Frekventni Regulatori u Pumpnim Sistemima_NOVO_a

Frekventni regulatori u pumpnim sistemima

Dušan Savić

broj indeksa 11593

2

Sadržaj

1. Regulacija brzine asinhronih motora ......................................................................................................... 3

2. Opšte o frekventnim regulatorima ............................................................................................................ 4

3. Karakteristika pumpe i radna tačka ......................................................................................................... 10

3.1 Regulisanje protoka ............................................................................................................................... 11

4. Prednosti korišćenja frekventnih regulatora ........................................................................................... 12

4.1 Ušteda energije ...................................................................................................................................... 12

4.2 Poboljšana kontrola procesa ................................................................................................................. 15

4.3 Smanjenje udara prilikom uključenja/isključenja .................................................................................. 16

3

1. Regulacija brzine asinhronih motora

Asinhroni motor je veoma jednostavne konstrukcije i lak je za održavanje. Osim toga asinhroni motor sa kratko spojenim rotorom (kavezni rotor) može se koristi ti za rad u specijalnim uslovima (prašnjavim, vlažnim, zapaljivim sredinama) bez dodatne opreme.

Iz jednačine za brzinu obrtanja asinhronog motora se vidi da se brzinom asinhronog motora može upravljati promjenom broja pari polova p, promjenom klizanja s i promjenom frekvencije f.

𝑛𝑁 =60 ∗ 𝑓𝑝

∙ (1 − 𝑠)

Zavisno od konstrukcije statora asinhronog motora moguće je upravljanje promjenom broja pari polova i postizanje do četiri različite brzine. Međutim upravljanje brzinom se vrši vrlo grubo, u fiksnim koracima i zahtjeva prevezivanje namota statora. Upravljanje promjenom klizanja se izvodi dodavanjem otpornika u kolo rotora, kod asinhronih motora sa namotanim rotorom, ili promjenom napona. Prednost korištenja rotorskog otpornika je što se može ostvariti širok spektar upravljanja, ali to dodatno poskupljuje motor, komplikuje konstrukciju i ograničava njegovu primjenu. Promjenom napona značajno se degradiraju performanse pogona. Oba ova pristupa karakterišu veoma veliki gubici energije i nemogućnost rada sa brzinama većim od nominalne.

Upravljanje brzinom asinhronog motora samo promjenom frekvencije napajanja ne daje zadovoljavajuće rezultate. Varijacije frekvencije napona napajanja prouzrokuju promjene fluksa. Za manje brzine frekvencija mora biti smanjena što bi povećalo fluks i otjeralo mašinu u zasićenje. Zbog toga je razvijena metoda upravljanja asinhronim motorom nazvana frekvencijsko upravljanje, odnosno, upravljanje istovremenom promjenom napona i frekvencije.

Elektronski uređaji koji omogućavaju da se mijenjaju fiksni parametri napojne mreže (napon i frekvencija), nazivaju se frekventni regulatori.

4

2. Opšte o frekventnim regulatorima

Frekventni regulatori su elektronski uređaji koji omogućavaju upravljanje brzinom trofaznih asinhronih motora pretvarajući ulazni mrežni napon i frekvenciju, koji su fiksirane vrednosti, u promenljive veličine. Pored osnovne funkcije upravljanja brzinom AC motora, frekventni regulatori integrišu i brojne druge funkcionalnosti kao što su: zaštita motora, alarmiranje, procesno upravljanje u zatvorenoj petlji (na primer održavanje konstantnog pritiska u cevi), mogućnosti podešavanja brzine i kontrola rada putem raznih interfejsa (ručno preko tastera na samom regulatoru ili daljinski povezivanjem na komunikacione interfejse). Na slici 1. je prikazana interna struktura frekventnog regulatora. Ispravljač pretvara mrežni AC napon u pulsirajući DC napon. Međukolo stabiliše ovaj DC napon i stavlja ga na raspolaganje invertoru. Invertor generiše frekvenciju napona na motoru (DC napon ponovo pretvara u kontrolisani AC napon). Upravljačko kolo prima i šalje signale iz ispravljača, međukola i invertora. To je mikroprocesorski sistem koji na osnovu svojih algoritama upravljanja definiše pobudu za motor kako bi se dobio željeni odziv.

slika 1.

