- Традиційні способи управління
- Застосування частотних перетворювачів
- Динамічне гальмування перетворювачем частоти
- Електропривод в котельнях
Димососним і дуттьові вентилятори представляють собою звичайні «равлики», але працюють в значно більш динамічних умовах, ніж прості вентилятори для приміщень. Завдання димососа - компенсувати тягу в димовій трубі котельні, таким чином, щоб співвідношення паливо-повітря в топці котла було завжди оптимальним і стабільним. Тяга істотно залежить від погоди, вітру і температури повітря.
Димотяги встановлюються на виході з топки, таким чином, щоб на них не діяла занадто висока температура відпрацьованих газів. Дутьевих насоси (повітродувки) встановлюються перед топкою, нагнітають повітря і працюють в більш легких умовах.
В принципі, можна ще раз повторити, це та ж припливно-витяжна вентиляція, але куди більш динамічна, ніж вентиляція приміщень. Через складної конфігурації труб і перепадів тисків тут можливі і автоколивання, аж до зриву факелів в топках. За розмірами труб (довжині і перетину) резонансні частоти таких «органів» лежать в області інфразвуку, а енергія, що запасається в коливаннях газів, може досягати десятки кВт. Тому немає нічого дивного в тому, що навантаження на двигуни вентиляторів змінюється від 10% до 200% на практиці. Звичайно, в середньому, якщо проектувалося все вірно, перебої в продуктивності котлів нечасте явище, але практика і проекти - це речі різні.
Найбільша витрата енергії на потреби продувки в котельних доводиться на теплу суху погоду, але в такому випадку, від котельні і потужність потрібна мінімальна. Цим котельня вигідно відрізняється від ТЕЦ, де в будь-яких умовах потрібна висока продуктивність котлів, для вироблення електроенергії, з якої причини ТЕЦ можна здалеку побачити за високими трубах.
Традиційні способи управління
Давно усталені методи регулювання повітряного потоку складаються у використанні вентиляторів, що працюють на постійній швидкості (зрозуміло, що приблизно постійною) і приводяться в дію асинхронними двигунами, з потужністю близько 50-70 кВт. В якійсь мірі, інерція колеса «равлики» допомагає згладити перепади тиску. Продуктивність регулюється шиберами, що приводяться від сервоприводів.
Швидкість реакції сервоприводу на сигнал управління часто буває недостатньою, і, за певних умов, контур входить в автоколебания, що зовсім не покращує продуктивність. Персонал буває вимушеним справлятися з цим вручну, за допомогою будь-яких штучних прийомів, аж до переходу на ручне управління. Заслінки встановлюються перед топками і після них. Фактичне положення заслінок не завжди буває відомо оператору.
Для нормального горіння при заданій витраті палива досить знати витрата повітря через топку. Цю інформацію можна отримати, вимірюючи різницю тисків диференціальним манометром перед топкою. По діаметру діафрагми в трубі, що підводить (площі перерізу) і відповідних розрахунків отримують функцію витрати повітря в кубометрах в секунду, або інших одиницях, від різниці тисків (диференціального тиску).
З цього витраті визначається і витрата палива, рідкого або газоподібного, таким чином, щоб стехиометрическое співвідношення реагентів (кисню і пального) було оптимальним - повне згорання. З метою екологічної чистоти повинен бути невеликий надлишок кисню, щоб в димових газах виходив, по можливості, чистий CO2. (Тим не менш, надлишок кисню призведе у прискореному прогорання стали котла та іншої димової арматури.) Таким чином працюють правильні в прямому сенсі, без лапок, котельні. Без чорної магії з одним датчиком тиску, встановленим де попало і з незрозумілими параметрами зворотного зв'язку в контурі управління заслінками.
Навіть в тому випадку, якщо система заслінок вирішує головне завдання - оптимальне горіння у всьому діапазоні продуктивності, вона свідомо не оптимальна по відношенню до вентиляторів. Навантаження на вентилятори не рівномірна, і вони або марно створюють надлишковий тиск, працюючи на прикриті заслінки, або працюють з недовантаженням, майже вхолосту. У першому випадку висока ймовірність виходу двигунів з ладу, та й знос вентиляторів від цього не зменшується, у другому випадку двигун також працює, споживаючи зайву енергію.
Ще одна проблема - це струмові перевантаження при пуску димососів і вентиляторів. Газ в вентиляторі може чинити серйозний опір розкручуванні колеса і ковзання в момент пуску стає надмірно великим. Це здатне зашкодити і вивести з ладу обмотки і навіть зруйнувати короткозамкнені обмотки роторів, зроблені з алюмінію. У будь-якому випадку, в будь-котельні був би дуже вигідний поступовий режим розгону вентиляторів при пуску.
Застосування частотних перетворювачів
Частотні перетворювачі - це останнє слово техніки, що робить неможливе можливим. Вони з'явилися, в загальному, не вчора - вже в 2000 році на окремих російських підприємствах або «щось чули» про них, або навіть експлуатували. Але ціна була ще вищою. Сьогодні ціни на будь-яку модель перетворювача частоти абсолютно доступні будь-якому підприємству.
