» » » » Особенности реализации вентиляционных систем с применением частотных преобразователей

Особенности реализации вентиляционных систем с применением частотных преобразователей

Для регулирования скорости большинства современных вентиляторов и дымососов используются частотные преобразователи. Они позволяют плавно менять производительность вентиляторных установок в широких пределах, обеспечивают плавный пуск и останов электродвигателя, а также позволяют экономить электроэнергию.

При этом количество управляющих сигналов, приходящих из внешней системы автоматизации, минимально и чаще всего ограничивается аналоговым заданием по скорости и дискретным сигналом разрешения работы.

В то же время, несмотря на кажущуюся простоту, электромеханическая система вентилятора является достаточно сложной системой, имеющей свои особенности эксплуатации. Одной из особенностей работы вентилятора, которая не учитывается большинством инженеров по автоматизации систем вентиляции, является влияние электромеханической составляющей, обусловленной большим моментом инерции крыльчатки. Из-за него во вращающихся массах вентилятора запасается большое количество кинетической энергии, которая негативно влияет на динамические характеристики вентилятора при регулировании скорости, пуске и останове. При неправильной настройке системы управления выброс этой энергии может даже приводить к отказу электроники преобразователя частоты, в частности на этапах останова, замедления и принудительного раскручивания вентилятора за счет внешней тяги без подачи питающего напряжения на электродвигатель.

Поэтому выясним, почему же при эксплуатации преобразователя частоты возникают ошибки, приводящие к останову системы вентиляции и даже отказу элементов системы.

Чаще всего, при аварийном останове ПЧ на дисплее отображается ошибка «OU» — перенапряжение по шине постоянного тока. Электрик, обслуживающий установку, приходит на место работы ПЧ, проверяет напряжение на входных клеммах преобразователя L1, L2, L3 и делает вывод, что имело место кратковременное превышение напряжения в питающей сети. В худшем случае он просто сбрасывает ошибку, путем перезапуска преобразователя, в лучшем случае устанавливает по входу реле контроля напряжения. Однако, через некоторое время эксплуатации ошибка появляется вновь, и ситуация повторяется до отказа преобразователя.

На самом деле перенапряжение на шине постоянного тока преобразователя может появляться в двух случаях:

  • перенапряжение в питающей сети;
  • генераторный режим электродвигателя (режим рекуперации).

С помощью измерителя напряжения чаще всего контролируется входное напряжение и при обнаружении «всплесков» напряжения самой простой защитой является установка сетевого дросселя перед ПЧ. В то же время выброс энергии при генераторном режиме вентилятора является кратковременным, фиксируется лишь самим ПЧ на внутренней шине постоянного тока (отображение ошибки «OU») и не может быть зафиксирован измерительными приборами обслуживающего персонала.

Чем же обусловлен генераторный режим электродвигателя вентилятора? Ведь для этого вентилятор должен раскручиваться до скорости, выше скорости идеального холостого хода двигателя.

С помощью рис.1 рассмотрим причину возникновения этого явления. Пусть мы работаем в рабочей точке №1, при этом из звена постоянного тока преобразователя потребляется мощность Рн. Далее внешней системой автоматики подается команда на снижение скорости и переходе в рабочую точку №2. Если величина допустимого ускорения/замедления привода не будет ограничиваться, то кинетическая энергия, запасенная в механизме вентилятора будет раскручивать вал электродвигателя выше синхронной скорости, задаваемой преобразователем. При этом скорость будет оставаться положительной, а вот момент, создаваемый двигателем, станет отрицательным и электропривод перейдет в генераторный режим. В этом случае энергия рекуперации Ррекуп будет передаваться от двигателя к преобразователю частоты.

Механические характеристики асинхронного электродвигателя
Рисунок 1. Механические характеристики асинхронного электродвигателя при управлении
от преобразователя частоты в режиме торможения

Электрические схемы силовой части большинства современных преобразователей частоты похожи. Упрощенная схема, представленная на рис.2, содержит неуправляемый выпрямитель, фильтр звена постоянного тока и инвертор на IGBT-транзисторах с обратными защитными диодами.