Elektromotori su danas važan standardan industrijski proizvod. Sve dok se nisu pojavili frekventni regulatori nije bilo moguće u potpunosti upravljati brzinom trofaznog AC motora. Pored pune kontrole brzine AC motora, korišćenje frekventnog regulatora nudi i brojne druge prednosti: Ušteda energije je pogotovo u današnje vreme jedan od prioritetnih zahteva. Ovo se pre

svega odnosi na pogone sa pumpama i ventilatorima, gde je utrošak energije srazmeran trećem stepenu brzine. Na primer, pogon koji radi sa polovinom brzine troši samo 12.5% nominalne snage.

5

Podešavanje brzine u procesu proizvodnje pruža brojne prednosti u pogledu povećanja produktivnosti, smanjenja troškova održavanja, itd.

Broj startovanja i zaustavljanja mašine može se punom kontrolom brzine drastično smanjiti. Korišćenjem laganog ubrzavanja i usporavanja, izbegavaju se naprezanja i nagli udari u mašinskim sklopovima.

Uz smanjenje troškova održavanja, poboljšava se radno okruženje. Frekventni regulator kontroliše zajedno izlaznu frekvenciju i napon prema slici 3, održavajući konstantan odnos napon/frekvencija (volt/hertz). Momenat koji se stvara je direktno srazmeran ovom odnosu, što znači da je na svim brzinama (do nominalne brzine) momenat konstantan i jednak je nominalnom momentu. Ovo znači da motor na svim brzinama može da isporuči pun momenat (slika 2 )

slika 2. Regulator može da napaja motor i sa frekvencijama iznad nominalne (50 ili 60 Hz), ali u tom slučaju nije moguće dalje povećavanje napona. U tom slučaju se momenat smanjuje, pa postoji mogućnost da motor na većim brzinama ne može da isporuči dovoljan momenat za pokretanje datog opterećenja.

slika 3.

6

Većina statičkih frekventnih pretvarača koji se danas koriste u industriji za regulaciju ili upravljanje brzinom trofaznih motora su pravljeni na osnovu dva principa:

• frekventni pretvarači bez međukola (poznati kao direktni pretvarači), • frekventni pretvarači sa promenljivim ili konstantnim međukolom.

Frekventni pretvarači sa međukolom imaju ili strujno međukolo, ili naponsko međukolo i oni se nazivaju strujni invertori i naponski invertori. Invertori sa međukolom imaju određene prednosti u odnosu na direktne invertore, kao što su:

• bolje upravljanje strujom • redukciju viših harmonika • neograničenu izlaznu frekvenciju (ali ograničenje postoji u upravljanju korišćenju samih

elektronskih komponenti.Frekventni pretvarači za visoke izlazne frekvencije su u najvećem broju slučajeva izvedeni sa međukolom)

Direktni invertori su nešto jeftiniji od invertora sa međukolom, ali imaju tu manu da poseduju lošiju redukciju viših harmonika. Kako većina frekventnih pretvarača koristi jednosmerno (DC) naponsko međukolo.

Ispravljač Napon napajanja je trofazni AC napon ili monofazni AC napon fiksne frekvencije(3x400V/50Hz ili 1x240/50Hz) (400V je napon izmedju dve faze) i njihove karakteristične vrednosti mogu biti prikazane kao:

slika 4.

Na slici 4. sve tri faze međusobno su razmeštene u vremenu, fazni napon konstantno menja smer, dok frekvencija prikazuje broj perioda u sekundi. Frekvencija od 50Hz znači 50 perioda u sekundi, sa trajanjem periode 20ms. Ispravljači frekventnih regulatora sastoje se od dioda i tiristora. Ispravljač sačinjen od dioda je nekontrolisan, a ispravljač sačinjen od tiristora je kontrolisan. Ako su korišćene i diode i tiristori tada je ispravljač polukontrolisan.

7

Međukolo Međukolo se može videti kao neka vrsta skladišta iz kog motor vuče energiju kroz invertor. Frekventni pretvarači sa međukolom imaju ili strujno međukolo, ili naponsko međukolo i oni se nazivaju strujni invertori i naponski invertori.

Strujni invertori (I-regulatori). Kod strujnih invertora, slika 5, međukolo se sastoji od velikog kalema i kombinuje se, isključivo sa kontrolisanim ispravljačem. Kalem transformiše promenljiv napon iz ispravljača u promenljivu direktnu struju. Opterećenje određuje napajanje motora.

slika 5.

