Частотный преобразователь или устройство плавного пуска выбирают по одному вопросу: нужно ли менять скорость двигателя во время работы. Устройство плавного пуска (УПП) плавно поднимает напряжение на асинхронном двигателе при старте и ограничивает пусковой ток, но частота остаётся сетевой, 50 Гц, и после разгона скорость не регулируется. Частотный преобразователь (ЧП, ЧРП) меняет и частоту, и напряжение, поэтому управляет скоростью всё время работы. Короче говоря, УПП лечит пуск, а частотник — режим.
ЗТА с 2013 года собирает на своём производстве шкафы автоматики, где частотники и УПП работают под управлением ПЛК, и щиты управления с плавным пуском — всего 250+ проектов в России и СНГ. Ошибаются в обе стороны: частотники ставят везде ради экономии или берут УПП туда, где нужно регулирование. Разберём, где граница.
Чем плох прямой пуск
Включённый напрямую в сеть асинхронный двигатель на старте потребляет в 5–7 раз больше номинального тока. У мотора 55 кВт на 380 В номинал около 100 А, то есть несколько секунд по кабелю идёт 500–700 А.
Небольшому двигателю это простительно, крупному — нет. Просаживается напряжение у соседних потребителей, срабатывает автомат, в трубопроводе насоса гидроудар, лента конвейера дёргается, зубья редуктора получают удар. Справляются с этим тремя способами: переключением «звезда — треугольник», УПП или частотником.
Частотный преобразователь или устройство плавного пуска выбирают по одному вопросу: нужно ли менять скорость двигателя во время работы. УПП лечит пуск, а частотник — режим.
Сравнение ЧП и УПП
| Параметр | УПП | Частотный преобразователь |
|---|---|---|
| Принцип | Плавный подъём напряжения на старте | Регулирование частоты и напряжения постоянно |
| Скорость после разгона | Сетевая | От почти нуля до номинала |
| Пусковой ток | Обычно 2–4 номинальных | Ограничен перегрузкой ЧП, в тяжёлом режиме обычно 150% номинала до минуты |
| Момент при пуске | Снижается вместе с напряжением | В векторном режиме высокий и на малых оборотах |
| Нагрев шкафа | Минимальный при работе через байпас | 2–3% мощности уходит в тепло |
| Габариты и цена | Меньше и дешевле при равной мощности | Дороже, нужна вентиляция |
УПП: как работает и где его хватает
На фазах стоят тиристоры, включённые парами навстречу друг другу. Угол их открытия меняется, поэтому напряжение на обмотках растёт постепенно, за заданное время — например, 10–20 секунд. Мотор вышел на номинальную скорость — замыкается байпасный контактор, двигатель дальше питается прямо от сети, а тиристоры отдыхают и не греются. Многие модели умеют ещё и плавно останавливать двигатель, что снижает гидроудар в насосных линиях.
Слабое место УПП — момент. Он зависит от квадрата напряжения: при половинном напряжении остаётся четверть момента. Насосу и вентилятору этого хватает. Шнек, забитый продуктом, или загруженный конвейер может так и не стронуться, а УПП уйдёт в защиту.
Когда разумно ставить УПП:
- насос качает с постоянным расходом, и задача только убрать бросок тока и гидроудар;
- вентилятор, производительность которого не регулируют;
- крупный двигатель несколько раз за смену стартует вхолостую — дробилка, мельница;
- сеть слабая и при прямом пуске просаживается, а регулировать скорость не нужно.
Частотник: как работает и где нужен
Устройство трёхзвенное. Выпрямитель делает из переменного сетевого напряжения постоянное, конденсаторы в промежуточном звене его сглаживают, а инвертор на IGBT-транзисторах широтно-импульсной модуляцией собирает на выходе трёхфазное напряжение с нужной частотой.
Отсюда возможности: плавная смена скорости, разгон без броска тока, большой момент на малых оборотах в векторном режиме, реверс и торможение. И работа по датчику, когда ЧП сам держит заданное давление, уровень, расход или загрузку.
