» » » » Особливості реалізації вентиляційних систем із застосуванням частотних перетворювачів

Особливості реалізації вентиляційних систем із застосуванням частотних перетворювачів

Для регулювання швидкості більшості сучасних вентиляторів та димососів використовуються частотні перетворювачі. Вони дозволяють плавно змінювати продуктивність вентиляторних установок у широких межах, забезпечують плавний пуск та зупинку електродвигуна, а також дозволяють економити електроенергію.

При цьому кількість керівних сигналів, що надходять із зовнішньої системи автоматизації, мінімальна і найчастіше обмежується аналоговим завданням за швидкістю та дискретним сигналом дозволу роботи.

В той же час, незважаючи на простоту, електромеханічна система вентилятора є досить складною системою, що має свої особливості експлуатації. Однією з особливостей роботи вентилятора, яка не враховується більшістю інженерів автоматизації систем вентиляції, є вплив електромеханічної складової, обумовленої великим моментом інерції крильчатки. Через нього в масах вентилятора, що обертаються, запасається велика кількість кінетичної енергії, яка негативно впливає на динамічні характеристики вентилятора при регулюванні швидкості, пуску і зупинці. При неправильному налаштуванні системи керування викид цієї енергії може навіть призводити до відмови електроніки перетворювача частоти, зокрема на етапах зупинки, уповільнення та примусового розкручування вентилятора за рахунок зовнішньої тяги без подачі напруги живлення на електродвигун.

Тому з'ясуємо, чому при експлуатації перетворювача частоти виникають помилки, що призводять до зупинення системи вентиляції і навіть відмові елементів системи.

Найчастіше, під час аварійної зупинки ПЧ на дисплеї відображається помилка, він перевіряє напругу на вхідних клемах перетворювача L1, L2, L3 і робить висновок, що мало місце короткочасне перевищення напруги мережі живлення. У гіршому випадку ПЧ просто скидає помилку шляхом перезапуску перетворювача, в кращому випадку встановлює по входу реле контролю напруги. Однак, через деякий час експлуатації помилка з'являється знову, і ситуація повторюється до відмови перетворювача.

Насправді перенапруга на шині постійного струму перетворювача може з'являтися у двох випадках:

  • перенапруга в мережі живлення;
  • генераторний режим електродвигуна (режим рекуперації).

За допомогою вимірювача напруги найчастіше контролюється вхідна напруга і при виявленні «сплесків» напруги найпростішим захистом є встановлення мережевого дроселя перед ПЧ. У той же час викид енергії при генераторному режимі вентилятора є короткочасним, фіксується лише самим ПЧ на внутрішній шині постійного струму (відображення помилки «OU») і не може бути зафіксовано вимірювальними приладами сервісного персоналу.

Чим зумовлений генераторний режим електродвигуна вентилятора? Адже для цього вентилятор повинен розкручуватися до швидкості, вищої за швидкість ідеального холостого ходу двигуна.

За допомогою рис.1 розглянемо причину виникнення цього явища. Нехай ми працюємо в робочій точці №1, причому з ланки постійного струму перетворювача споживається потужність Рн. Далі зовнішньою системою автоматики подається команда зниження швидкості і переході в робочу точку №2. Якщо величина допустимого прискорення/уповільнення приводу не обмежуватиметься, то кінетична енергія, запасена в механізмі вентилятора розкручуватиме вал електродвигуна вище синхронної швидкості, що задається перетворювачем. При цьому швидкість залишатиметься позитивною, а ось момент, який створюється двигуном, стане негативним і електропривод перейде в генераторний режим. У цьому випадку енергія рекуперації Ррекуп передаватиметься від двигуна до перетворювача частоти.

Механічні характеристики асинхронного електродвигуна
Рис. 1. Механічні характеристики асинхронного електродвигуна при керуванні від перетворювача частоти в режимі гальмування

Електричні схеми силової частини більшості сучасних перетворювачів частоти схожі. Спрощена схема, представлена на рис.2, містить некерований випрямляч, фільтр ланки постійного струму та інвертор на IGBT-транзисторах із зворотними захисними діодами.

