Рассмотрены преимущества управления скоростью асинхронных двигателей в приводах энергетического и технологического оборудования Описаны функциональные возможности современных частотных преобразователей на базе IGBТ - транзисторных инверторов с ШИМ - модуляцией и микропроцессорных контроллеров. Приведены примеры энергосберегающего применения преобразователей.

На современных металлургических и горнорудных предприятиях значительную долю составляют теплоэнергетические установки, насосные агрегаты, а также технологическое и вспомогательное оборудование, где в электрическом приводе машин и механизмов применяются асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором мощностью от нескольких до сотен и тысяч киловатт. Удельный вес двигателей других типов (постоянного тока, синхронных и асинхронных с фазным ротором), особенно в энергоустановках предприятия, не значителен.

Анализ энергетических и технологических установок с асинхронным приводом показывает, что в большинстве случаев управление технологическими процессами агрегатов, приводимых в действие этими двигателями, осуществляется применением разного рода регулирующих устройств, воздействующих на характеристики этих механизмов или создаваемые ими технологические потоки. Так, например, при перекачке центробежными насосами жидкого продукта (в частности, воды) в случае необходимости изменения расходов или давлении, как правило, регулируют поток в нагнетающей сети насоса его дросселированием (заслонкой, задвижкой и т.п.).

Существенной альтернативой при управлении технологическими процессами в агрегатах с асинхронными приводами может быть регулирование скорости их двигателей.

С позиции теории электрических машин и электропривода основным и наиболее экономичным способом регулирования скорости асинхронного двигателя является частотное управление им.

Сегодня на рынке Украины и стран СНГ для управления скоростью асинхронных двигателей появилось большое количество технических средств, из которых, на наш взгляд, наибольший интерес представляют транзисторные частотные преобразователи. В указанных преобразователях реализовано частотное управление асинхронными двигателями, заключающееся во взаимосвязанном регулировании частоты f1, и действующего значения U1 основной гармоники питающего электродвигатель напряжения. Закон изменения U1 от f1 программируется.

Основу преобразователей составляет трехфазный инвертор напряжения (АИН) с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ). Система управления преобразователя выполнена на базе программируемого микропроцессорного контроллера (МК). В АИН преобразование постоянного напряжения в трехфазное переменное осуществляется в мостовом транзисторном инверторе, собранном на трех транзисторно-диодных модулях. Каждый модуль содержит два IGBT-транзистора с шунтирующими обратными диодами. IGBT-транзисторы переключаются многократно в течение периода выходной частоты в соответствии с ШИМ - алгоритмом МК. Алгоритм ШИМ - управления поддерживает требуемое регулирование частоты и действующего значения основной гармоники выходного напряжения, обеспечивая при этом синусоидальность формы тока нагрузки.

Приведенные выше частотные преобразователи имеют большое количество свободно программируемых автоматически выполняемых функции, из которых для энергетических и технологических агрегатов представляют интерес и могут быть использованы:

• частотные пуск и останов двигателя с оптимальными по времени разгоном и торможением;
• регенеративное торможение двигателя;
• реверс двигателя;
• обеспечение заданной диаграммы скорости с количеством ступеней регулирования не менее шестнадцати;
• автоматическая идентификация параметров двигателя;
• самонастройка минимального тока двигателя с обеспечением требуемого момента;
• полное управление моментом во всем диапазоне частот;
• бессенсорное и (или) сенсорное векторное управление двигателем (при разомкнутой системе управления);
• ПИД - регулирование управляемого технологического параметра (при замкнутой системе с датчиком этого параметра);
• дистанционное оперативное управление преобразователем и двигателем;
• сетевой обмен данными с использованием стандартных интерфейсов и системных шин;
• самодиагностика и диагностика состояния двигателя;
• электрические защиты преобразователя и управляемого двигателя;
• отображение значений основных параметров на средствах встроенной или удаленной индикации.

На базе частотных преобразователей могут быть реализованы системы регулирования скорости следующих объектов:

• насосных агрегатов воды в системах водо- и теплоснабжения, вспомогательного оборудования котелен, ТЭС, ТЭЦ и т.п.;
• вентиляторов и дымососов котлоагрегатов;
• песковые и пульповые насосы в технологических линиях обогатительных фабрик;
• рольганги, конвейеры, транспортеры и другие транспортные средства;
• дозаторы и питатели;
• лифтовое оборудование;
• дробилки, мельницы, мешалки, экструдеры;
• центрифуги различных типов;
• оборудование прокатных станов и других металлургических агрегатов;
• приводы буровых станков, электробуров, бурового оборудования;
• электроприводы станочного оборудования;
• высокооборотные механизмы (шпиндели шлифовальных станков и т.п.);
• экскаваторное оборудование;
• крановое оборудование;
• механизмы силовых манипуляторов и т.п.