Насосы и вентиляторы с переменной нагрузкой. У центробежной машины расход меняется пропорционально скорости, напор — пропорционально её квадрату, а мощность — кубу. Снизили обороты до 80% — в теории потребляемая мощность падает до 0,8³ ≈ 0,51 от прежней. На практике выигрыш скромнее, мешают статический напор и потери, но масштаб тот же. Если сейчас производительность режут задвижкой или заслонкой, мотор крутится на полных оборотах, а лишняя энергия тратится на сопротивление. На насосных станциях частотное регулирование срезает расход электроэнергии на 30–50%, вложения возвращаются за 1–3 года одной экономией на счетах, а аварийных простоев становится меньше на 40–60%.
Питатели и дозаторы. Частотник здесь нужен ради точности подачи. При дозировании основную массу компонента подают быстро, а недостающий остаток добирают микродозами через ЧП. Так же устроен наш пульт молотковой дробилки: питатель на частотнике, подача регулируется. Главный же её привод запускается переключением «звезда — треугольник» — ротор крутится с постоянной скоростью и стартует пустым, частотнику там делать нечего.
Что заложить в проект, если выбран частотник
Кроме цены самого аппарата, частотник требует вот чего.
Отвод тепла. КПД преобразователя около 97–98%, остальное превращается в тепло внутри шкафа: аппарат на 75 кВт выделяет примерно 1,5–2 кВт. Если не предусмотреть вентиляцию с фильтрами, в пыльном цеху шкаф перегреется в первую же жару.
Длина моторного кабеля. Импульсы ШИМ с крутыми фронтами на длинном кабеле создают на обмотках всплески напряжения. Сколько метров допустимо без дросселя или фильтра, сказано в документации на ЧП. Далёкому двигателю фильтр нужен с первого дня, до пробоя изоляции.
Охлаждение мотора. Собственный вентилятор двигателя насажен на вал. На малых оборотах с полным моментом мотор перегревается даже при нормальном токе. Помогает независимый вентилятор или ограничение минимальной скорости.
Помехи. ЧП потребляет несинусоидальный ток и создаёт высокочастотные помехи. Нужен экранированный кабель к двигателю с правильно заземлённым экраном, а если частотников на вводе много — ещё и сетевые дроссели.
Настройка. Заводские уставки — только отправная точка. Разгон, токоограничение, защиты и ПИД-регулятор давления подгоняют под конкретную машину.
Выбор по типу оборудования
| Механизм | Решение |
|---|---|
| Насос, разбор меняется в течение дня | ЧП: поддержание давления и экономия 30–50% энергии |
| Насос с неизменным расходом | УПП для мягкого старта и остановки |
| Вентилятор, который сейчас дросселируют заслонкой | ЧП вместо заслонки |
| Главный привод дробилки | «Звезда — треугольник» или УПП |
| Питатель, шнековый дозатор | ЧП, чтобы менять подачу |
| Конвейер, стартующий под продуктом | ЧП ради пускового момента |
| Маленький мотор при сильной сети | Прямой пуск: меньше электроники — меньше отказов |
Комбинированные схемы
На насосных станциях оба аппарата часто работают вместе. Один насос на частотнике поддерживает давление, а когда его производительности не хватает, через УПП или пускатели подключаются остальные. Дорогой аппарат в схеме один, регулирование плавное.
Если остановка насоса недопустима, закладывают байпас частотника. При отказе ЧП двигатель переключают на сеть напрямую, и станция продолжает работать, пусть и без регулирования. Только помните: пуск в обход частотника прямой, с полным броском тока.
Частые вопросы
Почему УПП не может запустить загруженный конвейер? Он снижает напряжение, а момент падает пропорционально его квадрату. Для пуска под нагрузкой нужен частотник, лучше в векторном режиме.
Сколько экономит частотник на насосе? На насосных станциях с переменным разбором — 30–50% электроэнергии, окупаемость 1–3 года. Если расход постоянный и регулировать нечего, обычно достаточно УПП.
Какие аппараты ставит ЗТА? На комбикормовых заводах — частотники и УПП ESQ, в двух шкафах управления насосами для московского объекта — ЧП и УПП ПРАКТИК.
ЗТА собирает шкафы управления с частотными преобразователями, УПП и ПЛК на своём производстве с 2013 года. Пришлите список двигателей и описание механизмов на sale@zta-nn.ru — подскажем, где окупится частотник, а где хватит УПП. Шкафы и щиты управления.
