Указания по применению систем частотного регулирования при монтаже электрооборудования на объектах городского хозяйства

       
УКАЗАНИЯ
ПО ПРИМЕНЕНИЮ СИСТЕМ ЧАСТОТНОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ ПРИ МОНТАЖЕ ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ НА ОБЪЕКТАХ ГОРОДСКОГО ХОЗЯЙСТВА

Если верить рекламным проспектам фирм, торгующих  на российском рынке преобразователями частоты, приобретение ПЧ, который хоть и стоит немалых средств (3-6 тыс. руб. на 1 кВт мощности), позволяет для любого объекта применения окупить вложенные средства в ничтожно короткие сроки за счёт снижения эксплуатационных расходов и экономии моторесурса агрегатов.

Существует достаточное количество электроприводов, применение частотного регулирования в которых не только не снижает, но даже увеличивает потребление активной электроэнергии и  расходование моторесурса оборудования. Что же касается экономии тепловой энергии и холодной воды в указанных пределах, то их можно получить лишь в тепловых и водопроводных сетях, подобных решету.

Применение преобразователя частоты для насосной или вентиляционной установки, где постоянно работает лишь один агрегат, а мощность преобразователя выбрана большей или равной мощности асинхронного электродвигателя в большинстве случаев не заканчивается плачевно. В худшем случае выясняется, что никакой экономии энергоресурсов не получилось, но зато осуществляются плавный пуск и остановка агрегатов, более надежной становится защита электродвигателей, более точным - поддержание давления или уровня и т.д. В некоторых случаях, когда экономия энергетических ресурсов все же оказывается существенной, может выясниться, что мощность преобразователя частоты выбрана избыточной, а, следовательно, на его приобретение затрачены излишние средства.  

К более неприятным последствиям может привести неквалифицированное применение преобразователей частоты,  в которых при увеличении расхода перекачиваемой среды производительности частотно-регулируемого агрегата становится недостаточно. В рекламных проспектах фирм-производителей сообщается, что преобразователь частоты при увеличении расхода может выдать сигнал на включение дополнительного агрегата, не оснащенного преобразователем частоты (напрямую от сети), а при снижении расхода - на его отключение. Однако при этом "за кадром" остается вопрос о возможности работы нерегулируемого агрегата при открытом регуляторе выходного давления. Последствием такого включения могут быть отключение электродвигателя нерегулируемого насосного агрегата защитой или  выход его из строя.

Следует отметить, что применение преобразователей частоты для снижения энергопотребления целесообразно далеко не для всех насосных или вентиляционных установок. Не секрет, что существует большое число установок, где напор, развиваемый агрегатами, превышает необходимый для потребителей в 1,5-2,5 раза. В таких установках менее затратным средством может стать замена насосного или вентиляционного агрегата на другой, имеющий меньший номинальный напор, а иногда и просто применение  электродвигателя  с меньшей частотой вращения.

Отдельная группа проблем связана с ошибками в выборе мощности преобразователя частоты. Применение частотного регулирования для насосных агрегатов, значительно переразмеренных по напору, вызывает естественное искушение обеспечить работу  частотно-регулируемого  агрегата, с подачей, существенно превышающей номинальную. Действительно, механическая мощность, необходимая для привода насосного или вентиляционного агрегата пропорциональна произведению напора и подачи, поэтому, на первый взгляд, кажется, что с уменьшением напора, развиваемого насосом или вентилятором можно в такой же мере увеличить производительность агрегата. Однако если при этом не учитывать  снижение КПД насоса или вентилятора при больших подачах, то неизбежным следствием будет перегрузка электродвигателя агрегата.

Отдельной причиной для неприятностей может стать неуважительное отношение к проблемам электромагнитной совместимости преобразователей частоты. Как известно, преобразователи частоты при всех их положительных качествах могут  при неквалифицированном их применении "обеспечить":

- искажение синусоидальности входного тока преобразователя частоты, что может отрицательно сказаться на работе потребителей, питающихся от тех же шин, что и преобразователь частоты;

- перегрев или даже выход из строя электродвигателей или трансформаторов, получающих питание от преобразователя частоты;

- излучение недопустимо высоких радиопомех, способных вызвать нарушение работы радиоэлектронного оборудования, расположенного поблизости от преобразователей частоты или  их силовых кабелей.    

