Применение частотных преобразователей

в сельском хозяйстве
Если еще лет десять-двадцать назад термин «преобразователь частоты» был знаком только профессионалам-электрикам, то сегодня все сложнее найти предприятие или хозяйство, где бы не применялся частотный метод управления работой электродвигателя. Причем возможности, предоставляемые частотным преобразователем, настолько широки, что практически любая система, где задействован синхронный или асинхронный электродвигатель, может быть усовершенствована и автоматизирована методом частотного регулирования. Сами же преобразователи благодаря передовым разработкам инженеров и ученых становятся все более доступными по цене, компактными по размерам и надежными в эксплуатации.
Напомним коротко суть частотного метода управления электроприводами. Если в обычных системах двигатель может находиться только в двух состояниях – «включено» и «выключено», то путем подачи на вход двигателя напряжения нужной частоты и амплитуды можно добиться плавной регулировки скорости вращения вала и углового момента.
В результате:
- существенно снижается потребление электроэнергии;
- уменьшаются пусковые перегрузки (электрические и механические);
- появляются дополнительные возможности по автоматизации управления;
- снижается количество нештатных и аварийных ситуаций;
- упрощаются обслуживание и ремонт;
- улучшаются эксплуатационные показатели всей системы.
Рассмотрим некоторые наиболее распространенные примеры систем и установок, где обычно используется частотный метод управления работой электрического привода.
Насосное оборудование
Системы водоснабжения, являются, пожалуй, самым известным случаем простого и эффективного применения частотных преобразователей. Если расход воды меняется в широких пределах на протяжении суток или в зависимости от сезона, а двигатель насосного привода работает в режиме частых пусков и остановов, то частотный метод управления приводом оказывается идеальным техническим решением. Вот только несколько примеров систем, где преобразователь частоты помогает оптимизировать режимы работы насосного оборудования:
- водозаборные станции скважинного и открытого типа;
- насосы первого и второго уровня подъема;
- повысительные насосные станции;
- установки очистки и фильтрации;
- котельные, бойлерные и другие станции горячего водоснабжения;
- различное оборудование мелких и крупных предприятий пищевого назначения;
- замкнутые системы водооборота.
Управление давлением в трубопроводных магистралях, расходом воды и рабочей мощностью двигателя насоса ранее осуществлялось с помощью механических устройств дроссельного типа – затворов, кранов, задвижек. Подобные решения приводят к существенным непроизводительным потерям, повышению расхода воды и электроэнергии, общему снижению КПД установок. Наличие в системах многочисленных механических узлов и соединений усложняет обслуживание, приводит к частым авариям и связанным с ними простоям. Оборудование быстро изнашивается, возникает необходимость приобретения нового, привлечения специалистов для его монтажа и установки. Конечно, в результате потребители воды испытывают серьезные неудобства.
Частотный метод регулировки режимов работы привода позволяет довольно просто устранить большинство перечисленных проблем. Обычно в насосных установках для обеспечения эффективной и надежной работы системы добиваются стабилизации давления на выходе насоса (или в другой определенной точке трубопроводной магистрали). Контроль давления и обратная связь с преобразователем осуществляются путем установки датчиков давления. По кабелю или беспроводным каналам показания датчиков поступают на входы преобразователя частоты и регулируют параметры напряжения, подаваемого на электродвигатель. Соответственно меняется скорость вращения вала привода, пока давление в магистрали не достигнет нужного уровня.
Помимо давления, базовым контролируемым параметром могут выступать:
- температура воды в трубопроводе:
- уровень жидкости в том или ином резервуаре;
- степень загрязненности воды.
Среди нежелательных побочных эффектов применения частотного регулирования можно упомянуть ускорение электрокоррозийных процессов в деталях насосных систем, в частности, подшипниках. Решением этой проблемы может быть применение специальных антикоррозионных подшипников на основе металлокерамики или других непроводящих материалов.
Особенности работы жидкостных насосов и распространенность подобного применения частотного регулирования позволили разработать узкоспециализированные модели преобразователей частоты именно для насосных систем. Они более дешевые и простые в настройке и эксплуатации.
Системы вентиляции, очистки воздуха и кондиционирования
Практически везде, где осуществляется принудительное нагнетание или вытяжка воздуха с помощью воздушных насосов, возможно применение частотного метода регулирования. Помимо уж перечисленных выше общих его преимуществ, в системах подачи и очистки воздуха появляется возможность:
- управлять температурой и влажностью воздуха;
- регулировать нагрузку на двигатель насоса;
- контролировать химический состав и степень загрязненности воздуха.
Прежде всего, системам с воздушным насосом свойственна избыточность крутящего момента. Невысокие номинальные нагрузки на вал двигателя при отсутствии плавной регулировки режима работы привода приводят к значительному перерасходу электроэнергии, увеличению токовых нагрузок на обмотки и другие детали двигателя, росту непроизводительных потерь. В итоге снижается экономическая эффективность работы системы, растет число аварий и сбоев, снижается общий срок службы узлов и блоков. Приходится часто проводить профилактические и ремонтные работы с необходимостью привлечения нужных специалистов.
Установка частотного преобразователя позволяет в среднем за несколько месяцев компенсировать затраты на приобретение и пусконаладку. Общая надежность и эффективность установки при этом значительно возрастает. Управление и обслуживание системы становятся доступными даже для неподготовленного персонала. Существенно расширяются возможности по автоматизации работы насосной установки и ее интеграции с другими системами. Например, накоплен богатый опыт объединения воздухоподающих магистралей с системами обогрева (котлами, печами, градирнями), позволяющий добиться их максимально эффективного взаимодействия.
Стоит упомянуть еще один специфический момент, связанный с особенностями работы именно воздухонагнетающих установок. В случае отсутствия нагрузки на двигатель или его вынужденного выключения (например, вследствие сбоя в электросети) возможно наличие инерционного или даже обратного вращения вентиляторов. При следующем пуске двигателя насоса на валу привода возникают большие механические перегрузки, а в электроцепи двигателя – резкие скачки тока и напряжения. Частотное регулирование параметров двигателя позволяет надежно защитить узлы системы от аварий и других нарушений предусмотренного технологического режима.
Конвейерные, лифтовые и транспортерные системы
Для данного класса систем, прежде всего характерны:
- высокие механические нагрузки на валу привода;
- значительные перепады крутящего момента;
- высокая энергоемкость системы;
- суточная и сезонная зависимость загруженности установки.
- необходимость обеспечения плавности и равномерности движения подвижных элементов.
Использование частотного преобразователя (или системы из нескольких связанных преобразователей) позволяет, прежде всего достичь максимальной плавности старта и торможения транспортирующего узла. В медицинских учреждениях, на некоторых производствах, в обычных лифтах и эскалаторах этот фактор нередко является определяющем при сооружении или реконструкции системы.
Кроме того, в ряде случаев важно обеспечить постоянство скорости вращения вала или величины крутящего момента при разных уровнях загрузки транспортирующего механизма. Применение преобразователя частоты с подключением соответствующих датчиков позволяет обеспечить стабильность и точность регулировки ключевых параметров технологического режима.
Если в системе используется несколько двигателей с необходимостью обеспечить их оптимальное взаимодействие, то возможности, предоставляемые использованием частотных преобразователей, вообще трудно переоценить. Подключение преобразователей друг к другу и несложная настройка с помощью интуитивно понятного интерфейса позволяют быстро и просто достичь эффективной совместной работы всех двигателей. Обычно один из преобразователей в этом случае выполняет роль «ведущего», собирая и обрабатывая информацию с датчиков и подавая команды на остальные преобразователи, выступающие в качестве «ведомых».
Надежность и эксплуатационные характеристики всей конвейерной или транспортерной системы при таком способе управления существенно возрастает. Появляется возможность работы двигателей на очень низких оборотах – вплоть единиц и долей.