Основной эффект от применения частотных преобразователей в системах регулирования - экономия электроэнергии.

В качестве примера сравним два способа регулирования производительности насосного агрегата. Первый – традиционный, дросселированием потока в нагнетающей сети. Второй - изменением скорости рабочего колеса насоса.

Регулирование дросселированием - это способ, при котором изменение рабочего режима агрегата при его неизменной скорости достигается изменением гидравлического сопротивления сети. При этом в области допустимых диапазонов изменения рабочих параметров насоса зависимость мощности на его валу N от расхода рабочей жидкости Q может быть с высокой степенью точности представлена в виде:

где N₀ и K_q - коэффициенты линеаризации.

На основании этой формулы можно оценить относительное уменьшение мощности при уменьшении производительности насоса дросселированием, например, от номинального значения заданного Q:

где Nн - мощность на валу насоса при номинальной производительности Qн.

При глубине регулирования насоса производительности 1/2, относительное уменьшение мощности составляет 8-12%.

При изменении скорости рабочего колеса насоса его производительность пропорциональна первой, а потребляемая мощность - третьей степени отношения соответствующего значения скорости n к его номинальному значению n_н:

В этом случае относительное уменьшение потребляемой мощности при уменьшении производительности насоса от номинального значения Qн до заданного Q равна:

т.е. теоретически может достигать значения 87,5%.

На рис.2 показаны типичные графики изменения мощности насоса на его валу при регулировании дросселированием и скоростью рабочего колеса, а также график ее экономии.

Регулирование скорости рабочего колеса обеспечивается регулированием скорости вращения связанного с ним вала приводного двигателя.

Экономия электроэнергии при переменных графиках нагрузок с использованием регулируемого электропривода для насосов, по данным фирмы Strometrg (Финляндия), в среднем составляет 50-75% от мощности, потребляемой насосами при дроссельном регулировании. Аналогичная картина имеет место при регулировании тягодутьевых механизмов котельных установок и котлоагрегатов, вентиляторов и т.п.

Рассмотрим другой пример - регулирование скорости конвейера.

Мощность приводного двигателя Р конвейера в общем случае имеет две составляющие:

Р₀ - квазипостоянную часть холостого хода;

Р_х - переменную часть, зависящую от нагрузки конвейера.

Cоставляющая Р_х всецело зависит от массы груза М на ленте конвейера и его скорости, которая пропорциональна скорости вращения при водного барабана n (К- коэффициент пропорциональности):

Таким образом, рациональным для конвейера может быть режим работы с переменной скоростью, которой бы обеспечил требуемую производительность, сохраняя неизменным тянущее усилие. К таким относятся входные конвейера дробильных и обогатительных фабрик.

Применение частотного пуска позволит снизить на 20 - 30 % мощность двигателя конвейера.

С точки зрения экономии электроэнергии представляет определенный интерес функция самонастройки минимального тока двигателя с обеспечением требуемого момента. Действие функции заключается в поиске напряжения, при котором ток при требуемом моменте минимален.

Применение частотных преобразователей, помимо экономии электроэнергии, дает ряд дополнительных преимуществ, например:

• плавный пуск и останов двигателя исключает вредное воздействие переходных процессов (гидравлический удар и т.п.);
• пуск двигателя осуществляется при токах, ограниченных на уровне номинального значения, что повышает долговечность двигателя, снижает требования к мощности питающей сети и мощности коммутирующей аппаратуры;
• реализация систем регулирования параметров управляемого технологического оборудования;
• возможна модернизация действующих технологических агрегатов без замены основного оборудования и практически без перерывов в его работе.

В заключение отметим, что системы управления на базе асинхронных приводов с частотными преобразователями могут иметь любые технологически требуемые функции, реализация которых возможна как за счет встроенных в преобразователи программируемых контроллеров, так и дополнительных контроллеров, функционирующих совместно с ними. Например, регулирование содержания кислорода в продуктах сгорания путем изменения производительности вентилятора позволит оптимизировать потребление природного газа и дать дополнительный эффект с точки зрения энергосбережения при функционировании котлоагрегата.