О проблеме ресурсосбережения и энергосбережения

Рассмотрим это на примере современного, новейшего АЭП системы «В — Ф — АИН с ШИМ — АД».

У людей, знакомых с красочными рекламными проспектами фирм-производителей комплектных частотных электроприводов и отдельных преобразователей частоты, могут возникнуть мнения, что, все это уже давно делается.

Как известно, реальная энергоемкость преобразователя частоты зависит от многих факторов, в частности:

• Нагрузки.
• Частоты коммутации вентилей инвертора.
• Колебаний напряжения питания и другие факторы.

Но при более детальном рассмотрении особенностей эксплуатации частотно регулируемого электропривода, даже если не учитывать особенностей конкретного технологического процесса, на поверхность всплывают следующие нюансы:

• Реальная энергоемкость преобразователя частоты зависит от многих факторов, в то время как данные, предоставляемые производителями, приводятся лишь для конкретных (наверняка «благоприятных») условий.
• Ресурсоемкость и энергоемкость электропривода определяется двумя обратно пропорциональными составляющими (ресурсоемкость и энергоемкость преобразователя частоты, и ресурсоемкость и энергоемкость двигателя).
• Эксплуатация преобразователей частоты без входных фильтров, с одной стороны, приводит к снижению электромагнитной совместимости, а также надежности работы преобразователей, а с другой — обеспечивает более высокий КПД и массогабаритные показатели.
• Эксплуатация преобразователей частоты с выходными фильтрами, с одной стороны, обеспечивает снижение энергоемкости и повышение срока эксплуатации двигателя, а с другой — приводит к увеличению потерь в преобразователе и ухудшению массогабаритных показателей.
• Для оценки ресурсоемкости и энергоемкости электродвигателя при его питании от преобразователя частоты необходимо иметь данные о гармоническом составе тока двигателя, об уровне коммутационных перенапряжений и о степени защиты обмотки от термо-вибромеханических повреждений, которые, по «непонятным» причинам не предоставляются производителями.

Рассмотрим каждый из этих нюансов поподробнее и с точки зрения анализа, и с точки зрения синтеза.

Экстремальный характер потерь в системе ПЧ-АД известен давно, согласно работ [5, 8, 9].

Однако, из-за того, что двигатели и преобразователи чаще всего выпускаются различными фирмами, которые при этом не предоставляют всей информации, необходимой для определения экстремума, нет и соответствующего управления. В паспортных данных на преобразователи практически всегда приводятся данные о КПД и cosϕ без указания условий и режимов, в которых они измерялись. На наш взгляд, эти показатели должны приводиться, как минимум, в виде графиков зависимости от нагрузки, причем для разных значений частоты ШИМ.

При просмотре рекомендаций по выбору частоты ШИМ, тоже возникают не редко вопросы.

В инструкциях по эксплуатации некоторых производителей, порой в качестве критерия выбора выступает только тон звука, возникающего при работе ПЧ-АД. В случае же, если и приводятся объективные критерии выбора, то опускаются конкретные численные значения, которые бы позволили более обоснованно подходить к выбору данного параметра преобразователя.

В работах [8, 10, 11-16] показаны причины, характер и количественные значения коммутационных перенапряжений и термо-вибромеханических воздействий и их влияние на надежность АД, на помехоустойчивость систем управления, на электро- и взрывобезопасность АЭП, а также приведены средства снижения негативных влияний импульсных воздействий. 

В настоящее время фирмам, реализующим преобразователи частоты, пользуясь недостаточной осведомленностью большинства производственников в вопросах частотнорегулируемого электропривода и той волной «популярности», которую он к себе привлек, успешно удается не учитывать повышение потерь в двигателе при его питании от преобразователя частоты. Если при этом еще учесть, и то обстоятельство, что отечественные двигатели обычно проектируются на синусоидальное напряжение промышленной частоты, то потери, вносимые несинусоидальностью тока, могут оказать существенное влияние на энергетические и эксплуатационные показатели электропривода [17].

В отношении применения входных фильтров при эксплуатации преобразователей частоты большую роль играет недостаточная электротехническая грамотность производственников.

Так как в нашей стране пока не так строго контролируют электромагнитную обстановку на предприятиях, как, например, в большинстве европейских стран, то на многих объектах оказываются установленными преобразователи частоты либо вообще без входных фильтров, либо с фильтрами, не обеспечивающими достаточного снижения уровня электромагнитного излучения, после чего начинаются различного рода «чудеса», обусловленные повышением уровня высших гармоник [18, 19] и электромагнитных помех [20].

Про выходные фильтры часто упоминают, как о средстве снижения емкостных токов при больших длинах кабеля, соединяющего двигатель с преобразователем, согласно работ [2, 17, 22, 23-25].

Ни коим образом, не умаляя значимости этой проблемы, хотелось бы всё-таки напомнить, что задача определения гармонического состава напряжения (тока) двигателя при его питании от преобразователя частоты, являясь не менее важной, невозможна без знания гармонического состава на выходе ПЧ и после фильтра. Поэтому уверений в том, что при наличии выходного фильтра обеспечивается нормальная работа преобразователя частоты с АД вплоть до такой-то длины кабеля, опять же, на наш взгляд, недостаточно. Несколько лучше описан этот вопрос в работах [22, 24, 25], где приводятся различные варианты выходных фильтров, ориентированные на решение различных задач, в том числе и обеспечение синусоидальности напряжения и тока двигателя, хотя и здесь лишь указано, что «коэффициент искажений для напряжения двигателя частотой 50 Гц с синусоидальным фильтром равен примерно 5%».

При этом возникает вопрос — кто, не понимая серьезности и важности, станет дополнительно приобретать выходной фильтр, увеличивающий стоимость преобразователя на 30%, на основании работы [23].

В действительности выбор коммутационной частоты, входных и выходных фильтров является важнейшей и весьма серьезной проблемой. Так как в процессе эксплуатации АЭП изменяется длина кабеля (на ряде предприятий), загрязняется и увлажняется обмотка АД, то, следовательно, изменяются их волновые сопротивления. Это влечет изменение уровня и распределения по обмотке коммутационных перенапряжений. Кроме этого, в заземляющей жиле гибких кабелей, в свинцовой и стальной оболочках бронированных кабелей и в проложенных параллельно силовым кабелях управления, имеющих связь с «землей», наводятся достаточно большие токи, взрывоопасные и пожароопасные в соответствующей среде и вызывающие самовключение транзисторов и тиристоров [14].

Подытоживая вышесказанное, можно сказать, что в отношении анализа преобразователей частоты требуется доработка методики контроля энергетических параметров, что позволило бы адекватно оценивать их эффективность в различной комплектации с учетом изменения настроек параметров во всем диапазоне нагрузки.

В отношении же синтеза разработчикам предоставляется широчайшее поле деятельности по оптимизации параметров преобразователей частоты и электродвигателей (по отдельности и при совместной работе) и пересмотру перечня данных, предоставляемых в технической документации.

Для резкого повышения эффективности применения частотно-управляемых АЭП необходимо оптимально их использовать в производственных системах и промышленных установках.