Плавный пуск или частотный преобразователь: что выбрать для насоса, вентилятора и конвейера

При включении насоса в трубопроводе раздаётся удар. Вентилятор долго разгоняется, вызывая просадку напряжения. Конвейер трогается так резко, что находящиеся на ленте изделия смещаются. Во всех трёх случаях возникает желание установить устройство, которое сделает пуск двигателя более мягким.

Для такой задачи подходят и устройство плавного пуска, и частотный преобразователь. Но сходство внешнего результата ещё не означает, что эти аппараты взаимозаменяемы. Устройство плавного пуска предназначено прежде всего для разгона и остановки двигателя, который затем работает практически с постоянной частотой вращения. Частотный преобразователь нужен там, где требуется управлять скоростью и моментом не только при пуске, но и в течение всего рабочего цикла. Именно это различие определяет выбор оборудования.

Для насоса или вентилятора с постоянной производительностью часто достаточно устройства плавного пуска. Если производительность должна изменяться вслед за потребностью технологического процесса, преимущество получает частотный преобразователь. Для конвейера дополнительно важны условия трогания: насколько тяжело сдвинуть загруженную ленту, требуется ли регулирование скорости и как должна происходить остановка.

Что именно делает устройство плавного пуска

Устройство плавного пуска, сокращённо УПП, постепенно увеличивает напряжение, подводимое к двигателю. В распространённых исполнениях эту задачу выполняют тиристоры - полупроводниковые приборы, которые открываются в определённые моменты каждого полупериода сетевого напряжения. Изменяя момент их открытия, аппарат регулирует действующее значение напряжения на двигателе. Частота питающей сети остаётся прежней.

Двигатель не получает полное напряжение сразу. Он начинает разгоняться при пониженном напряжении, после чего напряжение возрастает до сетевого. Это позволяет уменьшить пусковой ток и смягчить механические воздействия на муфты, ремни, редукторы и рабочий механизм.

Однако снижение напряжения имеет физическое ограничение. При неизменной частоте и одинаковом скольжении электромагнитный момент асинхронного двигателя приближённо пропорционален квадрату напряжения:

Например, при напряжении, равном 70% от исходного, момент в сопоставимых условиях составит примерно 49% от момента при полном напряжении. Речь идёт не о 49% номинального момента, а о сравнении моментов при одном и том же скольжении. Поэтому уменьшить ток до сколь угодно малого значения и одновременно сохранить способность двигателя сдвинуть тяжёлый механизм невозможно.

Если начальный момент слишком мал, двигатель не разгоняется или разгоняется недопустимо долго. Плавный пуск превращается в затяжной нагрев. Для механизма важно не то, насколько красиво на экране задана рампа напряжения, а достаточно ли момента для преодоления сопротивления и ускорения вращающихся масс.

После разгона во многих УПП включается байпасный контактор. Он шунтирует силовые полупроводники, и ток двигателя проходит через его контакты. Благодаря этому уменьшаются потери мощности и нагрев аппарата в установившемся режиме. Наличие встроенного байпаса необходимо проверять по документации конкретной модели.

УПП не следует воспринимать как упрощённый регулятор рабочих оборотов. Уменьшение напряжения при неизменной частоте не заменяет частотное управление, особенно у двигателя, который должен длительно развивать значительный момент.

Чем отличается частотный преобразователь

Частотный преобразователь, или ПЧ, изменяет частоту и напряжение питания двигателя. В распространённой схеме сетевое переменное напряжение сначала выпрямляется, затем инвертор формирует для двигателя напряжение с требуемой основной частотой. В отличие от УПП, преобразователь остаётся активной частью системы управления и после завершения разгона.

Для асинхронного двигателя синхронная частота вращения магнитного поля определяется выражением:

где f  - частота питания, Гц, p  - число пар полюсов. Ротор в двигательном режиме вращается несколько медленнее поля, но изменение частоты позволяет изменять и его скорость.

Преобразователь согласованно управляет частотой и напряжением, а в более развитых системах - составляющими тока, связанными с магнитным потоком и моментом. Благодаря этому двигатель способен развивать значительный момент уже на малой скорости без характерного для прямого включения броска тока. Доступный момент зависит от алгоритма управления, настроек, характеристик двигателя и перегрузочной способности ПЧ.

