Преобразователи частоты и устройства плавного пуска: в чем разница и что выбрать?

Сегодня каждый инженер-энергетик по ходу профессиональной деятельности сталкивается с вопросом энергосбережения и увеличения эффективности работы комплексов приводов и отдельных электродвигателей. Действенный метод, решающий подобные задачи, — применение преобразователей частоты и устройств плавного пуска. Оба модуля выполняют похожие функции — оптимизируют работу электропривода. Приводы машин, в которых используются асинхронные электродвигатели, имеют относительно несложную конструкцию и невысокую стоимость, но в ходе их эксплуатации возникают определенные риски (большие пусковые токи, сложность управления и корректировки частоты вращения), которые приводят к авариям и вынужденным простоям оборудования.

В чем же отличие, и что в итоге выбрать? В этой статье рассмотрим принцип работы, конструкцию и назначение преобразователей частоты и устройств плавного пуска, а также поможем определиться с выбором подходящего решения.

Преобразователи частоты

Принцип работы

Частотный преобразователь — ­электронное устройство, разработанное для изменения частоты переменного тока электродвигателя. Изменяемый ток позволяет точно регулировать скорость вращения двигателя, учитывая текущие параметры работы, что в результате дает возможность снизить расход электроэнергии и увеличить срок службы оборудования. Преобразователь состоит из выпрямительного узла, инвертора и модуля управления.

Выпрямитель преобразователя генерирует постоянное напряжение из сетевого переменного тока. А инвертор преобразует его обратно в переменное, но уже с измененной частотой. Система управления контролирует работу устройства, получая информацию о скорости вращения и других параметрах двигателя.

Конструкция преобразователей частоты

Современные преобразователи состоят из следующих основных элементов:

• выпрямительного моста — отвечает за преобразование переменного тока в постоянный. Чаще всего реализован с помощью диодов или силовых полупроводниковых приборов, таких как тиристоры;
• конденсаторной батареи — используется для сглаживания имеющегося выходного постоянного напряжения;
• внутренний инвертор — преобразует постоянное напряжение обратно в переменное с изменяемой частотой;
• система охлаждения — предназначена для удаления избыточной тепловой энергии, генерируемой преобразователем. Встречается в двух видах исполнения: при помощи вентиляторов или комплексов активного (принудительного) охлаждения;
• устройство управления — отвечает за контроль и регулирование работы преобразователя, включая модули защиты и сигнализации, а также интерфейс для взаимодействия с обслуживающим персоналом.

Назначение преобразователей частоты

Преобразователи частоты востребованы во всех отраслях промышленности для управления работой электродвигателей. Основные функции устройства:

• энергоэффективность — при использовании преобразователя можно точно регулировать скорость двигателя, что позволяет снизить расход энергии при работе с неполной нагрузкой;
• улучшение управляемости — доступность регулирования количества оборотов поможет легко адаптировать устройство к условиям работы в текущий отрезок времени и к требованиям процесса;
• уменьшение механических напряжений на конструкцию. Плавный запуск и остановка двигателя, выполняемые преобразователем частоты, снижают нагрузку на механические элементы системы, такие как шестерни, элементы привода и подшипники. Это помогает избежать возможного гидроудара в момент пуска.

Преобразователи частоты находят применение в промышленном оборудовании, на котором используются приводы с участием асинхронных ЭДВ.

Устройства плавного пуска

Принцип работы

Устройства плавного пуска (УПП) предназначены для постепенного увеличения напряжения и/или частоты при пуске электродвигателя. Такой «маятниковый» пуск помогает снизить электрический ток и сгладить избыточные механические нагрузки, возникающие при обычном прямом пуске.

Конструкция устройств плавного пуска

Основными компонентами устройств плавного пуска являются регулирующие элементы, контакторы и реле. В самой простой конфигурации у УПП есть три основных режима работы: время разгона, торможения и напряжение пуска.

Пусковое регулирующее устройство — это специальный модуль, позволяющий постепенно изменять параметры пуска двигателя, такие как напряжение и частота. Часто реализуется с помощью автотрансформатора, реостата или электронного регулятора. В момент включения ЭДВ напряжение на обмотке составляет в пределах 30–80 % номинального. Тиристоры путем понижения регулируют его. Открываясь, они пропускают ток только в полупериоде сетевого напряжения. Функция открытия-закрытия тиристоров выполняет регулировку напряжения, тока и крутящего момента на выходном валу электродвигателя. Встроенные контакторы используются для управления двигателем во время процесса пуска и остановки, отвечают за надежное соединение и разъединение электрических цепей в приводе. На реле устройства возложена функция контроля и защиты работающего электродвигателя. Например, реле тока и температуры должны разомкнуть цепь в момент внезапного увеличения заданных нормативных значений.

Назначение устройств плавного пуска

Устройства плавного пуска используются для улучшения показателей безопасности процесса, энергоэффективности и надежности работы электродвигателей. Использование УПП обеспечивает следующие преимущества:

• снижение электрического тока при запуске. Устройства плавного пуска позволяют постепенно увеличивать напряжение и/или частоту. Это уменьшает нагрузку на систему питания и электродвигатель, а также улучшает стабильность электрической сети;
• снижение механических напряжений. Плавный пуск снижает до допустимых значений механические напряжения на валу, подшипниках, приводах и других элементах системы. Это продлевает ресурс и увеличивает срок службы оборудования, снижает риски поломок;
• защиту сетей. Современные УПП предлагают дополнительные функции, такие как детектирование перенапряжения, короткого замыкания и перегрузки. Это помогает предотвратить повреждения электродвигателя и системы питания.

Устройства плавного пуска, как и частотные преобразователи, используются во всех отраслях промышленности, где задействуются системы электроприводов.

Рекомендации по выбору

Увеличение срока службы привода и его эффективное использование — основные задачи частотных преобразователей и устройств плавного пуска с точки зрения экономии электроэнергии. Эти компоненты необходимы для современных систем автоматизации и управления электродвигателями. Они повышают энергоэффективность, улучшают управляемость, защищают оборудование от преждевременного износа и аварийных поломок. При выборе между преобразователем частоты и устройством плавного пуска следует учитывать специфику оборудования и требования процесса. Важно обратиться к специалистам, которые помогут определиться с наиболее подходящим решением для конкретной задачи.

Чаще всего решение о выборе того или иного устройства лежит в финансовой плоскости. При этом решающими в любом случае остаются именно технические моменты. При выборе между частотным преобразователем и устройством плавного пуска стоит обратить внимание на следующие факторы:

• при использовании преобразователя частоты не требуется компенсации реактивной мощности. Однако в схемах с УПП она будет необходима;
• частотные преобразователи регулируют производительность двигателя согласно заданным параметрам и без использования дополнительных механизмов. В системе УПП такой опции нет;
• преобразователь имеет собственный объем памяти, за счет чего может регулировать мощность в диапазоне номинальной мощности устройства. УПП этого осуществить не может — для выполнения подобной задачи потребуется монтаж дополнительного модуля под другую мощность электродвигателя.

Частотные преобразователи — устройства для одновременного выполнения нескольких задач. Они более универсальны, чем УПП, и у них больше функций. Выбор в пользу УПП чаще всего делается из финансовых соображений. Наиболее значимое преимущество устройства плавного пуска, помимо экономического аспекта, — малые габариты прибора: это позволяет установить его в ограниченном пространстве.

При принятии решения о закупке решающим фактором должен стать полный технический аудит будущего узла с учетом всех инженерных и экономических составляющих, анализ его задач, условий работы и окружающих производственных факторов.