Naponski invertori (U-regulatori). Kod naponskih invertora, slika 6, međukolo se sastoji od kondenzatora(filtra) i može biti kombinovano sa oba tipa ispravljača. Filter poravnava pulsirajući napon (UZ1) ispravljača. U kontrolisanom ispravljaču napon je konstantan na zadatoj frekvenciji, i snabdeva invertor sa čistim DC naponom (UZ2) promenljive amplitude. U nekontrolisanom ispravljaču, napon na ulazu invertora je DC napon konstantne amplitude.

slika 6.

Invertor Invertor je poslednji stepen frekventnog regulatora, pre motora i tačke gde se odvija finalna adaptacija izlaznog napona. Frekventni regulator garantuje dobre operativne uslove, kroz čitav kontrolni opseg, adaptirajući izlazni napon prema uslovima opterećenja. To je moguće izvesti sa magnetisanjem motora na optimalnoj vrednosti. Iz međukola invertor prima:

8

• promenljivu direktnu struju • promenljiv DC napon • konstantan DC napon

U svakom slučaju, regulator osigurava da napajanje bude kvantitativno promenljivo. Drugim rečima, frekvencija napajanja motora se uvek generiše u invertoru. Ako su struja i napon promenljivi, invertor generiše samo frekvenciju. Ukoliko je napon konstantan, invertor generiše frekvenciju kao i napon. Iako invertori rade na različite načine, njihova osnovna struktura je uvek ista. Glavne komponente su kontrolisani polu-provodnici, postavljeni u parove u tri grane. Tiristori su sada zamenjeni sa visoko-frekventnim tranzistorima koji se brzo pale i gase. Mada ovo zavisi od polu-provodnika, tipično je između 300Hz i 20kHz. Polu-provodnici u invertoru se uključuju i isključuju signalom generisanim u upravljačkom kolu. Signali mogu biti kontrolisani na različite načine.

slika 7. Invertor za promenljiv li konstantan napon medjukola, izlazna struja zavisi od prekidačke

frekvencije invertora

Pri promenljivom ili konstantnom naponu međukola invertori (slika 7) imaju šest prekidačkih komponenti i bez obzira koji polu-provodnici su upotrebljeni, funkcija je bazično ista. Upravljačko kolo pali i gasi poluprovodnike koristeći različite modulacione tehnike i na taj način se menja izlazna frekvencija frekventnog regulatora. Prve tehnike radile su sa promenljivim naponom ili strujom u međukolu. Intervali tokom kojih individualni poluprovodnici provode su smešteni u sekvencu koja se koristi da bi se postigla zahtevana izlazna frekvencija. Sekvenca rada poluprovodnika je kontrolisana veličinom promenljivog napona ili struje u međukolu. Koristeći naponski kontrolisan oscilator, frekvencija uvek prati amplitudu napona. Ovakav tip invertora se naziva amplitudno modulisani (PAM). Ostale glavne tehnike koriste fiksni napon međukola. Napon motora se menja primenjujući napon međukola duže ili kraće vreme.

9

slika 8. Modulacija amplitude I širine impulsa

Frekvencija se menja varirajući naponske impulse duž vremenske osepozitivno za jednu poluperiodu i negativno za drugu. Tehnika menjanja širine naponskog impulsa naziva se impulsno-širinska modulacija (PWM). PWM (i slične tehnike kao sinusno-modulisani PWM) je najčešća tehnika invertorske kontrole. U PWM tehnici kontrolno kolo određuje vreme paljenja i gašenja poluprovodnika u preseku između napona i nametnutog sinusoidnog referentnog napona (sinus-kontrolisani PWM).

Upravljačko kolo Upravljačko kolo ili upravljačka kartica, je četvrta važna komponenta frekventnog regulatora i ima četiri bitna zadatka:

• upravljanje poluprovodnicima frekventnog regulatora • razmena podataka između frekventnog regulatora i perifernih uređaja • sakupljanje i izveštavanje o porukama greške • ostvarivanje zaštitne funkcije za frekventni regulator i motor

Mikroprocesori povećavaju brzinu upravljačkog kola, značajno povećavajući broj odgovarajućih aplikacija za pokretanje, a ujedno smanjujući broj neophodnih proračuna. U frekventnom regulatoru integrisani su mikroprocesori, koji omogućavaju da se determiniše optimalna povorka impulsa za svako radno stanje.