Именно скорость служит главным ориентиром при выборе. Если её требуется изменять в рабочем режиме, УПП обычно не решает задачу. Если скорость должна оставаться постоянной, необходимость в частотном преобразователе нужно обосновывать другими требованиями: тяжёлым пуском, ограничениями сети, управляемым торможением или особенностями технологического процесса.

Сравнение возможностей без рекламных обещаний

УПП и ПЧ правильнее сравнивать не по количеству функций, а по тому, какие из них действительно нужны механизму.

Различия в таблице относятся к назначению устройств, а не ко всем возможным функциям каждой модели. Существуют УПП с дополнительными режимами торможения и специальные преобразователи для насосов, вентиляции и машинных приводов. Подробности определяет документация выбранного аппарата.

Насос: сначала гидравлика, затем электроника

Когда достаточно плавного пуска

Представим центробежный насос, который перекачивает воду из одного резервуара в другой. После включения он должен работать с постоянной производительностью, а изменение оборотов в процессе не требуется. Основные проблемы возникают при запуске и остановке.

В такой установке УПП может оказаться рациональным решением. Он уменьшает электрическую нагрузку при разгоне и позволяет смягчить переходные процессы. Для насосных применений выпускаются устройства с управлением моментом, рассчитанным на более благоприятное изменение подачи при пуске и остановке.

Особенно важно различать плавное уменьшение напряжения и фактическое изменение потока воды. Одинаковая по времени рампа напряжения не гарантирует одинакового изменения подачи в разных насосных установках. Результат зависит от характеристик насоса и трубопровода. Поэтому настройку остановки оценивают по поведению гидравлической системы, а не только по отсутствию аварии УПП.

Нельзя обещать, что установка УПП сама по себе устранит любой гидроудар. Управление двигателем - только один из способов воздействия на переходный процесс. Поведение обратной арматуры и изменение движения жидкости также должны учитываться при проектировании установки.

Когда нужен частотный преобразователь

Другая задача возникает в системе водоснабжения, где расход меняется в течение суток. Если насос продолжает вращаться с постоянной скоростью, избыточный напор приходится ограничивать регулирующей арматурой.

Частотный преобразователь позволяет уменьшать обороты, когда потребление снижается. Датчик давления передаёт измеренное значение регулятору, тот сравнивает его с заданием и изменяет скорость насоса. Подача приспосабливается к потребности системы, вместо того чтобы насос постоянно создавал избыточный напор.

В подобных установках частотное управление решает уже не задачу запуска, а задачу регулирования технологического параметра. Для насосов существуют исполнения ПЧ с каскадным управлением, при котором один регулируемый насос работает совместно с дополнительными насосами, подключаемыми по мере роста потребности.

Почему кубический закон нельзя превращать в обещание экономии

Для центробежных насосов при соблюдении условий подобия справедливы приближённые зависимости:

где Q - подача, Н - напор, n - частота вращения, P  - мощность на валу. Эти соотношения предполагают сопоставимые режимы и примерно неизменный КПД.

Если снизить скорость до 80% от исходной, по кубической зависимости получаем:

Мощность на валу в соответствующем режиме составит около 51% исходной. Но это ещё не означает, что счётчик конкретной насосной станции покажет снижение потребления на 49%. Реальная рабочая точка определяется пересечением характеристики насоса и характеристики системы, а электрическая мощность дополнительно зависит от потерь двигателя и преобразователя.

Если насос поднимает воду на значительную высоту, часть требуемого напора связана со статической составляющей, а не с потерями на трение. При уменьшении оборотов напор насоса снижается, и ниже определённой скорости он может перестать обеспечивать требуемую подачу. Поэтому оценивать экономию нужно по характеристикам насоса и системы.

Есть и ограничения по минимальной скорости. Они могут быть связаны с охлаждением, смазкой и условиями переноса твёрдых включений. Допустимый диапазон определяет изготовитель насоса.

Для объёмных насосов, например некоторых винтовых и поршневых машин, нельзя автоматически применять характеристики центробежного насоса. Их моментная нагрузка ближе к постоянной, поэтому подбор преобразователя и оценка экономии выполняются иначе.

Вентилятор: тяжёлый разгон ещё не означает необходимость частотного регулирования

У вентилятора может быть большое рабочее колесо и значительный момент инерции. Даже если сопротивление вращению на малой скорости сравнительно невелико, для разгона массивного колеса требуется время и энергия.

