Содержание
Казалось бы, раскрыть зависимость напряжения от частоты просто. Стоит только обратиться с соответствующим запросом ко всезнающим поисковым системам и. убедиться, что ответа на этот вопрос попросту нет. Что же предпринять? Давайте разбираться вместе в этом непростом вопросе.
Напряжение или разность потенциалов?
Надо заметить, что напряжение и разность потенциалов — это одно и то же. По сути, это сила, которая способна заставить электрические заряды двигаться потоком. Не имеет значения, куда будет направлено это движение.
Разность потенциалов — просто другое выражение для напряжения. Оно нагляднее и, может быть, понятнее, но сути дела не меняет. Поэтому главный вопрос состоит в том, откуда берется напряжение, и от чего оно зависит.
В том, что касается домашней сети 220 Вольт, ответ простой. На гидростанции поток воды вращает ротор генератора. Энергия вращения трансформируется в силу напряжения. Атомная электростанция вначале превращает воду в пар. Он и крутит турбину. В бензоэлектростанции ротор вращает сила сгорающего бензина. Есть и другие источники, но суть всегда одна и та же: энергия превращается в напряжение.
Самое время задаться вопросом о зависимости напряжения от частоты. Но мы еще не знаем, откуда берется частота.
Что является источником частоты
Тот же самый генератор. Частота его вращения превращается в одноименное свойство напряжения. Вращайте генератор быстрее — частота будет больше. И наоборот.
Хвост не может "вилять" собакой. По той же причине частота не может изменить напряжение. Следовательно, выражение "зависимость напряжения от частоты тока" не имеет смысла?
Чтобы найти ответ, надо правильно сформулировать вопрос. Есть такая присказка про глупца и 10 ученых мужей. Он задавал неправильные вопросы, а они не могли ответить.
Если назвать напряжение другим определением, все встанет на свои места. Оно применяется для цепей, состоящих из множества разных сопротивлений. "Падение напряжения". Оба выражения часто считаются синонимами, что почти всегда неправильно. Потому что падение напряжения действительно может зависеть от частоты.
С чего бы напряжению падать?
Да просто потому, что не может не падать. Итак. Если на одном полюсе источника потенциал равен 220 Вольт, а на другом — ноль, то это падение могло произойти только в цепи. Закон Ома говорит о том, что, если в сети имеется одно сопротивление, то все напряжение на нем и упадет. Если два и больше — каждое падение будет пропорционально его величине, а их сумма равна исходной разности потенциалов.
Ну и что? Где здесь указание на зависимость напряжения от частоты тока? Пока что все зависит от величины сопротивления. Вот, если бы найти такой резистор, который меняет свои параметры при изменении частоты! Тогда и падение напряжения на нем менялось бы автоматически.
Есть такие резисторы
Их еще называют реактивными, в отличие от активных собратьев. На что же они реагируют, изменяя свою величину? На частоту! Существует 2 вида реактивных сопротивлений:
Каждый вид связан со своим полем. Индуктивное — с магнитным, емкостное — с электрическим. На практике они представлены в первую очередь, соленоидами.
Они представлены на фото выше. И конденсаторами (ниже).
Их можно считать антиподами, потому что реакция на изменение частоты прямопротивоположная. Индуктивное сопротивление растет с частотой. Емкостное, наоборот, падает.
Теперь, учитывая особенности реактивных сопротивлений, в соответствии с законом Ома, можно утверждать, что зависимость напряжения от частоты переменного тока существует. Она может быть рассчитана с учетом величин реактивных сопротивлений в цепи. Только для ясности надо помнить, что речь идет именно о падении напряжения на элементе цепи.
И все-таки она существует!
Вопросительный знак в заголовке статьи превратился в восклицательный. "Яндекс" реабилитирован. Осталось только привести формулы зависимости напряжения от частоты для разных видов реактивных сопротивлений.
Емкостное: XC = 1/(w · C). Здесь w — угловая частота, C — емкость конденсатора.
Индуктивное: XL = w · L, где w — то же, что и в предыдущей формуле, L — индуктивность.
Как видно, частота влияет на величину сопротивления, изменяя его, следовательно, изменяет и падение напряжения. Если в сети имеется активное сопротивление R, емкостное XC и индуктивное XL, то сумма падений напряжений на каждом элементе будет равна разности потенциалов источника: U = Ur + Uxc+ Uxl.
Частота электрического тока выступает одним из параметров качества электроэнергии и основной характеристикой режима энергосистемы. Количественно частота в энергосети равна количеству периодов в секунду. Изменение частоты в сети влияет на функционирование и, соответственно, производительность работы потребителей. Также свое влияние оказывает отклонение частоты на работу всей энергосистемы.
Нормируемые требования к показателям
В РФ требования к качеству работы энергосистемы стандартизированы.
