Применение частотных преобразователей в коммунальном хозяйстве

Анализ сегодняшней ситуации, сложившейся в коммунальной энергетике, говорит о том, что мы находимся в кризисном состоянии. Износ объектов инженерной инфраструктуры на муниципальных предприятиях городов выходит за допустимые пределы и приближается к критическому уровню 60%, при превышении которого резко растет аварийность инженерных сетей и оборудования.

Главной причиной, приведшей к кризису энергоснабжения городов, является отсутствие достаточного финансирования, а точнее, неверная система финансирования муниципальных образований, неисполнение законов «Об общих принципах местного самоуправления в Российской Федерации» и «О финансовых основах местного самоуправления в Российской Федерации».

Очевидно, что ситуация возникла не вчера и не внезапно, и, что «простых» решений здесь нет. Необходима политическая воля, эффективная система управления, мониторинг и контроль, постоянное внимание руководителей регионального уровня и поддержка руководителей федерального уровня. Необходима хорошая Программа развития и реконструкции коммунального хозяйства городов и его составляющей части — коммунальной энергетики. В задачах связанных с необходимостью реформирования жилищно-коммунального хозяйства городов особо следует выделить вопросы энергоснабжения, реализация которых должна в первую очередь решаться за счет внедрения энергосберегающих технологий. Необходимо научиться экономно расходовать энергоресурсы, чего можно добиться, вкладывая средства в энергосбережение, это позволит снизить затраты энергопотребления на 30—40%. А развивать генерирующие мощности, не решив проблемы экономного использования энергии, значит продолжать увеличивать потери ресурсов страны.

Внедрение энергосберегающих технологий сегодня — это не дань моде, особенно для нашей огромной северной страны и учитывая наше нынешнее экономическое состояние. Энергосберегающих технологий много, эффективность их зависит от множества факторов. В этой статье предлагается рассмотреть возможности, которые дают нам преобразователи частоты (ПЧ).

Словосочетание преобразователи частоты — многим кажется знакомо уже давно: есть преобразователи частоты на 200 или 400 герц для электропитания специализированного электроинструмента, преобразователи для получения высоких скоростей вращения электропривода и другие. Для того чтобы сразу можно было понять о каком преобразователе частоты идет речь, правильнее говорить о частотно-регулируемом электроприводе асинхронных электродвигателей.

В настоящее время, подавляющее большинство управляемых электроприводов строятся на базе асинхронных электродвигателей и преобразователей частоты, где преобразователь частоты выполнен по схеме: неуправляемый выпрямитель — автономный управляемый инвертор напряжения; то есть, сначала электрическая энергия сети преобразуется в постоянный ток, а потом инвертор создает трехфазный электрический ток переменной частоты. Различают два основных принципа управления преобразователями частоты.

К первому типу относится система скалярного управления, часто называемой частотным управлением, основной задачей которой является формирование фазных напряжений на основании заданных значений амплитуды и частоты, получаемых путем широтно-импульсной модуляции (ШИМ) инвертора, огибающие которых и представляют собой трех фазное напряжение для питания асинхронного электродвигателя.

Данный принцип является наиболее простым способом реализации частотного управления и, благодаря относительно низкой стоимости, широко используется для привода механизмов, не предъявляющих высоких требований к качеству регулирования скорости. В первую очередь это относится к электроприводам насосов, вентиляторов, компрессоров. Данный класс механизмов обладает широкими потенциальными возможностями энерго- и ресурсосбережения, которые успешно реализуются при внедрении указанного типа преобразователей.

Ко второму типу систем управления относится система векторного управления, обеспечивающая характеристики асинхронного электропривода, близкие к характеристикам привода постоянного тока. Эти свойства системы достигаются за счет разделения каналов регулирования потокосцепления и скорости вращения электродвигателя, не достижимого при использовании скалярного управления. При построении указанных систем используется векторное представление физических величин.

Преобр азователи, использующие данный принцип управления, имеют сравнительно высокую стоимость и применяются в механизмах с повышенными требованиями к качеству регулирования скорости, например, приводы в станках, лифтах, кранах. Хотя при наличии хороших датчиков обратной связи: датчиков положения, скорости, в большом числе случаев, с этими задачами могут справиться и преобразователи скалярного принципа управления. Следует также отметить, что существует четкая тенденция к отказу от датчиков скорости и разработке алгоритмов определения состояния двигателя по измеренным фазным токам и напряжениям, что ведет к снижению стоимости и повышению надежности системы.

Новым направлением в области разработки высококачественных систем управления являются системы с прямым управлением моментом. Основная идея управления заключается в том, что на каждом шаге расчета определяется оптимальное состояние инвертора напряжения по значению момента и потока статора, из системы исключается широтно-импульсный модулятор, как отдельное звено. Система реализует векторное регулирование скорости, математический аппарат которого основан на дифференциальных уравнениях динамики асинхронного двигателя и векторных соотношениях.

Метод одинаково корректен как для переходных, так и для установившихся процессов, что существенно повышает динамический диапазон работы системы, приводит, например, к отсутствию провалов скорости при скачках нагрузки. Задача контура скорости — задать мгновенное положение вектора тока, необходимое для поддержания заданной скорости. Задача контура тока — обеспечить реальное положение и амплитуду вектора тока равными заданным значениям.

Момент переключения инвертора не привязан к периоду ШИМ, а зависит от реальной ошибки вектора тока. Определяющим в работе контура является критерий выбора состояния инвертора при переключениях и позволяет:

• минимизировать частоту переключений инвертора при малой амплитуде ошибки;
• уменьшить кратковременно возникающую большую токовую ошибку за минимальное время при минимальном количестве коммутаций инвертора.

Данный метод управления током имеет существенные преимущества по сравнению с ШИМ — управлением. Он позволяет строить более скоростные системы, мгновенно реагирующие на возмущающие воздействия, и одновременно рассеивать меньше энергии в силовых ключах по сравнению с методом ШИМ. Например, заявлено, что привод отрабатывает 100%-й скачок задания на момент за время, не превышающее 2 мс, что является естественным пределом асинхронного двигателя. В большинстве случаев ПЧ с таким типом управления позволяет отказаться от датчика скорости, так как встроенный вычислитель скорости оценивает частоту вращения вала двигателя 40000 раз в секунду с точностью 2 об/мин.

Опыт работы показывает, что в подавляющем большинстве решаемых на сегодняшний день задач, достаточно преобразователя частоты со скалярным принципом управления и ШИМ модуляцией инвертора, а иногда достаточно использовать устройства плавного пуска (УПП) или, как их еще называют, мягкие пускатели.