Именно поэтому вентилятор нельзя оценивать только по мощности двигателя. Два двигателя одинаковой мощности, установленные на разных механизмах, могут предъявлять совершенно разные требования к продолжительности пуска и тепловой нагрузке силовых приборов. В руководстве ABB вентиляторы с большой инерцией рассматриваются как характерная задача тяжёлого пуска.

Постоянный расход воздуха

Если вентилятор после запуска должен часами работать с одной скоростью, УПП часто выполняет необходимую задачу без установки полноценного регулируемого привода. Он уменьшает пусковые воздействия, после чего двигатель работает в установившемся режиме.

Подбор выполняют по реальной длительности разгона и количеству запусков. Аппарат, допустимый для короткого пуска насоса, не обязательно выдержит затяжной разгон вентилятора с тяжёлым колесом при том же номинальном токе двигателя.

Для вентилятора также не всегда нужна плавная остановка. Инерционный механизм может достаточно спокойно останавливаться выбегом. Снижение напряжения посредством УПП не следует путать с активным торможением вращающегося колеса. В типовых рекомендациях ABB для вентиляторов с большой инерцией предусмотрена остановка без рампы УПП.

Переменный расход воздуха

Если расход регулируют заслонкой, вентилятор продолжает вращаться с прежней скоростью, а рабочая точка изменяется за счёт сопротивления воздушного тракта. Частотное регулирование позволяет воздействовать непосредственно на скорость рабочего колеса.

При переменной потребности в воздухе это создаёт условия для существенного снижения потребляемой мощности. Для соответствующих режимов вентиляторов действует тот же характер зависимости мощности от скорости, что и для центробежных насосов. Однако экономию определяют с учётом характеристики вентиляционной сети и КПД оборудования.

Например, если технологический процесс допускает уменьшение расхода в отдельные периоды, работа на пониженной скорости может быть экономически оправдана. Если же расход всё время должен оставаться максимальным, покупать ПЧ только ради ожидаемой экономии электроэнергии оснований значительно меньше.

Для вентилятора с большой инерцией, который требуется быстро остановить, частотный преобразователь подбирают уже с учётом тормозного режима. Во время замедления энергия вращающихся масс может поступать обратно в звено постоянного тока ПЧ. Её необходимо рассеять или вернуть в сеть средствами, предусмотренными конструкцией привода.

Конвейер: решающим становится момент трогания

Конвейер отличается от центробежного насоса прежде всего характером нагрузки. Для многих ленточных конвейеров момент сопротивления в рабочем диапазоне приблизительно постоянен. При трогании дополнительно требуется преодолеть повышенное сопротивление неподвижного механизма.

Лёгкий горизонтальный транспортёр, который запускается пустым, и длинный загруженный конвейер с наклонным участком - разные задачи. Одинаковое слово «конвейер» в описании оборудования не позволяет выбрать один и тот же способ пуска.

Где УПП работает хорошо

Если транспортёр запускается без тяжёлой нагрузки, работает с постоянной скоростью и не нуждается в точной координации с другими механизмами, устройство плавного пуска может обеспечить требуемый результат. Мягкое нарастание момента уменьшает нагрузки на редуктор, муфты и ленту, снижает вероятность резкого смещения продукции.

Но ограничение тока должно оставлять двигателю достаточный момент. Попытка сделать пуск «ещё мягче» чрезмерным снижением начального напряжения может привести к тому, что лента не тронется. Длительная неподвижная работа под током не является щадящим режимом.

У отдельных УПП предусмотрен кратковременный стартовый импульс, помогающий преодолеть начальное трение. Он расширяет область применения аппарата, но не превращает его в полноценный частотно-регулируемый привод.

Где предпочтителен ПЧ

Для конвейера, который должен запускаться загруженным, изменять производительность или согласовывать скорость с соседними участками, частотное управление обычно даёт более подходящие возможности. Здесь важна способность создавать необходимый момент на малой скорости, а не просто плавно повышать напряжение.

Подбор ПЧ для конвейера нельзя выполнять по тем же допущениям, что для центробежного вентилятора. У вентилятора при уменьшении скорости резко снижается требуемый момент, а у конвейера значительная нагрузка может сохраняться во всём рабочем диапазоне. Нужно проверить допустимую перегрузку по току, её продолжительность и доступный момент выбранного режима управления.