В соответствии с ГОСТ 13109-97 частота в энергосистеме должна непрерывно поддерживаться на уровне f = 50 ± 0,2 Гц, при этом допускается кратковременное отклонение частоты до значения ∆f = 0,4 Гц.
Анализируя зависимость силы тока от частоты, можно сделать вывод, что если подключаемая нагрузка имеет чисто активный характер (к примеру, резистор), то в широком диапазоне сила тока от частоты иметь зависимость не будет. В случае достаточно высоких частот, когда индуктивность и ёмкость подключаемой нагрузки будут характеризоваться сопротивлением, сравнимым с активным, то сила тока будет иметь определенную зависимость от частоты.
Другими словами, при варьировании частоты тока происходит изменение ёмкостного сопротивления, изменение которого, в свою очередь, приводит к изменению тока, протекающего по цепи.
То есть при повышении частоты, снижается ёмкостное сопротивление, и повышается ток, протекающий по цепи.
Математическое выражение зависимости будет иметь следующий вид: I = UCω;
Зависимость при учете активного сопротивления будет определяться следующим выражением: I (ω) = UCω √(R2 • C2 • ω2 + 1).
Влияние частоты тока на электроприборы
Далее рассмотрим влияние частоты электрического тока. Увеличение частоты до сравнительно невысоких величин (1 — 10 тыс. Гц), обычно является следствием исключительно повышения номинальной мощности электроаппаратуры, поскольку таким образом возрастает проводимость газовых промежутков. Для измерения частоты в системе используют частотомеры.
Паровая турбина разрабатываются и создаются таким образом, чтобы при номинальной скорости вращения (частоте) обеспечивалась максимальная выходная мощность на валу. При этом уменьшение номинальной частоты является следствием возникновения потерь на удар пара о лопатки с единовременным повышением момента вращения, а повышение частоты — к снижению момента вращения.
Таким образом, наиболее экономичный режим работы достигается при оптимальной частоте.
Помимо этого, работа на пониженных частотах приводит к ускоренному износу рабочих лопаток и прочих частей и механизмов. Снижение частоты оказывает влияние на расход на собственные нужды станций.
Экономия энергии и точное управление системами являются основными причинами применения преобразователей частоты в системах отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха HVAC (Отопление, Вентиляция и Кондиционирование). Экономия энергии важна, так как небольшое уменьшение оборотов вентилятора или центробежного насоса имеет очень большое влияние на потребление им энергии.
КПД вентиляторов или насосов вместе с преобразователем частоты остается высоким на пониженных оборотах. КПД двигателя, однако, падает, поскольку двигатель становится недозагруженным. Изготовители преобразователей частоты предприняли попытки улучшить КПД двигателей на малых оборотах, используя ряд конструктивных решений. К сожалению, большинство из этих решений требует кропотливой ручной регулировки и все еще не может оптимизировать КПД двигателя во всех условиях.
Преобразователь частоты VLT HVAC Drive имеет уникальную функцию управления, называемую автоматической оптимизацией энергопотребления AEO (Automatic Energy Optimization). Благодаря этой функции преобразователь частоты автоматически увеличивает КПД двигателя до максимума в любых условиях работы.
Ниже рассматривается причина уменьшенного КПД двигателя при малых нагрузках и способ, которым функция AEO противодействует этой естественной тенденции. Рассматриваются также применение и ограничения данной функции.
Работа двигателя
В асинхронных электродвигателях переменного тока крутящий момент на валу двигателя создается магнитным полем внутри двигателя. Напряженность этого магнитного поля и возникающий в результате крутящий момент меняются вместе с требованием по нагрузке на двигателе. Более высокая нагрузка требует более высокого крутящего момента, что означает, что двигатель потребляет больше тока из линии питания. Хотя обороты двигателя остаются относительно постоянными, потребляемый ток может меняться существенно.
Если полный крутящий момент двигателя не требуется, то не требуется и полное магнитное поле. Ток, который создает чрезмерное магнитное поле, не дает положительного эффекта и генерирует реактивный ток, который тратит энергию и создает тепловое напряжение. Избыточный ток даже более очевиден на малом крутящем моменте, когда реактивный ток растет по сравнению с действительной составляющей тока. Это основная причина, почему малонагруженные двигатели демонстрируют низкий КПД, что и будет обсуждаться ниже более подробно.
Чтобы ограничить ток через двигатель, ограничивается подаваемое на двигатель напряжение. Хотя это и кажется простым, в действительности это не так. Слишком уменьшенное напряжение приводит к чрезмерному скольжению ротора двигателя, которое в свою очередь приводит к большому потреблению тока. Тепло, создаваемое этим током, может серьезно повредить двигатель. Поскольку слишком сильное неконтролируемое снижение напряжения может повредить двигатель, большинство изготовителей преобразователей частоты избегают уменьшения напряжения двигателя до оптимального уровня.