Спрощена електрична схема силової частини перетворювача частоти
Рис. 2. Спрощена електрична схема силової частини перетворювача частоти

З рис. 2 можна бачити, що енергія, що надходить від двигуна перетворювач частоти, приходить у ланку постійного струму через зворотні діоди, які в цьому режимі виступають у ролі некерованого випрямляча. При цьому немає значення, відкриті в цей момент IGBT-транзистори інвертора чи ні. Оскільки через вхідний некерований випрямляч у ланку надходить випрямлена напруга мережі, електролітичні конденсатори ланки постійного струму вже заряджені. Енергія гальмування, у свою чергу, не передається в мережу живлення через вхідний некерований випрямляч, тому викид енергії від двигуна призводить до перенапруги на елементах ланки постійного струму та трифазному інверторі та їх відмові. Також шкідливим фактором такого режиму є те, що при підвищеній напрузі у ланці постійного струму прикладається підвищена напруга до ключів інвертора. Це призводить до підвищеного тепловиділення в них, їх часткового руйнування та подальшої відмови.

Іншим видом несправності, що виникає під час експлуатації вентиляторів, є перевантаження IGBT-ключів під час пуску. Ця несправність викликана найчастіше динамічними коливаннями швидкості, особливо при пусках з малим часом розгону та великих махових масах на валу електродвигуна.

Розглянемо причини її виникнення. При малому часі розгону відбувається режим, коли перетворювач частоти намагається розкрутити двигун відразу до великого значення швидкості. При цьому внаслідок інерційності махових мас вентилятора вал електродвигуна розкручується не відразу, а із суттєвою затримкою. У цьому випадку, оскільки напруга на двигун подається, а обертання валу двигуна сильно уповільнено, перетворювач відпрацьовує допустиме навантаження і припиняє розгін, закриваючи силові транзистори інвертора, і індикує помилку ОС1 — коротке замикання фази двигуна. У той же час ЕРС, наведена в обмотках двигуна, перетворюється на кінетичну енергію, яка вже розкручує двигун і переводить його в генераторний режим, оскільки всі ключі інвертора закриті, і енергія від двигуна йде у ланку постійного струму. Це призводить до перенапруги у ланці постійного струму та появи помилки перенапруги "OU", при цьому помилка короткого замикання "ОС1" на перетворювачі скидається. Оскільки в цей час ключі закриті, і керування двигуном припинено, двигун сповільнюється, перенапруга зникає і перетворювач знову починає розкручувати двигун. Такі цикли повторюються і вентилятор виходить на номінальну швидкість обертання після кількох ривків за швидкістю при значному навантаженні силових ключів перетворювача. При цьому виявити такий режим можна лише за непрямими ознаками, а саме про виникнення в кодах останніх помилок перетворювача помилок «ОС1» — коротке замикання на виході перетворювача частоти та «OU» — перенапруга по шині постійного струму.

Виходячи з вищезгаданих особливостей експлуатації електродвигунів вентиляторів, розглянемо способи підключення та конфігурування перетворювачів частоти для систем вентиляції, при яких забезпечуватиметься безвідмовний режим роботи.

1. Підключення сигналів керування.

Найчастіше, як було сказано раніше, керування перетворювачем частоти вентилятора реалізується найчастіше за допомогою аналогового сигналу для завдання швидкості та дискретного сигналу для видачі дозволу роботи. При цьому більшість інженерів – проектувальників реалізують за допомогою дискретного сигналу як пуск, так і зупинку вентилятора. Це і є причиною відмови більшості перетворювачів частоти, які неправильно налаштовані або підключені.

Справа в тому, що більшість перетворювачів частоти мають дискретний вхід роздільної здатності роботи, який у багатьох інструкціях помилково позначається як вхід пуску ПЧ. Так, наприклад, у перетворювача частоти Lenze серії ESMD сигнал дозволу роботи подається на контакт 28 з'єднувача керування. При неактивному рівні сигналу дозволу роботи подачі керуючих імпульсів на IGBT транзистори силового інвертора немає і інвертор не працює. Якщо вал електродвигуна обертається, то за наявності великих махових мас вентилятора двигун переходить у генераторний режим і відбувається неконтрольований викид енергії з двигуна у ланку постійного струму перетворювача, що часто призводить до відмови перетворювача. У ряді випадків навіть короткочасного переведення в неактивний стан сигналу дозволу роботи перетворювача при вентиляторі, що працює, вистачає для повернення двигуном енергії у ланку постійного струму перетворювача, достатньої для відмови силових елементів цієї ланки (включно з інвертором).

Існують кілька можливих шляхів вирішення цієї проблеми:

  1. використання перетворювачів частоти з функцією плавного уповільнення при знятті дозволу роботи;
  2. застосування більш складних схем керування.

У першому випадку можна рекомендувати перетворювачі частоти Lenze серії ESV, у яких є параметр, що визначає реакцію пропадання сигналу дозволу роботи. Для забезпечення безпечного режиму уповільнення вентилятора з великими маховими масами рекомендується встановити значення Р111=2 (зупинка заданої траєкторії при зникненні сигналу дозволу роботи).

У другому випадку пуск перетворювача проводиться при нульовому значенні завдання швидкості, а потім за допомогою аналогового сигналу зовнішнього контролера або потенціометра проводиться плавний розгін вентилятора до номінальної швидкості. Аналогічним чином проводиться уповільнення двигуна шляхом зменшення аналогового сигналу і при нульовій швидкості знімається сигнал дозволу роботи. Другий варіант є складнішим, проте дозволяє отримати кращі регулювальні характеристики вентилятора.

2. Підключення елементів захисту ланки постійного струму.

Очевидно, що головною небезпекою при генераторному режимі є підвищення напруги у ланці постійного струму. Отже, рішенням, що забезпечує безпечну експлуатацію є введення в схему електроприводу елементів розсіювання гальмівної енергії. Одним із найдешевших рішень є використання гальмівних чоперів (силових комутаторів), спільно з гальмівними резисторами, що включаються до ланки постійного струму.

Принцип роботи такої схеми є наступним. При перевищенні напруги у ланці постійного струму вище допустимого (цей рівень встановлюється при програмуванні ПЧ або перемичками на чоппері залежно від типу ПЧ) відбувається відкриття силового ключа гальмівного модуля та здійснюється скидання енергії на гальмівний резистор. Ця дія відбувається автоматично та не впливає на якість роботи електродвигуна вентилятора. Перевагою такого підходу є захист ПЧ від шкідливих наслідків генераторного режиму навіть при повному відключенні сигналів керування, неправильному конфігуруванні часу розгону/уповільнення тощо.

3. Вибір раціонального часу розгону/уповільнення перетворювача.

Слід пам'ятати, що при знятті сигналу дозволу роботи (або його обриві) і неправильній конфігурації перетворювача частоти керування ключами інвертора припиняється і відбувається неконтрольований викид енергії з двигуна ланка постійного струму. Тим не менш, правильна конфігурація часу розгону/гальмування забезпечує експлуатацію ПЧ без перевантажень струму та напруги. Насамперед слід пам'ятати, що час розгону ПЧ має бути набагато більшим за час прямого пуску асинхронного електродвигуна вентилятора. Так, наприклад, якщо для вентилятора середньої та великої потужності час прямого пуску становить від 5 секунд, то час розгону від ПЧ має бути більшим, як мінімум, у рази. При встановленні меншого часу розгону можливе як перевантаження струмом, так і пуск ривками з виникненням перенапруг, описаний раніше. Аналогічним чином вибирається час зупинки двигуна. Для цього необхідно при проведенні пусконалагоджувальних робіт на етапі зупинки електродвигуна контролювати величину напруги у ланці постійного струму (наприклад, параметр С53 перетворювачів частоти Lenze серії ESMD).

Зауважимо, що під час використання перетворювача частоти

Корисні посилання