Особливості реалізації вентиляційних систем із застосуванням частотних перетворювачів
Для регулювання швидкості більшості сучасних вентиляторів і димососів використовуються частотні перетворювачі. Вони дозволяють плавно змінювати продуктивність вентиляторних установок в широких межах, що забезпечують плавний пуск і зупинка електродвигуна, а також дозволяють економити електроенергію.
При цьому кількість керуючих сигналів, що приходять із зовнішнього системи автоматизації, мінімально і найчастіше обмежується аналоговим завданням по швидкості і дискретним сигналом дозволу роботи.
У той же час, незважаючи на гадану простоту, електромеханічна система вентилятора є досить складною системою, що має свої особливості експлуатації. Однією з особливостей роботи вентилятора, яка не враховується більшістю інженерів з автоматизації систем вентиляції, є вплив електромеханічної складової, обумовленої великим моментом інерції крильчатки. З-за нього в обертових масах вентилятора запасається велику кількість кінетичної енергії, яка негативно впливає на динамічні характеристики вентилятора при регулюванні швидкості, пуску і зупинці. При неправильному налаштуванні системи управління викид цієї енергії може навіть призводити до відмови електроніки перетворювача частоти, зокрема на етапах зупинки, уповільнення і примусового розкручування вентилятора за рахунок зовнішньої тяги без подачі живлячої напруги на електродвигун.
Тому з'ясуємо, чому ж при експлуатації перетворювача частоти виникають помилки, що призводять до останову системи вентиляції і навіть відмови елементів системи.
Найчастіше, при аварійній зупинці ПЧ на дисплеї відображається помилка «OU» — перенапруження по шині постійного струму. Електрик, який обслуговує установку, приходить на місце роботи ПЧ, перевіряє напруга на вхідних клемах перетворювача L1, L2, L3 і робить висновок, що мало місце короткочасне перевищення напруги в живильної мережі. У гіршому випадку він 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 перенапруження на шини постійного струму перетворювача може з'являтися в двох випадках:
перенапруження в електромережі;
генераторний режим електродвигуна (режим рекуперації).
За допомогою вимірювача напруги найчастіше контролюється вхідна напруга і при виявленні «сплесків напруги найпростішою захистом є установка 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 зафіксований вимірювальними приладами обслуговуючого персоналу.
Чим же обумовлений генераторний режим електродвигуна вентилятора? Адже для цього вентилятор повинен розкручуватися до швидкості, вище швидкості ідеального холостого ходу двигуна.
З допомогою рис.1 розглянемо причину виникнення цього явища. Нехай ми працюємо в робочій точці №1, при цьому ланки постійного струму перетворювача споживається потужність Рн. Далі зовнішньою системою автоматики подається команда на зниження швидкості та перехід в робочу точку №2. Якщо величина допустимого прискорення/уповільнення приводу не буде обмежуватися, то кінетична енергія, запасена в механізмі вентилятора буде розкручувати вал електродвигуна вище синхронної швидкості, заданої перетворювачем. При цьому швидкість буде залишатися позитивною, а ось момент, створюваний двигуном, стане негативним і електропривод перейде в генераторний режим. У цьому випадку енергія рекуперації Ррекуп буде передаватися від двигуна до перетворювача частоти.
Малюнок 1. Механічні характеристики асинхронного електродвигуна при управлінні
від перетворювача частоти у режимі гальмування
Електричні схеми силової частини більшості сучасних перетворювачів частоти схожі. Спрощена схема, представлена на рис.2, містить некерований випрямляч, фільтр ланки постійного струму і інвертор на IGBT-транзисторах з зворотними захисними діодами.
Малюнок 2. Спрощена електрична схема силової частини перетворювача частоти
З рис.2 можна бачити, що енергія, що надходить від двигуна в перетворювач частоти, приходить в ланку постійного струму через зворотні діоди, які в цьому режимі виступають в ролі некерованого випрямляча. При цьому не має значення, чи відкриті в цей момент IGBT – транзисторів інвертора чи ні. Оскільки через вхідний некерований випрямляч в ланку надходить випрямлена напруга мережі, то електролітичні конденсатори ланки постійного струму вже заряджені. Енергія гальмування, в свою чергу, не передається в живильну мережу через вхідний некерований випрямляч, тому викид енергії від двигуна приводить до перенапруги на елементах ланки постійного струму і трифазному інверторі і їх відмови. Також шкідливим фактором такого режиму є те, що при підвищеній напрузі в ланці постійного струму підвищена напруга прикладається до ключів інвертора. Це призводить до підвищеного тепловиділення в них, їх часткового руйнування і подальшого відмови.