Частотний перетворювач в котельні.
Частотні перетворювачі включаються в розрив живлення електродвигуна. Їх функція дуже проста - вони отримують на вході напруга 380 В з частотою 50 Гц, а на виході формують трифазну напругу з частотою, від якої залежить і частота обертання, від 0 до 200 ... 400 Гц і напругою від 0 до 400 В. При цьому к.к.д. сучасного перетворювача частоти вже наближається до 99%. Таким чином, якщо двигун має потужність 50 кВт, то сам перетворювач частоти споживає всього близько 500 Вт, стільки, скільки системний блок комп'ютера. Велика частина цієї енергії розсіюється у вигляді тепла на силових ключах пристрою. Приблизно 5-10 Вт витрачається на харчування ланцюгів управління.
Таким чином, схема перетворювача частоти, майже нічого не споживаючи, дає небачені раніше можливості: вільно регулювати частоту обертання і крутний момент асинхронних електродвигунів, в повному діапазоні можливостей двигуна. Так як перетворювачі частоти управляються мікропроцесорами, то їх функціональні можливості практично безмежні.
При пуску двигуна від магнітних пускачів виникають пускові струми, що перевищують номінальні в 5-7 разів. Пусковий момент двигуна в початковий момент дуже малий, так як майже вся енергія струму витрачається на намагнічування активної сталі. Хоча це триває недовго, але викликає певні проблеми.
При пуску двигунів за допомогою перетворювача частоти пусковий ток може бути зведений до мінімуму. Можна керувати розгоном, від декількох оборотів в хвилину до номінальної швидкості, протягом дуже тривалого часу. На низьких оборотах двигуна можливо забезпечити підвищений крутний момент.
Важливо розуміти, як це відбувається, щоб не зіпсувати двигун. На низькій частоті індуктивний опір двигуна стає малим, і вже при порівняно невеликій напрузі через обмотки можна пропускати значний струм. Цей струм створить великий пусковий момент, близько 200%.
При цьому тепловий баланс двигуна не дотримується, тому триває цей період перевантаження недовго, практично не більше хвилини. Далі зростання температури обмоток вище допустимого. Спеціальна функція boost при правильних налаштуваннях забезпечить потрібний пусковий момент без виникнення помилки типу Current overload (перевантаження по струму).
Алгоритм розкрутки двигуна, який застосовує контролер перетворювача частоти, полягає в тому, що відповідно до відомими перетворювача даними про двигун, перетворювач частоти починає з подачі на двигун невеликого напруги при зниженій частоті, від 1 ... 1,5 Гц. Досягнувши струму обмеження, перетворювач утримує його і продовжує розгін до заданої частоти. Завдання частоти може визначатися встановленими значеннями або регулятором. Поведінка перетворювача частоти може бути дуже різним, залежно від налаштувань.
Динамічне гальмування перетворювачем частоти
Асинхронні двигуни, що працюють в режимі вільного вибігу, можуть гальмуватися динамічними способами самим перетворювачем: противовключением і гальмуванням постійним струмом. Перший метод полягає в зміні фаз і виникненні протилежної крутного моменту.
При цьому виникає струм гальмування в обмотках двигуна, розсіює на них тепло. У нього, власне, і йде енергія. Крім того, тепло розсіюється і на силових транзисторах інвертора. Все відбувається, як при звичайній роботі двигуна, тільки «задом наперед».
При гальмуванні постійним струмом (другий спосіб), інверторний міст управляється таким чином (за допомогою ШІМ), що до обмоток двигуна виявляється підключено невелике постійна напруга і статор подмагничивающего. Це поле збуджує змінний струм з частотою обертання в короткозамкненою обмотці ротора і частина тепла розсіюється в ньому. Інша енергія трансформується в обмотки статора і наводить в них значне напруження (з електричної точки зору, асинхронний двигун - це просто трансформатор з великим коефіцієнтом трансформації і замкнутої понижувальної обмоткою).
Потім прикладається до інверторному мосту і через шунтуючі діоди ключів заряджає конденсатор ланки постійного струму. Ось тут ланка постійного струму перетворювача частоти має бути зашунтувати зовнішнім резистором, куди піде гальмовий струм решти енергії. Резистор також управляється через окремий силовий ключ, який перетворювач підключає тільки в режимі гальмування.
У перетворювачі цю напругу здатне привести до пробою конденсаторів. Порятунком в даному випадку може бути тільки гальмівний резистор, так як всі ланцюги з'єднані безпосередньо. на гальмівному резисторі розсіюється решта тепла. Вибір гальмівного резистора для перетворювача частоти повинен бути таким, щоб на ньому розсіюється якомога більша частина потужності гальмування. У паспорті перетворювача частоти все це зазначено для кожного двигуна, так що розраховувати нічого не доведеться.
Не слід переоцінювати можливості динамічного гальмування ! Його ефективність становить приблизно 10 ... 20% від механічних гальм, словом, все як на залізниці: динамічне гальмування не замінює робочі гальма, закони фізики однакові скрізь. При гальмуванні вся енергія перетворюється в тепло, а можливість розсіювати тепло у проводів обмоток в ізоляції зовсім інша, ніж у масивних деталей, що нагріваються тертям колодок і сухарів в механічних гальма.
Проблеми у споживачів виникають тоді, коли перетворювач скаржиться на перевантаження по струму. Його подальша поведінка може бути двояким: рятувати самого себе і перестати гальмувати або гальмувати до виходу з ладу самого перетворювача. Все залежить від пріоритетів споживача і налаштувань перетворювача частоти.
Електропривод в котельнях
Поєднання керованого частотного перетворювача, електродвигуна і вентилятора є самостійним агрегатом для котельні. Управління по частоті обертання йде від системи, яка регулює продуктивність котла.
Електропривод з частотники (праворуч) і без нього.
Зазвичай система управління котлом управляє витратою повітря і витратою палива одночасно. Зовсім неважко інтегрувати в неї частотний перетворювач, який має для цього масу можливостей і сумісний з усіма типами датчиків. Частотники підійдуть і для насосного агрегату.
При правильному налаштуванні, правильному виборі електродвигуна і запасу по потужності, частотний перетворювач легко забезпечить:
- економію енергії на Дуттьовий вентиляцію до 70%;
- динамічне регулювання потоку в будь-якому місці;
- компенсацію всіх відхилень тиску;
- плавний розгін і гальмування;
- точне регулювання швидкості вентилятора;
- узгоджене управління вентиляторами для підвищення тяги;
- повне вирішення проблеми великих пускових струмів;
- зниження шуму і вібрацій;
- підвищить довговічність котелень механізмів;
- підвищить довговічність повітряної і газової арматури;
- дозволить відмовитися від шиберів майже або повністю.
Оскільки в частотних перетворювачів передбачений режим векторного управління, то вони найкращим чином підходять для складних вентиляційних застосувань, до яких якраз котельні і відносяться. Енергія економиться до межі, тому, що частотний перетворювач здатний підлаштовувати режим вентилятора до умов наявного потоку і його необхідної величини. Крім того, в якійсь мірі відбувається і рекуперація енергії при вибігу і гальмуванні, хоч і невелика її частка, але все-таки, не пропадає даром.
Противники частотних перетворювачів (а є і такі на різних форумах в мережі), вважають, що вони не можуть впоратися з усіма робочими умовами. Це невірно, як раз ті, хто це стверджує, що не можуть впоратися з налаштуванням частотних перетворювачів. Це, в общем-то, завдання для інженерів, які знають свою техніку, а не для іперекладивателем папірців з технічними дипломами. Тим більше, що для багатьох це «справа нова», ніяких методичок і інструкцій, крім заводських, на цей рахунок ще не напрацьовано.
Найбільш часті проблеми, з якими стикаються споживачі:
- неправильний вибір перетворювача частоти або двигуна по потужності;
- помилки з перевантаженнями за струмом;
- перенапруження в ланці постійного струму;
- неправильні настройки розгону і гальмування;
- неправильні настройки ПІД-регулятора ;
- порушення умов експлуатації.
Всі проблеми, крім останньої, викликані динамікою механізмів, якими споживачі управляють. Так це проблеми самих споживачів. Адже Частотники саме для таких механізмів і набувають: вентилятора або насосного агрегату, а не для механізмів з постійним навантаженням.
Якщо в обладнанні застосовується штатний двигун, умовно кажучи, потужністю в 1, то його треба замінювати парою перетворювач-двигун потужністю в 1,2, якщо це не який-небудь маленький сервопривід. Перетворювач слід вибирати потужністю, точно відповідної потужності використовуваного двигуна, хоча допускається і використання інших двигунів. Допускається. З масою проблем і налаштувань.
Щоб уникати перевантажень перетворювачів, необхідно добре знати динаміку механізмів. У разі котелень вентиляторів треба добре уявляти собі навантаження на конкретний димосос або дутьевой вентилятор, їх межі та швидкості зміни. Перетворювач не може чарівним чином вирішити всі питання за користувача. Також слід враховувати порядок запуску і роботи агрегатів, їх взаємний вплив один на одного.
Необхідно розуміти, що розгін і гальмування, особливо швидкі і в процесі регулювання, є процесами екстремальними і тут є чимало варіантів і стратегій для вигідною настройки регулятора частоти , Режимів роботи і функції U / f. Все залежить від місцевих умов, і поки перетворювачі ще не зовсім «інтелектуальні» щоб самостійно адаптувати багато десятків своїх параметрів під просте завдання від споживача. Але це анітрохи не знижує їх цінності та їх великих перспектив на майбутнє. Майбутнє за ними.