10

3. Karakteristika pumpe i radna tačka

Napor pumpe je taj koji ostvaruje cirkulaciju vode u sistemu. Ako se izvede ispitivanje pumpe tako što se mere protoci i napori mašine pri zatvaranju cevnog zatvarača (na primer, ventila) dobijaju se različite karakteristike cevovoda i radne tačke pumpe. Spajanjem radnih tačaka pumpe dobijenih eksperimentom konstruiše se radna karakteristika pumpe - Q-H kriva. Ako se pri tome, za svaki protok, odredi potrebna snaga na pogonskom vratilu i stepen korisnog dejstva, dobija se karakteristika pumpe prikazana na slici 9.

slika 9. Karakteristika pumpe

Kriva sistema (slika 10) se sastoji od dva dela. Pritisak potreban pri nultom protoku je statički pritisak. On predstavlja visinu vodenog stuba koji pumpa u sistemu može da savlada bez obzira na protok. Druga komponenta predstavlja meru otpora samog sistema (cevi, ventilacioni otvori), i povećava se sa povećanjem protoka. Tako da karakteristiku cevovoda možemo predstaviti kao:

𝐻 = 𝑎 + 𝑏 ∙ 𝑄2

slika 10. Karakteristika cevovoda

11

Presek krivih karakteristike pumpe i sistema predstavlja radnu tačku (slika 11).

slika 11. Sprega pumpe i cevovoda

3.1 Regulisanje protoka U praksi vrlo često postoji potreba za promenom protoka. Regulisanje protoka prigušivanjem pomoću cevnog zatvarača je najjednostavniji i investiciono najjeftiniji način. U ovom slučaju na potisnom vodu ugrađuje se cevni zatvarač. Pritvaranjem cevnog zatavarača povećava se njegov koeficijent otpora tako da se karakteristika cevovoda menja. Ukoliko se regulisanje centrifugalne pumpe vrši pomoću ventila, prigušivanjem, radna tačka se pomera duž karakteristike pumpe.

Pri regulisanju pumpe putem promene broja obrtaja, primenom frekventnog regulatora, radna tačka se pomera duž krive sistema.

slika 12. Regulacija prigušivanjem i regulacija promenom broja obrtaja

12

Na slici 12. prikazane su krive karakteristika pumpe i sistema u kojem je pumpa instalirana. Sa slike vidimo da je za postizanje istog protoka, pritisak pumpe manji kod upotrebe frekventnog regulatora.

4. Prednosti korišćenja frekventnih regulatora

Ventilatori, pumpe i kompresori se često koriste bez kontrole brzine. U tom slučaju protok se reguliše sa ventilima ili prigušivanjem na druge načine. Kada se protok kontroliše bez regulacije brzine, motor radi sa punom brzinom. Sistemi grejanja, hlađenja i ventilacije retko zahtevaju maksimalan protok, već on zavisi od brojnih faktora, kao što su npr. spoljna temperatura, itd. Upotrebom ventila i prigušivača prigušuje se protok i sistem tokom najvećeg dela vremena bespotrebno troši energiju. Korišćenje frekventnog regulatora za kontrolisanje brzine motora može uštedeti i do 70% energije.

slika 13.

4.1 Ušteda energije Odnosi između pritiska, protoka, brzine obrtanja osovine, snage se mogu izraziti zakonima afiniteta. Protok je direktno proporcionalan sa brojem obrtaja, dok je pritisak proporcionalan kvadratu broja obrtaja. Sa stanovišta uštede energije, najznačajnije je to što je snaga koja se troši proporcionalna trećem stepenu broja obrtaja motora. Tako, na primer, 75% brzine proizvodi 75% protoka, ali se troši samo 42% od snage neophodne za puni protok. Kada se protok smanji na 50%, utrošak snage je svega 12.5%.

𝑄1𝑄2

=𝑛1𝑛2

; 𝐻1𝐻2

= �𝑛1𝑛2�2

; 𝑃1𝑃2

= �𝑛1𝑛2�3

13

Potreba za energijom pri regulisanju prigušenjem i promenom broja obrtaja data je na slikama 14 i 15.

slika 14. Potreba za energijom pri prigušnom regulisanju

slika 15. Potreba za energijom pri prigušnom regulisanju

Upotreba frekventnih regulatora i centrifugalnih pumpi se u mnogim aplikacijama amortizuje već za manje od 2 godine.