Зависимость напряжения от частоты
Для двигателей с нагрузками с постоянным крутящим моментом ток намагничивания двигателя должен оставаться постоянным во всем диапазоне управляемых преобразователем частоты оборотов. Поскольку индуктивное сопротивление (XL) обмоток статора двигателя пропорционально прилагаемой частоте, (XL = 2πfL), для поддержания постоянного тока двигателя требуется прямая зависимость между прилагаемым напряжением и частотой. Это прямая зависимость «напряжения от частоты» (U/F), является одним из способов управления двигателем при помощи преобразователя частоты.
Это относится к преобразователям частоты, которые рассчитаны на нагрузки при постоянном крутящем моменте, такие как конвейеры, лебедки и подобные промышленные установки. Постоянное значение В/Гц показано на Рисунке 1.
Когда преобразователь частоты с постоянной характеристикой U/f применяется при нагрузке с переменным крутящим моментом, полный ток намагничивания на малых оборотах больше, чем требуется самой нагрузкой. Это перенамагничивание, как было упомянуто, создает в двигателе избыточное тепло.
Решение заключается в определении, какое напряжение требуется двигателю для правильной работы. Поскольку для этого требуются специальные функции, некоторые изготовители преобразователей частоты просто игнорируют этот вопрос и их преобразователи частоты производят только постоянную характеристику U/f во всем диапазоне оборотов. Хотя такой подход не максимизирует КПД двигателя, он позволяет избежать перенамагничивания двигателя и образования чрезмерного скольжения ротора двигателя.
Поскольку нагрузки, требующие переменного крутящего момента, представляют собой совершенно другое, модель фиксированной характеристики U/f не будет работать для всех нагрузок. Когда производится попытка улучшить КПД двигателя, реальная настройка профиля U/f часто предоставляется конечному пользователю. При этом методе (представленном на Рисунке 2) от пользователя требуется определить промежуточную точку U/f в профиле преобразователя частоты. Для этого требуется большое количество экспериментов и оценок во всем диапазоне оборотов и нагрузки системы. Кроме того, если характеристики системы меняются, требуется повторить весь этот процесс настройки. Очевидно, что это не самое практичное решение.
Некоторые изготовители преобразователей частоты предлагают пользователю выбор из ряда предварительно заданных переменных профилей U/f. Хотя это и упрощает процедуру, все еще требуется вручную прогнать двигатель через весь диапазон оборотов и определить самый низкий профиль В/Гц, который будет воспринимать нагрузку без чрезмерного скольжения ротора двигателя или нагрева двигателя.
Характеристики нагрузки установки могут измениться из-за сезонных изменений или модернизации системы HVAC здания. В этом случае повторно должен быть осуществлен процесс ручной настройки. Из-за необходимости такой работы большинство пользователей просто выбирают высокий профиль U/f, зная, что это позволит справляться с нагрузкой. Это приводит к растрате дорогой энергии.
Функция автоматической оптимизации потребления энергии «Automatic Energy Optimization»
Лучшим решением для настройки напряжения в соответствии с кривой частоты/мощности стала бы ее автоматизация. Это именно то, что делает преобразователь частоты VLT HVAC Drive. Он использует уникальный процесс автоматической оптимизации энергопотребления «Automatic Energy Optimization», который без вмешательства пользователя автоматически гарантирует, что соотношение напряжения и частоты всегда оптимально для конкретной нагрузки двигателя.
Чтобы автоматически обеспечить правильное напряжение при любой рабочей частоте и нагрузке, преобразователь частоты непрерывно контролирует двигатель и реагирует на изменения. Уникальный процесс управленияVVC+ преобразователя частоты VLT HVAC Drive является основной частью. Ток контролируется таким образом, чтобы в любой момент можно было узнать показатели как активного тока (который меняется от нагрузки), так и реактивного тока (который намагничивает статор двигателя).
В результате, преобразователь частоты автоматически поддерживает максимальный КПД двигателя во всех условиях. Во время начального разгона подается до 110% выходного напряжения, чтобы обеспечить дополнительный крутящий момент на преодоление инерции нагрузки. Это также обеспечивает мягкий старт и плавное наращивание характеристик регулируемых преобразователей частоты, предназначенных для использования в системах HVAC. После того, как двигатель набирает заданные обороты, преобразователь частоты VLT HVAC Drive автоматически определяет уровень постоянной нагрузки и уменьшает выходное напряжение для максимизации КПД двигателя. Если нагрузка меняется, например, когда резко открывается клапан в системе накачки, частотный преобразователь определяет изменение нагрузки и немедленно увеличивает выходное напряжение, чтобы поддерживать управление двигателем.
Кроме того, функция Автоматической адаптации двигателя «Automatic Motor Adaptation (AMA)» преобразователя частоты VLT HVAC, которая точно определяет критические параметры двигателя, позволяет частотному преобразователю рассчитывать показатели тока, чтобы определить количество тока намагничивания, необходимого для конкретной нагрузки. В результате получаются исключительные характеристики двигателя при низкой нагрузке, в области, в которой большинство преобразователей частоты практически неэффективны. Преобразователь частотыVLT HVAC Drive может реально понизить реактивную часть тока двигателя. Этот компонент, часто составляющий 25% тока двигателя и больше при малой нагрузке, обычно игнорируется другими изготовителями преобразователей частоты.
Функция автоматической оптимизации энергопотребления «Automatic energy optimization (AEO)» позволяет преобразователю частоты VLT HVAC Drive управлять напряжением в широком диапазоне, чтобы настраивать выход частотного преобразователя на конкретную нагрузку. Диапазон напряжений, в котором работает функция AEO, представлен на Рисунке 3. Как видно, функция AEO позволяет преобразователю частоты в целях экономии энергии уменьшать напряжение на двигателе практически на 50%. Переменная характеристика U/f экономит еще 5% энергии в типовых установках HVAC.
Преимущества функции AEO
Основное преимущество применения функции автоматической оптимизации энергопотребления проявляется при нагрузках при переменном крутящем моменте. Поскольку обороты двигателя падают, нагрузка на двигатель существенно снижается. Если на двигатель подается постоянно соотношение U/f, это отрицательно влияет на КПД двигателя. Определить, насколько можно снизить напряжение на двигателе до того, как начнут снижаться характеристики двигателя, вручную довольно затруднительно. Функция AEO рассчитывает это автоматически и непрерывно. Если меняется профиль нагрузки, функция AEO реагирует на это изменение и настраивает напряжение, подаваемое на двигатель.
Рисунок 3. Рабочий диапазон функции AEO и экономия при использовании данной функции.
Даже без изменения оборотов функция AEO все еще экономит энергию. Чтобы обеспечить запас надежности функционирования и застраховать от проектных ошибок, большинство двигателей для систем HVAC имеют больший размер, чем требуется для работы с конкретной нагрузкой.
В результате, даже на полных оборотах, в условиях полного потока двигатель работает при неполной нагрузке. Без уменьшения напряжения, обеспечиваемого функцией AEO, двигатель работает неэффективно. С частотным преобразователем VLT HVAC Drive обычно следует отметить выходное напряжение с преобразователя частоты, которое меньше номинального значения, указанного на табличке с названием и номинальными данными двигателя, даже когда преобразователь частоты выдает полную частоту. Это скорее получаемая от функции AEO экономия, компенсирующая использование переразмеренного под конкретное применение двигателя, чем индикация неправильного состояния.
От применения функции AEO выигрывают также установки с переменными оборотами и постоянным объемом. Примером таких установок служит система вентилятора для чистой комнаты. В этом случае целью преобразователя частоты является поддержание постоянного потока воздуха, даже когда микрофильтр воздуха становится грязным. По мере того, как фильтр засоряется, частотный преобразователь автоматически увеличивает обороты вентилятора. ФункцияAEO гарантирует, что на валу двигателя всегда имеется достаточный крутящий момент, при этом поддерживается максимальный КПД двигателя.
Хотя максимизация КПД двигателя является основной целью функции AEO, имеются также и другие выгоды от ее применения. Тепловыделение в двигателе, основная причина отказа двигателей, сокращается. За счет уменьшения тепловых нагрузок в двигателе увеличивается срок службы двигателя. Уменьшенное выделение тепла в двигателе уменьшает также тепловую нагрузку от двигателя на окружающие элементы здания. В случаях установки больших двигателей в зонах с контролируемой температурой дополнительная экономия на затратах на охлаждение может быть существенной.
Уменьшенный ток также имеет дополнительную выгоду. Это отражается в снижении потерь энергии в преобразователе частоты и во всех других компонентах, подающих ток в двигатель, таких как трансформаторы или реакторы в линиях.
Работа нескольких двигателей
В установках, где имеется несколько работающих двигателей, но только один из них в каждый момент времени контролируется преобразователем частоты, таких как чередующиеся насосы, функция AEO будет максимизировать КПД того двигателя, который в данный момент работает. Метод динамического управления функции AEO автоматически реагирует на включенный двигатель и подает ток в соответствии с нагрузкой двигателя.
Поскольку функция AEO подстраивает выходное напряжение преобразователя частоты на конкретные требования конкретного двигателя, она не может работать надежно в установках с несколькими одновременно работающими двигателями. Если два или более двигателя одновременно подключаются к выходу регулируемого преобразователя частоты, функция AEO может только обеспечить выходное напряжение, которое корректно для среднего значения двигателей. В результате подаваемое на двигатели напряжение может оказаться слишком высоким для одного из двигателей и слишком низким для другого. