Асинхронные двигатели: принципы эффективного управления

Значение асинхронных двигателей на любом производстве переоценить невозможно. Они обеспечивают функционирование оборудования, совершенно различного по мощности (от вентиляторов камер до дробилок), режиму работы (питающие насосы работают без остановки, а насосные станции пожаротушения могут почти не включаться) и требованиям к безопасности (взрывозащищенное и искробезопасное исполнение позволяют использовать асинхронные двигатели во взрывоопасных производственных зонах). Двигатели переменного тока с короткозамкнутым ротором отличаются простотой конструкции, невысокой стоимостью и являются самыми распространенными электрическими машинами. Согласно экспертным оценкам асинхронные двигатели потребляют до 53% всей вырабатываемой энергии.

Управление асинхронными двигателями определяется спецификой применения и требованиями к работе оборудования. Так, двигатель вентилятора должен включаться по сигналу от термодатчика, насосный двигатель — изменять скорость вращения для поддержания давления, а двигатель в составе систем, оборудованных запорно-регулирующей арматурой, — обеспечивать работу установки и контроль за состоянием арматуры. Чем выше требования к управляемому оборудованию, тем сложнее схема управления двигателем и конструкция шкафа управления.

Одно из распространенных применений асинхронных двигателей — насосы и насосные станции, активно используемые в производствах, где требуется перекачивание рабочих жидкостей, и решающие важные технологические задачи. Надежность и экономичность насосных установок серьезно влияют на показатели эффективности производства, и в свою очередь зависят от качества управления их работой. Как выбрать оптимальную схему управления для двигателей насосов и насосных станций, говорим сегодня.

Прежде всего, надо понять, как можно запускать двигатели и управлять ими. Условно по способам управления их можно разделить на три вида:

прямой пуск и работа двигателя с постоянной производительностью;
использование устройств плавного пуска (УПП) для разгона и дальнейшая работа двигателя с постоянной производительностью;
использование преобразователей частоты (частотно-регулируемых приводов — ЧРП) для оптимального разгона и изменения производительности в зависимости от условий работы.

Рассмотрим каждый из способов.

Выбор преобразователя частоты по энергетическим и внешним характеристикам

Подбор электродвигателя не входит в задачи данного обзора, поэтому будем считать, что проектант имеет исчерпывающую информацию о двигателе и свойствах нагрузки. Когда речь идет о мощности двигателя, подразумевается механическая мощность на валу. Для оценки потребляемой двигателем (входной) мощности, т. е. мощности нагрузки ПЧ, следует учитывать к.п.д. (η) и коэффициент мощности (cos φ) двигателя. Момент на валу двигателя принято представлять двумя составляющими: статической и динамической. Первая — момент, расходуемый на преодоление сил сопротивления и трения в рабочем механизме. Вторая – момент, расходуемый на преодоление инерции маховых масс самого двигателя, присоединенной трансмиссии и рабочего механизма.

Существует довольно обширный класс промышленных механизмов, в которых момент на валу электродвигателя однозначно связан со скоростью вращения, а пуско-тормозные режимы составляют незначительную часть рабочего цикла. К ним относятся центробежные насосы и вентиляторы, транспортеры, конвейеры, рольганги и т. п. В этих случаях подобрать ПЧ можно по мощности двигателя: паспортная мощность ПЧ (Sпч) должна быть больше или равна мощности, потребляемой двигателем по цепи питания.

Sпч ≥ [k * Pдв] / [η * cos φ]

Здесь Pдв – паспортное значение мощности электродвигателя; k – коэффициент искажений кривой тока ПЧ, учитывающий ШИМ — модуляцию выходного напряжения.

Для преобразователей, предназначенных для работы в составе транспортеров и конвейеров характерна перегрузочная способность до 150%, а в приводах вентиляторов и насосов – до 120%. С учетом этого, в отдельных случаях можно выбирать преобразователь на ступень ниже по мощности.

Подход меняется в тех случаях, когда в нагрузке привода значительную роль играет динамическая составляющая. Это характерно для механизмов с существенно непостоянным моментом инерции рабочей машины или когда режимы разгона, торможения и реверса повторяются часто или существенно ограничены по времени. К таким относятся приводы металлургического и подъёмно-транспортного оборудования, металлообрабатывающих станков, электротранспорта и т. п.

Из двух элементов привода – ПЧ и электродвигателя – второй существенно «крепче» в электротехническом отношении. В асинхронном двигателе с короткозамкнутым ротором, например, при прямом пуске ток может достигать величины, в 5…7 раз превышающей номинальный, а в отдельных случаях – до 12. Если при этом температура обмоток не превысит установленную, такой режим обходится без последствий. Преобразователь частоты обладает гораздо более скромными возможностями из-за ограничений силовых полупроводниковых приборов. В большинстве моделей ПЧ предельная перегрузка допустима в диапазоне 120…200% по отношению к номинальному току. Поскольку ток двигателя напрямую определяет усилие на валу, то очевидно, что динамические возможности привода будут определяться токоограничением ПЧ. В этих случаях, помимо выбора ПЧ по мощности, обязательна проверка преобразователя по предельному току при выполнении разгона максимальной интенсивности, или наоборот, возможность обеспечения времени разгона при предельном токе ПЧ. Для случая постоянного ускорения можно воспользоваться известными соотношениями для действующего значения предельного тока (Iпр) и времени разгона (∆tр):

Читать еще: Плоскорез Фокина - заменяет все садово огородные инструменты (видеообзор + чертежи)

Iпр =[k*(Mст +Mдин)*∆n] / [9,55* η * cos φ*√3*Uл]

Mдин = [J*∆n] / [9,55*∆tр]

Здесь: ∆n – приращение скорости в течение переходного процесса (об/мин); Mст – статическая составляющая момента вала двигателя (обычно – паспортное значение номинального момента, н*м); Mдин – динамическая составляющая момента двигателя (н*м); Uл – линейное напряжение, подводимое к двигателю (действующее значение, В); J – суммарный момент инерции всего механизма и двигателя, приведенный к валу двигателя (н*м/сек²).

Если предельный ток Iпр превышает ток ограничения ПЧ, или время разгона ∆tр больше, чем требуемое, нужно выбирать преобразователь стоящий выше по шкале мощностей. Иногда производитель ПЧ указывает допустимое время разгона при предельно допустимом токе — до 60 сек.

Правильный выбор ПЧ невозможен без учета решений по режимам торможения. Выбор определяет не только модель ПЧ, но и стоимость. Применяются три основных метода:

Динамическое торможение с разрядом энергии промежуточного звена преобразователя на дополнительное сопротивление. ПЧ этих моделей снабжаются встроенным модулем тормозного прерывателя. В приводах небольшой мощности встроенным может быть и тормозной резистор, однако, чаще всего это внешнее устройство, требующее так же дополнительных затрат.

В двух этих случаях для оценки тока нагрузки ПЧ или времени движения могут использоваться приведенные выше соотношения. При этом должен быть изменен на противоположный знак статического момента Mст (а в некоторых случаях и его числовое значение).

Торможение противовключением. Обмотка двигателя подключается к постоянному напряжению; возникающий магнитный поток способствует появлению тормозного усилия, при этом энергия рассеивается на обмотках двигателя и в источнике постоянного напряжения. Способ дешевый, но, ввиду значительного нагрева, применим только при очень небольших скоростях.

Классификация электродвигателей

Указанная категория не представляет отдельный класс электродвигателей, так как устройства, входящие в рассматриваемую категорию (БДПТ, ВРД), являются комбинацией бесколлекторного двигателя, электрического преобразователя (инвертора) и, в некоторых случаях, — датчика положения ротора. В данных устройствах электрический преобразователь, в виду его невысокой сложности и небольших габаритов, обычно интегрирован в электродвигатель.
Вентильный двигатель может быть определен как электрический двигатель, имеющий датчик положения ротора, управляющий полупроводниковым преобразователем, осуществляющим согласованную коммутацию обмотки якоря [5].
Вентильный электродвигатель постоянного тока — электродвигатель постоянного тока, вентильное коммутирующее устройство которого представляет собой инвертор, управляемый либо по положению ротора, либо по фазе напряжения на обмотки якоря, либо по положению магнитного поля [1].
Электродвигатели используемые в БДПТ и ВРД являются двигателями переменного тока, при этом за счет наличия в данных устройствах электрического преобразователя они подключаются к сети постоянного тока.
Шаговый двигатель не является отдельным классом двигателя. Конструктивно он представляет из себя СДПМ, СРД или гибридный СРД-ПМ.

КДПТ — коллекторный двигатель постоянного тока
БДПТ — бесколлекторный двигатель постоянного тока
ЭП — электрический преобразователь
ДПР — датчик положения ротора
ВРД — вентильный реактивный двигатель
АДКР — асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором
АДФР — асинхронный двигатель с фазным ротором
СДОВ — синхронный двигатель с обмоткой возбуждения

СДПМ — синхронный двигатель с постоянными магнитами
СДПМП — синхронный двигатель c поверхностной установкой постоянных магнитов
СДПМВ — синхронный двигатель со встроенными постоянными магнитами
СРД — синхронный реактивный двигатель
ПМ — постоянные магниты
ЧП — частотный преобразователь

Потенциал экономии: считаем вместе

На основании данных, предоставленных компанией Mitsubishi Electric, оценим потенциал энергосбережения при внедрении преобразователей частоты.

Вначале посмотрим, как меняется мощность при различных режимах регулирования двигателя:

А теперь приведем пример расчета.

КПД электродвигателя: 96,5%;
КПД частотно-регулируемого привода: 97%;
Мощность на валу вентилятора при номинальном объеме: 1100 кВт;
Характеристика вентилятора: H=1,4 о.е. при Q=0;
Полное рабочее время за год: 8000 ч.

Режимы работы вентилятора согласно графику:

Из графика получаем следующие данные:

100% расхода воздуха – 20% времени работы за год;
70% расхода воздуха – 50% времени работы за год;
50% расхода воздуха – 30% времени работы за год.

Экономия между работой под номинальной нагрузкой и работой с возможностью регулирования скорости вращения двигателя (работа совместно с ЧРП) равна:

7 446 400 кВт*ч/год — 3 846 400 кВт*ч/год= 3 600 000 кВт*ч/год

Учтем тариф на электроэнергию равным — 1 кВт*ч / 5,5 руб. Стоит отметить, что стоимость взята по первой ценовой категории и усредненному значению для одного из промышленных предприятий Приморского края за 2019 г.

Получим экономию в денежном выражении:

3 600 000 кВт*ч/год*5,5 руб/кВт*ч= 19 800 000 руб/год

Практика реализации подобных проектов позволяет с учетом затрат на эксплуатацию и ремонты, а также стоимости самих преобразователей частоты добиться срока окупаемости в 3 года.

Как показывают цифры, в экономической целесообразности внедрения ЧРП сомневаться не приходится. Однако одной экономикой эффект от их внедрения не ограничивается. ЧРП осуществляют плавный пуск двигателя, значительно уменьшая его износ, но об этом я расскажу в следующий раз.

Схема управления. Полезные советы

При выборе оптимальной схемы управления необходимо обратить внимание на ряд немаловажных моментов:

Оперативное питание вторичных цепей управления лучше всего осуществлять по отдельной линии от источника бесперебойного питания. Но такая возможность есть не всегда, и тогда оперативное питание надо брать непосредственно от силового ввода питания в шкаф.
При наличии возможности управления двигателем из нескольких мест (местное, дистанционное) обычно устанавливается переключатель, дающий возможность управлять из того или иного места. В таких случаях схему строить следует таким образом, чтобы команда на отключение выполнялась в любом случае, вне зависимости от положения переключателя режимами управления.
Шкафы управления, оборудованные ЧРП, обязательно должны иметь активную вентиляцию. Приточный вентилятор лучше располагать в нижней части шкафа, а вытяжную решетку в верхней. Приток воздуха создает внутри избыточное давление чистого воздуха и предотвращает попадание грязного через возможные дефекты корпуса. Если шкафов будет несколько, и они будут располагаться в один ряд, то вентилятор и решетку надо располагать на дверце. Мощность вентилятора должна выбираться исходя из тепловыделения ЧРП. Следует отметить, что заводские характеристики вентилятора даются для свободного потока воздуха, при установке фильтра производительность падает на 25-30 %, также производительность будет падать по мере засорения фильтра, поэтому необходимо делать соответствующий запас при выборе вентилятора.
Не стоит забывать, что в некоторых случаях требуется амперметр, показывающий ток двигателя, и преобразователь для передачи данных в АСУ ТП.
Во многих случаях требуется передача данных в АСУ ТП, поэтому необходимо предусмотреть дополнительные клеммы для подключения аналоговых входов/выходов ЧРП и датчиков, сухих контактов реле и контактора, аварийных контактов срабатывания защит и пр.
При работе насосного агрегата может возникнуть неисправность или аварийная ситуация, поломка насоса или двигателя, отклонения параметров работы от нормы, опасная для персонала ситуация. В таком случае требуется экстренное отключение установки, для чего необходимо предусмотреть аварийную кнопку. Таких кнопок может быть несколько: на самом щите управления и непосредственно у насоса. Лучше, чтобы это была красная кнопка-грибок.

Дополнительная сложность в организации управления асинхронными двигателями обусловлена тем, что большинство представленных на рынке шкафов управления — это готовые универсальные решения, при построении которых не учитываются индивидуальные особенности производственного цикла, особенности подключаемых двигателей, требования, предъявляемые к надежности аппаратуры со стороны Заказчика, а также принцип «подобия», предполагающий максимальное приближение готового изделия к уже установленным на объекте шкафам. Поэтому в процессе монтажа и наладки приходится в большинстве случаев вносить множество изменений, что повышает риски поломки оборудования и увеличивает уровень ответственности подрядчика и требования к квалификации специалистов-наладчиков.

Компоновочные решения при проектировании шкафов управления насосами

Вообще, учитывая масштаб задач, которые решаются с применением асинхронных двигателей, и стоимость оборудования в случае применения ЧРП или УПП, первое, в чем следует убедиться при выборе поставщика оборудования для управления двигателем, — это компетенция исполнителя. Неважно, с кем вы работаете — производителем или интегратором — главное, чтобы ваш партнер смог обеспечить квалифицированную поддержку, подобрать нужный способ управления с учетом требований производства, а также выстроить надежную системы защиты.

Учет факторов размещения при подборе преобразователей частоты

Место установки и эксплуатации ПЧ должно полностью удовлетворять паспортным требованиям по температурному диапазону, влажности, высоте положения, условиям вибрации и запыленности, степени защиты по IP. Однако есть один неочевидный момент, влияющий на выбор ПЧ при конкретных условиях размещения. Существенным является расстояние удаленности преобразователя от электродвигателя. При превышении определенного расстояния, зависящего от модели ПЧ, типа кабеля, тока двигателя и др., необходима установка специального моторного дросселя. Появление этого элемента снижает эффективные характеристики привода. В качестве альтернативы возможен переход к другой модели ПЧ.