Для эксплуатационного персонала, привыкшего к традиционным методам регулирования параметров насосных и вентиляционных агрегатов, применение частотного регулирования требует определенного времени для привыкания к особенностям работы в новых условиях. Многочисленные примеры свидетельствуют о том, что на начальном этапе эксплуатации частотно-регулируемых приводов недостаточные навыки эксплуатационного персонала могут приводить к нарушению нормальной работы агрегатов. Если в технических решениях электрической части не предусмотреть возможность отключения преобразователя частоты и работы электродвигателя агрегата напрямую от сети, то такие случаи могут стать источниками аварийных ситуаций.

Для того чтобы предостеречь потенциальных Заказчиков систем частотного регулирования от не очень корректного  применения частотного регулирования  приведен ряд примеров, свидетельствующих о том, что для нормальной работы частотно-регулируемых приводов должны быть обеспечены все необходимые условия на всех этапах создания и эксплуатации этих систем.

Примеры, связанные с неправильным выбором ПЧ и законов регулирования

1. Первая волна применения преобразователей частоты в России была характерна тем, что некоторые руководители крупных предприятий городского хозяйства закупали преобразователи оптом, чаще всего по бартеру, а затем долго ломали головы, на каких же объектах их можно применить. Результатами такого приобретения является то, что и до сих пор много преобразователей, иногда по десяткам, лежат на складах.

2. Первые проекты применения ПЧ, осуществленные для канализационных насосных  станций на базе преобразователей ЭКТ с использованием внешних пропорциональных регуляторов не смогли обеспечить  какой-либо экономии электроэнергии, поскольку в часы малых притоков насосный агрегат работал в зоне очень низких значений КПД. Недостатки применения пропорционального регулятора проявлялись в том, что в часы максимальных притоков происходило включение дополнительного насосного агрегата, хотя при правильно выбранном законе регулирования было бы достаточно работы одного агрегата.   

3. В составе подавляющего большинства преобразователей частоты имеются встроенные пропорционально-интегрально-дифференциальные регуляторы, с помощью которых обеспечивается автоматическое регулирование технологического параметра (давления, уровня и т.п.).  Однако некоторые из модификаций преобразователей выпускается без таких регуляторов. Именно такой преобразователь недобросовестные поставщики установили на насосном агрегате горячего водоснабжения центрального теплового пункта, работающего в открытой системе теплоснабжения. В результате поддерживать заданное давление горячей воды пришлось ручным потенциометром. Когда оперативный персонал устал от такого регулирования, "народные умельцы" приспособили к преобразователю регулятор собственной конструкции, и лишь только после этого регулирование давления стало осуществляться автоматически.

4. Из рекламных проспектов фирм-изготовителей и даже из учебников  можно почерпнуть, что от одного преобразователя частоты могут одновременно работать два и более электродвигателей, если, конечно, мощность преобразователя это позволяет. Некоторые специалисты-электрики даже отстаивают технико-экономическую целесообразность такого решения. Действительно,  полезность  такого решения объясняется уменьшением количества преобразователей, некоторым уменьшением затрат на оборудование и монтажные работы. Однако, применение подобного решения к электроприводу насосных агрегатов, связано с негативными последствиями, в чем уже убедились специалисты водопроводных станций, на которых это решение было реализовано. Равномерная загрузка насосных агрегатов по производительности возможна лишь при идеальном совпадении их Q-Н - характеристик. Если же эти характеристики отличаются друг от друга, хотя бы незначительно, то добиться одинаковой загрузки насосных агрегатов можно,  лишь применяя дросселирование агрегата, развивающего больший напор. При работе водопроводной станции состав работающих насосных агрегатов меняется, к тому же возможна замена насосов. Это приводит к необходимости постоянной подстройки равномерности загрузки насосных агрегатов. Если такой подстройки не производить, то насосные агрегаты не смогут обеспечить максимальной нагрузки, поскольку защита будет отключать по перегрузке насосный агрегат, достигший максимальной производительности, в то время как другие насосы были недогружены.