Іншим видом несправності, що виникає при експлуатації вентиляторів, є перевантаження IGBT – ключів при 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 часу розгону має місце 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 з істотною затримкою. У цьому випадку, оскільки напруга на двигун подається, а обертання вала двигуна сильно уповільнений, перетворювач відпрацьовує допустиму перевантаження і припиняє розгін, закриваючи силові транзистори інвертора, і показує помилку «ОС1» — коротке замикання фази двигуна. У той же час ЕРС, наведена в обмотках двигуна, перетворюється в кінетичну енергію, яка вже розкручує двигун і переводить його в генераторний режим, так як всі ключі інвертора закриті, і енергія від двигуна йде в ланку постійного струму. Це призводить до перенапруження в ланці постійного струму та появи помилки перенапруги «OU», при цьому помилка короткого замикання «ОС1» на перетворювачі скидається. Оскільки в цей час закриті ключі, і управління двигуном припинено, то двигун сповільнюється, перенапруження зникає і перетворювач знову починає розкручувати двигун. Такі цикли повторюються і вентилятор виходить на номінальну швидкість обертання після декількох ривків по швидкості при значному перевантаженню силових ключів перетворювача. При цьому виявити такий режим можна лише за непрямими ознаками, а саме виникненні в кодах останніх помилок перетворювача помилок «ОС1» — коротке замикання на виході перетворювача частоти і «OU» — перенапруження по шині постійного струму.
Виходячи з вищевказаних особливостей експлуатації електродвигунів вентиляторів, розглянемо способи підключення та конфігурування перетворювачів частоти для систем вентиляції, при яких буде забезпечуватися безаварійний режим роботи.
1. Підключення керуючих сигналів.
Найчастіше, як було сказано раніше, управління перетворювачем частоти вентилятора реалізується найчастіше з допомогою аналогового сигналу завдання швидкості і дискретного сигналу для видачі дозволу на роботи. При цьому більшість інженерів – проектувальників реалізують з допомогою дискретного сигналу, як пуск, так і зупинка вентилятора. Це і буває причиною відмови більшості перетворювачів частоти, які неправильно сконфігуровані або підключені.
Справа в тому, що у більшості перетворювачів частоти є дискретний вхід дозволу 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 управління. При неактивному рівні сигналу дозволу роботи подачі керуючих імпульсів на IGBT – транзистори силового інвертора немає і інвертор не працює. Якщо вал електродвигуна обертається, то при наявності великих махових мас вентилятора двигун переходить в генераторний режим і відбувається неконтрольований викид енергії з двигуна в ланку постійного струму перетворювача, що часто призводить до відмови перетворювача. У ряді випадків навіть короткочасного переведення в неактивний стан сигналу дозволу роботи перетворювача при працюючому вентиляторі вистачає для повернення двигуном енергії в ланку постійного струму перетворювача, достатньою для відмови силових елементів цієї ланки (включно з інвертором).
Існують кілька можливих шляхів вирішення даної проблеми:
використання перетворювачів частоти з функцією плавного уповільнення при знятті дозволу роботи;
застосування більш складних схем управління.
У першому випадку можна рекомендувати перетворювачі частоти Lenze серії ESV, в яких є параметр, що визначає реакцію на зникнення сигналу дозволу роботи. Для забезпечення безпечного режиму уповільнення вентилятора з великими маховими масами рекомендується встановити значення Р111=2 (зупинка по заданій траєкторії при зникненні сигналу дозволу роботи).
У другому випадку пуск перетворювача проводиться при нульовому значенні завдання по 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 більш складним, проте дозволяє отримати кращі регулювальні характеристики вентилятора.
2. Підключення елементів захисту ланки постійного струму.
Очевидно, що головною небезпекою при генераторному режимі є підвищення напруги в ланці постійного струму. Отже, рішенням, що забезпечує безпечну експлуатацію, є введення в схему електропривода розсіювання елементів гальмівної енергії. Одним з найбільш дешевих рішень є використання гальмівних чоперів (силових комутаторів), спільно з гальмівними резисторами, що включаються в ланку постійного струму.
Принцип роботи такої схеми наступний. При перевищенні напруги в ланці постійного струму вище допустимого (цей рівень встановлюється при програмуванні ПЧ або перемичками на чопері в залежності від типу ПЧ) відбувається відкриття силового ключа гальмівного модуля і здійснюється скидання енергії на гальмівний резистор. Ця дія відбувається автоматично і не впливає на якість роботи електродвигуна вентилятора. Перевагою такого підходу є захист ПЧ від шкідливих наслідків генераторного режиму навіть при повному відключенні керуючих сигналів, неправильне встановлення часу розгону та сповільнення і т. д.
3. Вибір раціонального часу розгону та сповільнення перетворювача.
Слід пам'ятати, що при знятті сигналу дозволу роботи(або його обриві) і неправильної конфігурації перетворювача частоти керування ключами інвертора припиняється і відбувається неконтрольований викид енергії з двигуна в ланку постійного струму. Тим не менш, правильна конфігурація часу розгону/гальмування забезпечує експлуатацію ПЧ без перевантажень по струму і напрузі. В першу чергу слід пам'ятати, що час розгону ПЧ повинно бути набагато більше часу прямого пуску асинхронного електродвигуна 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 чином, в разі частих пусків без витримки паузи між перевантаженнями можлива відмова цих транзисторів навіть при встановленій захисту в параметрі «С22» (відмова можлива не відразу, а після десятків і навіть сотень повторюваних важких пусків).
Використання рекомендацій і порад, представлених у цій статті, допоможе інженерам – проектувальникам електромеханічних систем вентиляції зменшити ймовірність відмови перетворювача частоти і оптимізувати роботу вентилятора в цілому.