Klasične metode kontrole protoka obuhvataju primenu ventila, ulaznih lopatica kod centrifugalnih ventilatora za smanjenje protoka vazduha koji ulazi u ventilator, on/off kontrola, itd. Glavni problem kod ovih načina kontrole protoka je to što se ne utiče na potrošnju. Postoje mogućnosti za smanjenje utroška energije, ali nijedna nije efikasna kao upotreba frekventnih regulatora. Na primer, On/Off kontrola stvara mehaničke udare i pikove pritiska usled konstantnog uključivanja i isključivanja, kao i pikove struje u mreži napajanja kada se motor uključuje direktno bez primene regulatora.

Upotrebom frekventnih regulatora postižu se velike uštede u kontroli procesa gde su opterećenje ili brzina promenjivi. Naročite uštede se postižu kod kontrole opterećenja koja imaju promenjivi momenat opterećenja u zavisnosti od brzine, a to su upravo pumpe, ventilatori, kompresori.

14

Na slici 16 je dato poređenje utroška energije između kontrole protoka ventilom (ili drugim prigušivačem) i upotrebom frekventnog regulatora.

slika 16.

Celokupan sistem, grejanja, hlađenja i ventilacije se dizajnira prema najvećim zahtevanim vrednostima procesnih promenjivih (protok, pritisak, temperatura…). Ovo znači da su pumpe ili ventilatori predimenzionisani tokom najvećeg dela radnog vremena. Tokom 90% radnog vremena zahtevani protok je ispod 70%. Kontrolisanjem brzine motora pumpe ili ventilatora mogu se postići značajne uštede energije.

Slika 17 prikazuje odnos troškova tokom radnog ciklusa pumpi i ventilatora. Najveći deo troškova odlazi na utrošak energije tokom rada. Uštedom energije koju omogućavaju frekventni regulatori vrlo brzo se nadoknađuju nešto veće investicije potrebne za instaliranje sistema. Takođe, upotrebom frekventnih regulatora cena održavanja se smanjuje, štiti se motor i produžava se njegov životni vek.

slika 17.

15

4.2 Poboljšana kontrola procesa Frekventni regulatori omogućavaju precizniju kontrolu hemijskih procesa, procesa distribucije vode, ventilacije, itd. Na primer, pritisak u sistemima distribucije vode se može održavati sa znatno boljom tolerancijom.

Na slici 18 je prikazan jednostavan sistem za održavanje konstantnog pritiska u cevi. Pumpa je integrisana sa frekventnim regulatorom, senzorom i softverom za kontrolu brzine. Željena referentna vrednost pritiska se podešava na regulatoru.

Slika 18.

Sistem radi tako da se, prilikom starta, uključuje pumpa čiji je obrtaj regulisan frekventnim regulatorom. Frekventni regulator, lagano zaleće pumpu, a zatim menja broj obrtaj kako bi pritisak ostao na zadatoj vrednosti (npr. 2 bar). Podatak o vrednosti pritiska se dobija preko senzora koji je ugrađen na potisnu cev i direktno priključen na frekventni regulator. PID kontroler, koji je sastavni deo regulatora reguliše brzinu motora pumpe kako bi se održavao konstantni pritisak. U slučaju veće potrošnje pumpa će povećavati broj obrtaja, odnosno u slučaju smanjene potrošnje, smanjivaće broj obrtaja. Na taj način se postiže usaglašavanje kapaciteta pumpe sa trenutnom potrošnjom vode.

Princip funkcionisanja procesa regulacije opisan je i prikazan na slici 19.

16

Slika 19.

4.3 Smanjenje udara prilikom uključenja/isključenja Sledeća prednost frekventnog regulatora se ogleda u smanjenju mehaničkih i električnih udara prilikom uključenja/isključenja mašine. Frekventni regulatori omogućavaju mekan start mašine, postepenim povećavanjem frekvencije po programiranoj rampi. Direktnim uključenjem motora na mrežu trenutna struja može imati vrednost i do deset puta veću od nominalne struje In. Mekan start frekventnog regulatora ograničava ovu struju na vrednost ne veću od 1.5 In. Ovim se produžava životni vek motora i smanjuju troškovi održavanja.