Что касается экономии электроэнергии, то очень высокая энергоемкость лифтового и конвейерного оборудования делает эту сторону функционирования систем определяющей. Прямая экономия на этой статье финансовых затрат большинстве случаев позволяют окупить пусконаладочные работы по переходу на частотное регулирование за год-полтора, даже без учета снижения расходов на обслуживание и ремонт оборудования. Конечно, общие показатели эффективности работы приводов при этом тоже повышаются.
Промышленность, транспорт и сельское хозяйство
Хотя упомянутые выше случаи использования преобразователей частоты наиболее распространены и известны, примеров удачного применения частотного управления электроприводами гораздо больше. Практически любая установка, где используется двигатель переменного тока, может быть усовершенствована, упрощена и автоматизирована путем включения в ее состав частотного преобразователя. Правильная настройка, аккуратный монтаж и подключение при необходимости дополнительных аксессуаров позволяют добиться максимальной эффективности работы и отдельных узлов, и структурных участков, и всей технологической линии. Попытаемся хотя бы коротко перечислить примеры хозяйственных систем, где можно применять частотный метод управления режимами электроприводов.
- Транспорт
Помимо непосредственно электротранспорта (троллейбусов, трамваев, электровозов и электромобилей), частотное регулирование существенно увеличивает надежность и эффективность работы многих вспомогательных и обслуживающих систем, связанных с транспортировкой грузов и пассажиров. Управление стрелочными механизмами, установками погрузки и сортировки, моечными станциями, системами подачи масла, охлаждающих жидкостей при подключении преобразователей частоты к приводным электродвигателям значительно упрощается.
- Тяжелая и легкая промышленность
Обрабатывающие станки, фасовочные и упаковочные агрегаты, линии подачи жидких, сыпучих и газообразных материалов на различные участки технологического цикла, защитно-блокировочные механизмы, системы контроля состава полуфабрикатов и готовой продукции – то есть практически любые установки с электроприводом могут быть реконструированы на базе частотных преобразователей с существенным повышением эксплуатационных характеристик.
При этом снижается энергопотребление, возрастает надежность и срок службы оборудования, уменьшаются требования к обслуживающему персоналу. В некоторых случаях можно добиться полной автоматизации, что становится особенно важным для вредных и опасных производств.
- Сельское хозяйство
Производство сельскохозяйственной продукции изначально связано с большим количеством трудовых затрат и необходимостью выполнения большого количества однообразных малоквалифицированных операций. Многолетний опыт позволил механизировать большинство основных технологических процессов, при этом на различных участках агрономических и животноводческих хозяйств широко применяются электродвигатели (синхронные и асинхронные). Практически во всех случаях, где присутствует двигатель переменного тока, применение частотного преобразователя позволяет снизить эксплуатационные расходы и улучшить технические характеристики соответствующей установки. Между тем, доставка электрической энергии к потребителям для сельскохозяйственных регионов обходится гораздо дороже, чем для крупных населенных пунктов, и вопрос снижения энергопотребления для агросектора весьма актуален. Частотный метод управления работой электродвигателей позволяет снизить расход электроэнергии на несколько десятков процентов, а во многих случаях – даже в несколько раз.
Стоит отметить, что нередко снижение энергопотребления для ряда сельскохозяйственных машин и агрегатов позволяет вообще избавиться от необходимости подключения к единой энергосистеме и ограничиться использованием местных источников энергии – автономных котельных, гидро- и ветрогенераторов, солнечных энергоустановок.
Таким образом, современные аппаратные и программные решения в области частотного управления электроприводами позволяют значительно повысить эффективность работы большинства машин и механизмов на их основе. При этом комфорт и удобство для людей выходят на совершенно новый уровень. Это касается как потребителей продукции и услуг, так и обслуживающего персонала. Снижение расхода энергии и других природных ресурсов имеет и заметный экологический эффект. Снижается и степень загрязненности окружающей среды – в частности, за счет надежного контроля состава газовых, жидких и сыпучих смесей.
Все это позволяет утверждать, что перед частотными преобразователями и впредь будут открыты самые широкие перспективы.