В статье рассказывается о «частотниках» (частотных преобразователях) на отечественном рынке силового оборудования и в нормативно-правовой базе. Некоторые аспекты применения комплектных преобразователей в частотно-регулируемых приводах.
Для отечественного рынка силового электрического оборудования, к сожалению, характерен уход от технически грамотной терминологии, обозначений, норм и требований, регламентируемых федеральными стандартами, что увеличивает риски неправильного подбора устройств для силовых сетей промышленных, непромышленных, инфраструктурных объектов и, соответственно, аварийных ситуаций.
Один из наглядных примеров такого негатива – предложения «частотников» (частотных преобразователей), причем с заявлением соответствия характеристик (а иногда и сертификацией) ГОСТ Р 51321.1-2007, хотя:
- ГОСТ Р 51321.1-2007 отменен с 01.03.2022 и вместо него по низковольтным комплектным устройствам действует семейство ГОСТ IEC 61439, а также пакеты целевых стандартов ГОСТ IЕС 60034 и ГОСТ IEC 61800;
- реализуются не просто преобразователи, а готовые к использованию низковольтные комплектные устройства в защитных оболочках (корпусах), включающие модуля контроля и управления (программируемый логический контроллер – аббревиатура ПЛК), собственно преобразователя из блоков выпрямителя, звена постоянного тока (аббревиатура ЗПТ) из емкости и/или индуктивности, инвертора, тормозного устройства, входных и выходных реакторов, фильтров, системы охлаждения и т.д.;
- ГОСТ Р 51321.1-2007 (цитата) ««не распространяется на комплектующие элементы, имеющие собственные оболочки, например такие, как пускатели, предохранители-выключатели, электронное оборудование и т.д., требования к которым установлены в соответствующих стандартах».
Т.е. de facto речь идет не о «частотниках», а о комплектных преобразователях для электропривода переменного тока с регулируемой скоростью (complete drive module – CDM по ГОСТ IEC 61800-2-2018) под асинхронный двигатель (по ГОСТ 31606-2012), которые должны быть сертифицированы, как минимум по ГОСТ IEC/TR 61439-0-2014, ГОСТ IEC 61439-1-2013, ГОСТ IEC 61439-2-2015, а в идеале и по стандартам семейств ГОСТ IЕС 60034 и ГОСТ IEC 61800, включая ГОСТ IEC 61800-9-2-2021по энергоэффективности и выбору систем силовых электроприводов, силовой электроники и электромеханических комплексов.
Согласно ГОСТ IEC 61800-9-2-2021 (см. схему ниже) электропривод формирует комплектный преобразователь частоты и электродвигатель, а сам частотный преобразователь может быть непосредственным (с однократным преобразованием) или двухзвенным с выпрямителем и автономным инвертором тока (АИТ) или напряжения (АИН), обязательно включающими ЗПТ, которое интегрируется между выпрямителем и инвертором.
Некоторые аспекты применения комплектных преобразователей в частотно-регулируемых приводах
С помощью преобразователя частоты (упрощенно) регулируется скорость и крутящий (вращающий) момент на валу двигателя, что согласует привод с требованиями технологического процесса и позволяет экономить электроэнергию, а также увеличить долговечность оборудования в силовой сети.
Наиболее эффективно (по энергосбережению) и снижению рисков аварий применение частотных преобразователей при эксплуатации:
- центробежных насосов и вентиляторов, где вращающий момент нагрузки имеет квадратичную, а потребляемая мощность – кубическую зависимость от скорости вращения вала;
- винтовых насосов, прокатных станов, где вращающий момент нагрузки имеет линейную, но потребляемая мощность – степенную зависимость от скорости вращения вала (см. более детально о типах нагрузки, а также зависимости вращающего момента (Т) и мощности (Р) от скорости вращения вала (n) в этом материале).
В большинстве случаев применения частотно-регулируемых приводов (далее по тексту ЧРП) вращающий момент, мощность и частота вращения вала двигателя (угловая скорость) являются наиболее важными параметрами и используются для графической иллюстрации производительности привода. Одним из наиболее популярных применений частотно-регулируемых приводов для экономии энергии является регулирование скорости центробежного насоса для управления потоком жидкости.
В насосных системах кривые Q–H (расход-напор) обычно используются вместо кривых вращающего момента и скорости для выбора подходящих характеристик насоса, но они имеют много общего. На рисунке ниже показан типичный набор кривых добротности Q–H, которые показывают, что при увеличении напора на центробежном насосе расход уменьшается и наоборот.
Теоретически и на практике поток жидкости через насос можно контролировать, регулируя скорость двигателя, приводящего в движение насос, или закрывая регулирующий клапан перед потоком (дросселирование). Дросселирование увеличивает эффективный напор на насосе, что, исходя из кривой Q–H, снижает расход.
Как видно из графика, уменьшение потока от Q2 к Q1 может быть достигнуто с помощью одной из следующих двух альтернативных стратегий:
- регулирование скорости привода – расход уменьшается вдоль кривой A–B и до точки на другой кривой Q–H. По мере снижения скорости давление/напор уменьшается в основном из-за уменьшения трения в трубах. Новый стабильный расход Q1 м3/ч достигается в точке B и приводит к напору H2;
- управление дроссельной заслонкой – клапан перед потоком частично закрыт для ограничения потока. По мере увеличения давления/напора клапаном поток уменьшается по кривой A–C. Новый стабильный расход Q1 м3/ч достигается в точке C и приводит к напору H1.
При постоянном потоке при Q1 энергия, сэкономленная при использовании управления скоростью привода вместо управления дроссельной заслонкой, прямо пропорциональна разнице в напоре между точкой В и точкой С. Экономия энергии на больших насосах может быть весьма существенной, и ее можно легко рассчитать на основе данных по насосу, используемому в конкретной области применения.
Кроме того, использование ЧРП для регулирования насосов имеет и другие преимущества:
- плавный запуск, плавное ускорение/замедление для снижения механического износа и рисков гидравлического удара;
- отсутствие скачков тока в системе электроснабжения;
- скорость можно регулировать в соответствии с изменениями в технологическом процессе;
- возможно автоматическое управление переменной процесса через ПЛК, например, для поддержания постоянного потока, постоянного давления и т.д.