Примеры, связанные с применением методик зарубежных фирм

В настоящее время большинство фирм-производителей преобразователей частоты предлагают компьютерные программы, позволяющие определять необходимые параметры преобразователей частот для насосных или вентиляционных установок, введя в программу необходимые исходные данные. Многочисленные попытки использовать такие программы для российских объектов успехом не увенчались. Эти программы "не понимают", как номинальная мощность преобразователя частоты может быть меньше номинальной мощности, электродвигателя, который от него получает питание, и требуют исправить ошибку. В действительности же почти в половине случаев применения преобразователей частоты их мощность оказывается меньше номинальной мощности электродвигателей. Причиной этого является выбор параметров насосов (особенно напора) по известной поговорке "запас карман не трет". Также в этих методиках предполагается, что в случае, если агрегат, работающий от преобразователя частоты, окажется перегруженным, то параллельно с ним можно включить другой агрегат, подключенный напрямую к сети. Как было отмечено ранее, это возможно далеко не всегда, и следствием этого решения может быть перегрузка электродвигателя агрегата, подключенного напрямую к сети. Причиной является все тот же выбор насосов по упомянутому выше принципу.

Примеры, связанные с отсутствием системного подхода:

1. Наиболее характерными примерами применения систем частотного регулирования без учета системного подхода являются системы частотного регулирования сетевых насосных  агрегатов котельных. Речь идет о котельных, которые работают параллельно на общую сеть теплоснабжения. Практика показала, что если осуществлять регулирование частоты вращения сетевого насоса, обеспечивая заданное значение  выходного давления котельной, как это обычно делается для автономно работающих котельных, то при их совместной работе это приводит к весьма нежелательным последствиям. Так если более мощная из работающих параллельно котельных по каким-то причинам увеличит выходное давление, а преобразователь частоты менее мощной котельной будет по-прежнему поддерживать заданное давление неизменным,  то это может привести к полному прекращению циркуляции сетевой воды, а, следовательно, к аварийной остановке котельной меньшей мощности.  Для того чтобы избежать таких нежелательных явлений, потребовалось применить при совместной работе котельных регулирование частоты вращения насосного агрегата в зависимости от величины циркуляции сетевой воды.

2. Ошибки при принятия решений по созданию систем частотного регулирования допускают не только российские, но и зарубежные специалисты, имеющие большой опыт применения преобразователей частоты, но не вполне знакомые с особенностями наших технологических решений.

Частотно-регулируемый электропривод применяется как за рубежом, так и в отечественных инженерных системах более двух десятилетий. Энергетики со стажем хорошо знают изделия типа ЭКТ, ТПТР, ПЧТ и др. Статические преобразователи частоты традиционно рассматривались (и сейчас нередко рассматриваются) лишь как преобразовательное звено электропривода. В структуре комплекса технических средств они занимали чаще всего нижний уровень и обменивались информацией с другими элементами АСУ посредством дискретных и аналоговых сигналов. Полезность применения ПЧ при этом заключалась в основном в возможности регулировать частоту вращения приводного электродвигателя и, применительно к инженерным системам, менять производительность насоса, компрессора или вентилятора.

Современные преобразователи частоты представляют собой аппаратно-программные комплексы, обладающие не только способностью преобразовывать параметры электроэнергии, но и мощными вычислительными и интерфейсными возможностями. Некоторые из них допускают свободное программирование функций управления с применением языков высокого уровня стандарта IEC 1131. Широкая гамма модулей расширения ввода-вывода и сетевых адаптеров позволяет строить на базе ПЧ достаточно сложные локальные системы автоматического управления технологическими процессами и легко интегрировать их в иерархические структуры систем управления высокого уровня.

Разработанные и применяемые СЧР выполняют многие функции АСУ ТП. Получение и регистрация информации о состоянии оборудования и реализуемом технологическом процессе. Эта информация поступает от оперативного персонала через панели управления ПЧ, внешние программируемые текстовые операторские панели, посты местного и дистанционного управления и др. Источниками информации являются датчики как встроенные в ПЧ, так и внешние, другие входящие в систему преобразователи частоты, внешние средства автоматизации и т.п.