Упрощенная электрическая схема силовой части преобразователя частоты
Рисунок 2. Упрощенная электрическая схема силовой части преобразователя частоты

Из рис.2 можно видеть, что энергия, поступающая от двигателя в преобразователь частоты, приходит в звено постоянного тока через обратные диоды, которые в этом режиме выступают в роли неуправляемого выпрямителя. При этом не имеет значения, открыты ли в этот момент IGBT – транзисторы инвертора или нет. Поскольку через входной неуправляемый выпрямитель в звено поступает выпрямленное напряжение сети, то электролитические конденсаторы звена постоянного тока уже заряжены. Энергия торможения, в свою очередь, не передается в питающую сеть через входной неуправляемый выпрямитель, поэтому выброс энергии от двигателя приводит к перенапряжению на элементах звена постоянного тока и трехфазном инверторе и их отказу. Также вредным фактором такого режима является то, что при повышенном напряжении в звене постоянного тока прикладывается повышенное напряжение к ключам инвертора. Это приводит к повышенному тепловыделению в них, их частичному разрушению и последующему отказу.

Другим видом неисправности, возникающей при эксплуатации вентиляторов, является перегрузка IGBT – ключей при пуске. Эта неисправность вызвана чаще всего динамическими колебаниями скорости, особенно при пусках с малым временем разгона и больших маховых массах на валу электродвигателя.

Рассмотрим причины ее возникновения. При малом времени разгона имеет место режим, когда преобразователь частоты пытается раскрутить двигатель сразу до большого значения скорости. При этом вследствие инерционности маховых масс вентилятора вал электродвигателя раскручивается не сразу, а с существенной задержкой. В этом случае, поскольку напряжение на двигатель подается, а вращение вала двигателя сильно замедлено, преобразователь отрабатывает допустимую перегрузку и прекращает разгон, закрывая силовые транзисторы инвертора, и индицирует ошибку «ОС1» — короткое замыкание фазы двигателя. В то же время ЭДС, наведенная в обмотках двигателя, преобразуется в кинетическую энергию, которая уже раскручивает двигатель и переводит его в генераторный режим, так как все ключи инвертора закрыты, и энергия от двигателя идет в звено постоянного тока. Это приводит к перенапряжению в звене постоянного тока и появлению ошибки перенапряжения «OU», при этом ошибка короткого замыкания «ОС1» на преобразователе сбрасывается. Поскольку в это время ключи закрыты, и управление двигателем прекращено, то двигатель замедляется, перенапряжение исчезает и преобразователь снова начинает раскручивать двигатель. Такие циклы повторяются и вентилятор выходит на номинальную скорость вращения после нескольких рывков по скорости при значительной перегрузке силовых ключей преобразователя. При этом обнаружить такой режим можно лишь по косвенным признакам, а именно возникновении в кодах последних ошибок преобразователя ошибок «ОС1» — короткое замыкание на выходе преобразователя частоты и «OU»  — перенапряжение по шине постоянного тока.

Исходя из вышеуказанных особенностей эксплуатации электродвигателей вентиляторов, рассмотрим способы подключения и конфигурирования преобразователей частоты для систем вентиляции, при которых будет обеспечиваться безотказный режим работы.

1. Подключение управляющих сигналов.

Чаще всего, как было сказано ранее, управление преобразователем частоты вентилятора реализуется чаще всего с помощью аналогового сигнала для задания скорости и дискретного сигнала для выдачи разрешения работы. При этом большинство инженеров – проектировщиков реализуют с помощью дискретного сигнала, как пуск, так и останов вентилятора. Это и бывает причиной отказа большинства преобразователей частоты, которые неправильно сконфигурированы либо подключены.

Дело в том, что у большинства преобразователей частоты имеется дискретный вход разрешения работы, который во многих инструкциях ошибочно обозначается как вход пуска ПЧ. Так, например, у преобразователя частоты Lenze серии ESMD сигнал разрешения работы подается на контакт 28 соединителя управления. При неактивном уровне сигнала разрешения работы подачи управляющих импульсов на IGBT – транзисторы силового инвертора нет и инвертор не работает. Если вал электродвигателя вращается, то при наличии больших маховых масс вентилятора двигатель переходит в генераторный режим и происходит неконтролируемый выброс энергии с двигателя в звено постоянного тока преобразователя, что часто приводит к отказу преобразователя. В ряде случаев даже кратковременного перевода в неактивное состояние сигнала разрешения работы преобразователя при работающем вентиляторе хватает для возврата двигателем энергии в звено постоянного тока преобразователя, достаточной для отказа силовых элементов этого звена (включительно с инвертором).