Отдельное внимание требуется охлаждению двигателя. Если собственный вентилятор находится на его валу, на малых оборотах охлаждение ухудшается. Длительная работа с высоким моментом может потребовать независимой вентиляции или ограничения нагрузки.

Почему частотный преобразователь не заменяет механический тормоз

Управляемое замедление и удержание неподвижного механизма - разные задачи. ПЧ может создавать тормозной момент, но это ещё не означает, что конвейер будет безопасно удерживаться после отключения питания. Для наклонного транспортёра необходимость механического тормоза или другого удерживающего устройства определяется конструкцией и требованиями безопасности машины.

При интенсивном замедлении или движении груза, который сам приводит механизм во вращение, двигатель способен работать генератором. Обычному ПЧ может потребоваться тормозной прерыватель с резистором либо другое предусмотренное решение для обращения с возвращаемой энергией. Само наличие параметра «время торможения» этой задачи не решает.

Почему слишком длинный разгон иногда хуже короткого

Плавный разгон часто ошибочно связывают с максимально большим временем. Кажется, что запуск за минуту обязательно мягче и безопаснее запуска за десять секунд.

Для двигателя и силовой электроники важны не только механические ускорения, но и продолжительность протекания повышенного тока. При недостаточном ускоряющем моменте пуск затягивается, тепловая нагрузка возрастает, а аппарат может сработать по защите. Поэтому время разгона выбирают по механизму и допустимому пусковому режиму, а не по принципу «чем дольше, тем лучше».

У ПЧ действует сходное ограничение со стороны нагрузки: заданная рампа не гарантирует её точного выполнения, если для ускорения требуется ток выше допустимого. Привод может ограничивать ток, увеличивать фактическое время разгона или отключаться в зависимости от настроек и возможностей конкретной модели.

Практически полезно оценивать пуск как совместную работу двигателя, аппарата и механизма. Если конвейер трогается только после заметной задержки, вентилятор разгоняется дольше расчётного или насос выходит на режим с неустойчивым давлением, причина может находиться не в одном параметре времени.

Экономия электроэнергии: где она возникает на самом деле

Устройство плавного пуска устанавливают прежде всего ради снижения пусковых воздействий. После замыкания байпаса оно практически не меняет рабочий режим двигателя и механизма. Поэтому ожидать существенного уменьшения годового электропотребления только от замены прямого пуска на УПП обычно не следует.

Частотный преобразователь способен уменьшить потребление, когда позволяет перейти к более экономичному режиму работы технологической установки. Наиболее наглядный случай - центробежный насос или вентилятор, которому значительную часть времени не нужна полная производительность.

У конвейера снижение скорости не даёт такой же кубической зависимости мощности. При приблизительно постоянном моменте мощность на валу определяется выражением:

где М - момент, w  - угловая скорость. Если момент почти не меняется, мощность уменьшается примерно пропорционально скорости. Но одновременно может уменьшаться количество продукции, перемещаемой за единицу времени. Поэтому экономию оценивают не только в киловатт-часах за час, но и относительно выполненной работы.

Окупаемость ПЧ следует рассчитывать по графику нагрузки. Необходимы фактическое потребление в разных режимах, продолжительность этих режимов и сравнение с существующим способом регулирования. Номинальная мощность двигателя на табличке сама по себе не показывает, сколько электроэнергии удастся сэкономить.

В стоимость решения входят не только аппарат, но и шкаф, охлаждение, необходимые фильтры, тормозное оборудование, монтаж и наладка. Более дешёвый преобразователь на этапе закупки может потребовать дополнительных расходов, если особенности установки не были учтены заранее.

Что проверить перед заказом оборудования

Правильный подбор начинается с двигателя и механизма, а не с каталожной строки «мощность, кВт». Нужны номинальный ток и напряжение двигателя, схема соединения его обмоток, условия запуска и допустимая перегрузка. Для аппарата важны температура окружающей среды, условия охлаждения и режим работы.

Для УПП особенно существенны ток пуска, его продолжительность и количество пусков за час. Номинальный ток аппарата не означает, что он способен неограниченно часто выполнять тяжёлые разгоны. Выбор проверяют по пусковой способности и условиям, указанным изготовителем.

