Частотні перетворювачі: як вони допомагають економити енергію

Електродвигуни зазвичай працюють на змінному струмі. Якщо керувати цим струмом, змінюючи частоту, паралельно можна трансформувати роботу самого двигуна. Наприклад, існує фіксована частота, а також напруга. Частотний перетворювач дозволяє змінювати ці на інші параметри, тому змінюється швидкість обертання двигуна, завдяки чому зводяться до мінімальних позначок витрати електроенергії, а сам двигун може служити набагато довше без ремонту та технічного обслуговування.

Принцип роботи частотних перетворювачів

Частотний перетворювач має широкий спектр застосування. Цей прилад працює за принципом подвійного перетворення сигналу з мережі. Спочатку напруга подається на випрямляючі діоди, після чого нівелюються гармоніки синусоїди, а пульсація сигналу — зберігається. Наступний етап — позбавлення від пульсацій, для чого використовуються конденсаторні батареї. На виході отримують згладжену та стабільну напругу. Проте на цьому перетворювання не завершується.

Випрямний модуль подає сигнал на мостову схему на 3 фази. Зазвичай це 6 транзисторів, які мають захист з діодів. Така схема захищає устаткування від пробою, що спричиняється зворотною полярністю. Всі частотні перетворювачі мають потужні транзистори та резистори для розсіювання енергії. Це найпоширеніший варіант з підключенням схеми електродвигуна, який використовується у системі гальмування.

Особливої уваги заслуговує векторне керування частотного перетворювача. Такий алгоритм дозволяє будувати схеми з автоматичним регулюванням сигналу. Існують наступні схеми керування:

1. Широтно-імпульсна.
2. Амплітудна.

Амплітудне керування базується на зміні вхідної напруги, а широтно-імпульсне працює через перемикання силових транзисторів, при цьому вхідна напруга є незмінною.

Зменшення споживання енергії в енергосистемах зі змінними навантаженнями

Останнім часом у всьому світі, зокрема в Україні, збільшуються ціни на електроенергію. Перш за все, від цього потерпає виробництво, адже для промислових об’єктів встановлені підвищені тарифи на електрику, а також там споживаються великі обсяги.

Одна з багатьох задач сучасних підприємств — підвищення енергетичної ефективності. Такі виробничі лінії, як конвеєри, системи вентиляції, підготовки повітря, верстати тощо потребують багато електроенергії. З урахуванням того, що ця техніка переважно працює на основі електродвигунів, при вирішенні питання енергоефективності намагаються зменшити споживання електрики.

Коли є змінні навантаження на техніку, найкращий варіант заощадження — встановлення перетворювачів частоти. Наприклад, при проєктуванні вентиляційних систем або кондиціювання проводять розрахунки максимальних обсягів повітря у приміщенні. Проте не завжди треба забезпечувати максимальні обсяги повітря. У деякий час система може працювати на 10% від своєї потужності. Саме частотний перетворювач може керувати обертами електродвигунів, створюючи заданий потік повітря, і тим самим заощаджувати електроенергію.

Ще одна сфера використання частотного перетворювача — насоси. Коли не стоїть задача роботи насосної станції на максимальну потужність, частотник може скоротити споживання електроенергії, зменшуючи оберти двигунів.

Крім того, насос, який може отримувати змінне навантаження, працює з частотним перетворювачем та не допускає гідравлічних ударів у системі трубопроводів.

Конвеєр також має змінний режим навантаження, тому на його двигуні встановлюють частотник. Коли треба прискорити рух конвеєрної стрічки, прилад збільшує напругу. Те ж саме відбувається й при зменшенні швидкості переміщення стрічки.

Аналогічна ситуація складається з підйомними кранами та механізмами, де завжди існує потреба в регулюванні роботи електродвигунів задля швидшого чи більш повільного підняття вантажів. Чим більша швидкість роботи двигуна, тим більше витрати, але вони будуть збалансовані за умови використання частотного перетворювача.

Економія енергії при зменшенні швидкості обертання

На прикладі роботи звичайного циркуляційного насоса, який встановлено в системі опалення будинку, можна зрозуміти, як відбувається економія енергії при зменшенні швидкості обертання двигуна.

Наприклад, насос має 3 робочі положення:

1. Перший режим — 35 Вт.
2. Другий режим — 50 Вт.
3. Третій режим — 65 Вт.

Коли насос працює на 3-му режимі, він витрачає максимум енергії. Коли немає потреби в роботі техніки на максимальну потужність, частотний перетворювач включає його на перший режим, що і дозволяє економити на електроенергії.

Зниження пускових струмів та навантаження на мережу

Коли відбувається початок роботи електричного двигуна, споживання електроенергії може стрибати. Тобто, виникає пусковий струм. Якщо схема роботи електродвигуна передбачає наявність частотного перетворювача, проблему можна нівелювати. При запуску двигуна виникає імпульс, що в десятки разів перевищуе параметри самого приладу. Пусковий струм та параметри роботи двигуна не рівні. Таким чином, для включення електродвигуна потрібно використати більшу силу струму.

Частотний перетворювач — це технологічне обладнання, яке ефективно керує робочими режимами електродвигуна. Окрім того, що частотник регулює оберти та крутний момент, він також дозволяє зменшити навантаження на мережі.

Покращення ефективності роботи обладнання

Частотний перетворювач дозволяє не тільки зменшити навантаження на електромережу. Перш за все, ця техніка покращує роботу інших приладів, які працюють в парі з частотними перетворювачами.

Головна задача — стабілізація напруги при роботі різної техніки. З цим частотний перетворювач дуже добре справляється. Насамперед, це важливо на виробництві, де багато електродвигунів.

Ефективність роботи обладнання досягається завдяки:

1. Зменшенню пускових струмів.
2. Запобіганню пожежі, адже частотний перетворювач гасить сильні перепади напруги.
3. Збільшенню ресурсу електродвигунів.

Також частотний перетворювач може використовуватися й у побуті. Наприклад, з ним працюють циркуляційні та глибинні насоси, системи вентиляції, кондиціонування повітря та інші прилади, у яких критично важно керувати обертами та швидкістю електродвигунів.

Підвищення експлуатаційної надійності систем

Будь-який механізм, що працює на електриці, має свої робочі характеристики, а також запас потужності та ресурс використання. Існує багато сучасних систем захисту електроніки від стрибків напруги у мережі (наприклад, стабілізатори), автоматичних вимикачів тощо.

Коли йде мова про електричний двигун та потребу у керуванні режимами його роботи, найкращий варіант підвищення експлуатаційної надійності системи — це встановлення частотного перетворювача. Він дозволяє випрямляти сигнал та виконує функцію подвійної автоматизації. Так, випрямлення сигналу важливо там, де прослідковується занижена напруга вихідного струму. Проблема вирішується придбанням недорогого частотника, який має просту конструкцію та принцип роботи.

Подвійна автоматизація за допомогою частотного перетворювача спрацьовує у випадку струму на виході з підвищеною або рівною частотою.

Так чи інакше, частотний перетворювач, який буде працювати у тандемі з електродвигуном та іншими видами приладів, дозволяє значно економити на витратах електроенергії, додатково захищає обладнання від короткого замикання, перенапруги тощо.

Зважаючи на те, що таких приладів на ринку існує безліч перетворювачів (те ж саме стосується й генераторного обладнання), буває дуже складно зробити правильний вибір. Але своєчасне звернення до фахівця максимально спростить поставлену задачу: після грамотних прорахунків перевага буде надана саме тому приладу, який зможе задовольнити потреби тієї чи іншої системи, враховуючи її проєктну складність.