Регулятор мощности или Преобразователь частоты? (Слёзы производства или как не надо делать.)

Технологический процесс

Работающее оборудование требует воздушного принудительного охлаждения. Контроль температуры осуществляется датчиком температуры. Подача воздуха осуществляется специальной установкой (описано ниже). Производительность вентиляторов этой установки должна производиться строго по программе, которая вводится с пульта установки оператором:

- При повышении температуры выше порога 1 включаются вентиляторы на 10…30% мощности (задаётся программно). -

Через заданное время, если температура не снижается, увеличить мощность вентиляторов. Далее постепенно увеличивать мощность вентиляторов вплоть до максимальной.

- В результате работы вентиляторов через какое-то время температура начинает снижаться. При снижении температуры до порога 2 необходимо снижать мощность вентиляторов.

- При снижении температуры до порога 3 или необходимости снижения производительности вентиляторов ниже 10…30% мощности (задаётся программно) вентиляторы выключить.

Замечание. Как видно из технологического процесса, существуют длительные неконтролируемые интервалы времени, во время которых вентиляторы работают не в полную мощность.

Характеристика установки

Шесть вентиляторов, объединённых в 2 группы по 3 вентилятора. Каждый вентилятор вращается индивидуальным электродвигателем асинхронного типа. Каждая группа (из трёх вентиляторов) питается от индивидуального электронного блока. Каждый из этих блоков подключен к питающей трёхфазной сети 50 Гц через стандартную пускорегулирующую аппаратуру (автоматический выключатель с защитой от перегрузок и электромагнитный пускатель с тепловой защитой). На передней панели шкафа автоматики установки вмонтирован небольшой дисплей с клавиатурой для программирования режима работы.

Информация из учебников

Регулировать скорость вращения (в нашем случае – регулировать производительность вентиляторов) ротора асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором можно двумя способами:

1) Изменением среднего значения питающего напряжения статора.

2) Изменением частоты питающего напряжения статора.

Достоинство первого способа в простоте реализации силового блока. Обычно такой блок называют регулятором мощности. Тем не менее, учебники не рекомендуют его применять, особенно для мощностей электродвигателей более 3 киловатт из-за повышенных токов и тепловых потерь.

Основным недостатком первого способа являются завышенные токи (всегда выше номинальных) во всём диапазоне регулирования от пуска до выхода на полную скорость. Это связано с тем, что частота напряжения на выходе регулятора неизменна и равна 50 Гц (частоте питающей сети). А это означает, что скольжение S (см. Термины и определения) завышено во всём диапазоне регулирования.

Второй способ как раз и родился для устранения основного недостатка первого способа. При этом способе скольжение близко к номинальному, поэтому токи и тепловые потери гораздо ниже, чем в первом способе. Такие устройства называют преобразователями частоты.

Недостатком второго способа является только сложность его реализации (если не учитывать стоимость таких частотных преобразователей).

Литературы, как учебной, так и специальной по этим вопросам очень много. Ключевые слова: электрические машины, двигатель асинхронный, регулятор мощности, преобразователь частоты.

Развитие событий

Установки монтировались зимой, поэтому дефективность электронных блоков не проявилась. Летом температура в цехе поднялась и вдруг стали срабатывать защитные автоматические выключатели.

Гарантийный срок закончился, вызывать специалистов долго и дорого, надо разбираться самим.

Ошибки эксплуатации

То ли перевод инструкций был некорректным, то ли толкование терминов не совпало с реальностью, но служба эксплуатации считала, что электронный блок – это частотный привод. А такой термин означает регулирование скорости электродвигателя при помощи изменения частоты питающей сети, что исключает длительные перегрузки по току. Поэтому решили, что срабатывание защиты означает либо неисправность электродвигателя, либо автоматического выключателя (заводской брак, что действительно нередко случалось), но никак не электронного блока. Из-за этого неверного предположения пошли ошибки в решениях.

Ошибка 1. Сняли электродвигатель и включили его напрямую в сеть 50Гц. Замер токов показал, что электродвигатель исправный. Значит, неисправен автоматический выключатель. Заменили его – тот же результат.

Ошибка 2.Заменили автоматический выключатель на гораздо больший ток. Автоматический выключатель перестал срабатывать. Казалось, задача решена. Но стала чаще срабатывать тепловая защита и вдруг вышел из строя электронный блок.

Ошибка 3.Силовые ключи электронного блока заменили на более мощные! Как вы думаете, что на очереди следующее? Правильно, стали гореть электродвигатели.

Правильное решение. Стали разбираться с электронным блоком, что весьма затруднительно ввиду отсутствия принципиальных схем на него. Схему восстанавливали по печатной плате электронного блока.