Для ПЧ необходимо определить диапазон скоростей и требуемый момент на каждой части этого диапазона. Если привод должен длительно работать медленно под большой нагрузкой, проверяют охлаждение двигателя. Если нужна быстрая остановка, рассчитывают тормозной режим.

Практическое сопоставление исходных данных можно свести к следующей таблице.

Это не готовая спецификация, а предварительная карта выбора. Её основания - характер нагрузки и возможности аппаратов, описанные в руководствах по пуску двигателей и частотно-регулируемому приводу.

Монтажные особенности, которые нельзя оставить «на потом»

Преобразователь формирует импульсное выходное напряжение. Это предъявляет дополнительные требования к изоляции двигателя, моторному кабелю, заземлению и электромагнитной совместимости. В зависимости от мощности, длины кабеля и характеристик двигателя могут потребоваться выходные фильтры и меры против подшипниковых токов. Их состав определяют по документации изготовителя, а не одинаково для всех установок.

УПП обычно проще в части длительной работы двигателя от сети, особенно при замкнутом байпасе. Но оно также требует правильно подобранной защиты и соблюдения условий монтажа. Плавный пуск не отменяет защиту от короткого замыкания, перегрузки и недопустимых режимов механизма.

Нужно учитывать и обслуживание. Звено постоянного тока ПЧ содержит конденсаторы, на которых опасное напряжение может сохраняться после снятия сетевого питания. Работы выполняют после отключения, выдержки установленного изготовителем времени и проверки отсутствия напряжения.

Частые вопросы при выборе

Можно ли поставить УПП вместо ПЧ, если скорость всегда задана 50 Гц?

Такую замену можно рассматривать, если частотный преобразователь действительно нужен только для разгона и остановки. Но перед заменой проверяют момент трогания, допустимый пусковой ток, возможности сети и требования к торможению. Постоянная рабочая частота ещё не означает, что условия запуска одинаково подходят обоим аппаратам.

Нужен ли УПП перед частотным преобразователем?

В обычной схеме привода он не требуется: частотный преобразователь сам обеспечивает управляемый разгон двигателя. Последовательное включение УПП «для дополнительной плавности» не является штатным способом улучшения частотного привода. Нестандартные схемы допустимы только при прямом обосновании и согласовании с изготовителями оборудования.

Будет ли ПЧ экономить электроэнергию при постоянной номинальной скорости?

Само наличие преобразователя экономию не гарантирует. Если механизм работает в прежней рабочей точке, главный источник экономии от изменения скорости отсутствует. Тогда ПЧ выбирают ради других возможностей управления, а не на основании общего обещания снижения потребления.

Что лучше для слабой сети?

Частотный преобразователь может обеспечить разгон со значительным моментом при меньшем токе двигателя, чем требуется в ряде вариантов пуска через УПП. Но ток двигателя на выходе ПЧ и входной ток из сети - не одно и то же. Окончательное решение принимают по параметрам источника питания, характеристикам преобразователя и допустимому влиянию на сеть.

Можно ли выбрать аппарат только по мощности двигателя?

Недостаточно совпадения киловатт. Один и тот же двигатель может приводить насос с лёгким разгоном или конвейер, требующий большого момента с самого начала движения. В спецификации должны быть отражены номинальный ток, характер нагрузки, продолжительность пуска, повторяемость циклов и условия окружающей среды.

Как сформулировать задачу для правильного выбора

Хорошее техническое задание описывает не желаемое название аппарата, а поведение машины. Для насоса это требуемые подача и давление в разных режимах. Для вентилятора - необходимый расход воздуха и продолжительность работы с неполной нагрузкой. Для конвейера - скорость, масса груза, условия запуска и требования к остановке.

Фраза «нужно плавно запустить двигатель» оставляет слишком много неизвестного. Гораздо полезнее запись: «конвейер запускается загруженным, должен разгоняться без смещения изделий, работать в заданном диапазоне скоростей и удерживаться после остановки». Из такой постановки уже видно, какие функции придётся обеспечить приводом, а какие - механической частью машины.

Покупать следует не максимальное количество функций и не минимальную цену за киловатт. Нужен аппарат, для которого требуемый режим является нормальной работой, а не постоянной проверкой предела перегрузки.

Чек-лист: Как выбрать УПП или частотный преобразователь и не сжечь двигатель

Андрей Повный