Существуют несколько возможных путей решения данной проблемы:

  1. использование преобразователей частоты с функцией плавного замедления при снятии разрешения работы;
  2. применение более сложных схем управления.

В первом случае можно рекомендовать преобразователи частоты Lenze серии ESV, в которых есть параметр, определяющий реакцию на пропадание сигнала разрешения работы. Для обеспечения безопасного режима замедления вентилятора с большими маховыми массами рекомендуется установить значение Р111=2 (останов по заданной траектории при пропадании сигнала разрешения работы).

Во втором случае пуск преобразователя производится при нулевом значении задания по скорости, а затем с помощью аналогового сигнала внешнего контроллера либо потенциометра производится плавный разгон вентилятора до номинальной скорости. Аналогичным образом, производится замедление двигателя путем уменьшения аналогового сигнала и при нулевой скорости снимается сигнал разрешения работы. Второй вариант является более сложным, однако позволяет получить лучшие регулировочные характеристики вентилятора.

2. Подключение элементов защиты звена постоянного тока.

Очевидно, что главной опасностью при генераторном режиме является повышение напряжения в звене постоянного тока. Следовательно, решением, обеспечивающим безопасную эксплуатацию, является введение в схему электропривода элементов рассеяния тормозной энергии. Одним из наиболее дешевых решений является использование тормозных чопперов (силовых коммутаторов), совместно с тормозными резисторами, включаемых в звено постоянного тока.

Принцип работы такой схемы следующий. При превышении напряжения в звене постоянного тока выше допустимого (этот уровень устанавливается при программировании ПЧ либо перемычками на чоппере в зависимости от типа ПЧ) происходит открытие силового ключа тормозного модуля и осуществляется сброс энергии на тормозной резистор. Это действие происходит автоматически и не влияет на качество работы электродвигателя вентилятора. Преимуществом такого подхода является защита ПЧ от вредных последствий генераторного режима даже при полном отключении управляющих сигналов, неправильном конфигурировании времени разгона/замедления и т.д.

3. Выбор рационального времени разгона/замедления преобразователя.

Следует помнить, что при снятии сигнала разрешения работы(или его обрыве) и неправильной конфигурации преобразователя частоты управление ключами инвертора прекращается и происходит неконтролируемый выброс энергии с двигателя в звено постоянного тока. Тем не менее, правильная конфигурация времени разгона/торможения обеспечивает эксплуатацию ПЧ без перегрузок по току и напряжению. В первую очередь следует помнить, что время разгона ПЧ должно быть намного больше времени прямого пуска асинхронного электродвигателя вентилятора. Так, например, если для вентилятора средней и большой мощности время прямого пуска составляет от 5 секунд, то время разгона от ПЧ должно быть больше, как минимум, в разы. При установлении меньшего времени разгона возможна как перегрузка по току, так и пуск рывками с возникновением перенапряжений, описанный ранее. Аналогичным образом выбирается время останова двигателя. Для этого необходимо при проведении пусконаладочных работ на этапе останова электродвигателя контролировать величину напряжения в звене постоянного тока (к примеру, параметр С53 преобразователей частоты Lenze серии ESMD).

Заметим, что при использовании преобразователя частоты Lenze 8200 Vector ошибка короткого замыкания «ОС1» в режиме прерывистого пуска не записывается, а просто на дисплее отображается сообщение «Imax» — достигнут предел значения по току, выставляемый пользователем в параметре «С22». Также важно помнить, что преобразователь частоты Lenze способен выдерживать перегрузки до 180% от номинального значения, однако при этом перегреваются силовые транзисторы инвертора. Таким образом, в случае частых пусков без выдержки паузы между перегрузками возможен отказ этих транзисторов даже при установленной защите в параметре «С22» (отказ возможен не сразу, а после десятков и даже сотен повторяющихся тяжелых пусков).

Использование рекомендаций и советов, представленных в этой статье, поможет инженерам – проектировщикам электромеханических систем вентиляции уменьшить вероятность отказа преобразователя частоты и оптимизировать работу вентилятора в целом.

Старший преподаватель кафедры АУЭК НТУУ «КПИ», к.т.н. Торопов А.В.