Результаты анализа электронного блока

Анализ схемы показал, что электронный блок не частотный привод, а ключевой регулятор напряжения. Такие регуляторы хорошо работают в установках регулирования накала ламп (только не «дневного» света) или в регуляторах ТЭНов.

Удивление было настолько сильным, что пришлось срочно делать макет, на котором можно было посмотреть форму напряжения на нагрузке. Осциллограммы подтвердили – это не преобразователь частоты, а регулятор мощности. Кроме того, выявились и дефекты разработки печатной платы. Самый неприятный дефект – элементы защиты (ограничители напряжения), которые сами могли кратковременно выдерживать ударные токи до тысячи ампер, были соединены с защищаемыми элементами дорожками шириной 0,5мм, да ещё и через несколько миниатюрных переходных отверстий. С течением времени возникал обрыв цепи и защитный элемент переставал выполнять свою функцию. Силовые ключи оставались без защиты.

Кроме того, сомнительным был выбор рабочего напряжения искрогасящих конденсаторов. Но это же импорт! Хотелось думать, что «там» знают, что ставят.

Ошибки разработчиков

Ошибка 1. Выбор способа регулирования производился без учёта технологии - длительной работы асинхронного двигателя в режимах неполной мощности, при которых токи двигателя были меньше пусковых, но гораздо выше номинальных.

Ошибка 2.Выбор пускорегулирующей аппаратуры и силовых ключей регулятора мощности производился стандартно – по номинальной мощности электродвигателей. (Опять же без учёта технологии).

Ошибка 3.Неудачная топология печатной платы регулятора мощности.

Интересное наблюдение

Мне повезло – я видел ещё две модификации этих установок. Обе эти модификации говорят о том, что возникшая проблема не только у нас, и разработчики это знают. Но никак не хотят перейти на частотные преобразователи. Вот их решения.

- Изменена компоновка деталей и топология печатной платы – дорожки к защитным элементам стали гораздо шире. Переходных отверстий стало меньше.

- Во второй и третьей модификациях установлены конденсаторы на большее рабочее напряжение (с 250 до 400В). (На некоторых вышедших из строя регуляторах были «взорваны» конденсаторы.)

- Третья модификация просто поразила – вместо ДВУХ регуляторов мощности (питающих по ТРИ электродвигателя каждый) установлено ТРИ регулятора мощности (питающих по ДВА электродвигателя каждый). Таким образом токи и тепловые потери на один регулятор снизили.

По моим расчётам каждый регулятор рассчитан на питание только одного электродвигателя. Нисколько не удивлюсь, если четвёртая модификация будет содержать ШЕСТЬ регуляторов мощности (по одному на каждый электродвигатель).

Термины и определения

1. Производительность вентилятора. Это количество перемещаемого воздуха в единицу времени (обычно «кубометров в час»). Производительность вентилятора зависит от скорости вращения его лопастей: чем выше скорость, тем выше производительность.

2. Скольжение. Разницу между угловыми скоростями или частотами вращения ротора и магнитного поля принято оценивать величиной, называемой скольжением S. При разных режимах работы электродвигателя скольжение меняется от 1 (при пуске) до номинального (указывается в паспорте электродвигателя заводом изготовителем). Величина скольжения S=0 – чисто теоретическая, в реальных условиях в двигательном режиме близка к нулю, но недостижима.

3. Пусковой ток. В момент включения электромагнитное поле статора электродвигателя сразу начинает вращаться с максимальной скоростью, а ротор неподвижен. Скольжение в этот момент максимальное S=1. При этом в обмотках статора возникают большие токи, называемые пусковыми. Обычно для расчётов принимают коэффициент превышения пускового тока от величины номинального тока в пределах 4…7,5 раз.

4. Регулятор мощности. Это электронное устройство, которое пропускает в нагрузку часть каждого полупериода сетевого напряжения. При этом среднее значение выходного напряжения изменяется. Регулирование может быть от нуля («Выключено») до максимума (эквивалентно прямому подключению к питающей сети). Для рассматриваемого случая главная особенность регулятора мощности – выходная частота всегда равна 50 Гц.

5. Преобразователь частоты. Это электронное устройство, которое преобразует напряжение питания частоты 50Гц в выходное напряжение регулируемой частоты от 0 (режим тормоза) до частот выше 50 Гц (обычно до 100Гц). Кроме того, современные преобразователи частоты имеют комплекс защит электродвигателя и самого себя.

Инженер-электронщик Агафонов Михаил Павлович

Предлагаем обсудить статью на нашем форуме

P.S.S. Данная статья является интеллектуальной собственностью сайта KIPiA.SU. При перепечатке обязательна прямая ссылка.