЧП

6.1. Области применения

Выбор между устройством плавного пуска и частотным преобразователем должен основываться на требованиях конкретного применения:

• УПП оптимально для:
  • Систем, где требуется только плавный пуск и останов
  • Приводов, работающих постоянно с номинальной скоростью
  • Систем с редкими пусками (менее 5-10 в час)
  • Систем с ограниченным бюджетом, где не требуется регулирование скорости
• ЧП оптимально для:
  • Систем с регулированием скорости в процессе работы
  • Применений, требующих высокой точности регулирования момента
  • Энергосберегающих решений для насосов и вентиляторов
  • Систем с частыми пусками и остановами
  • Высокодинамичных приводов с контролем ускорений

6.2. Энергоэффективность

С точки зрения энергоэффективности ЧП и УПП имеют существенные различия:

• УПП:
  • Экономия энергии только в процессе пуска и останова
  • Незначительные потери в рабочем режиме (0.5-2%)
  • Отсутствие возможности оптимизации работы в соответствии с текущей нагрузкой
• ЧП:
  • Существенная экономия энергии для нагрузок с переменным моментом (насосы, вентиляторы) – до 30-50%
  • Потери в номинальном режиме около 3-5%
  • Возможность оптимизации режима работы двигателя при частичной нагрузке
  • Возможность рекуперации энергии (для ЧП с активным выпрямителем)

6.3. Стоимость и окупаемость

Экономическая эффективность применения УПП или ЧП зависит от множества факторов:

• Капитальные затраты:
  • Стоимость УПП составляет примерно 30-50% от стоимости ЧП аналогичной мощности
  • ЧП требует дополнительных затрат на фильтры, экранированные кабели, тормозные резисторы
• Эксплуатационные расходы:
  • ЧП обеспечивает существенную экономию электроэнергии при регулировании скорости
  • УПП обычно имеет больший срок службы из-за более простой конструкции
  • ЧП требует более квалифицированного обслуживания
• Срок окупаемости:
  • Для УПП – за счет снижения пусковых токов и уменьшения механических нагрузок
  • Для ЧП – преимущественно за счет экономии электроэнергии и повышения качества технологического процесса

Типичный срок окупаемости ЧП для насосов и вентиляторов при постоянно меняющихся режимах работы составляет 1-2 года. Для УПП срок окупаемости определяется в основном повышением надежности оборудования и снижением затрат на ремонт.

7. Производители и модели

На российском рынке представлен широкий выбор устройств плавного пуска и частотных преобразователей от различных производителей. Каждый производитель имеет свои особенности и сильные стороны.

При выборе производителя и модели устройства рекомендуется учитывать не только стоимость оборудования, но и доступность технической поддержки, наличие сервисных центров, доступность запасных частей и репутацию производителя на рынке.

Компания Иннер Инжиниринг предлагает широкий ассортимент устройств плавного пуска и частотных преобразователей от ведущих мировых производителей, а также собственную линейку продукции под маркой Inner. Наши специалисты помогут с выбором оптимального решения для ваших задач, предоставят техническую консультацию и обеспечат квалифицированную поддержку на всех этапах от проектирования до внедрения и эксплуатации.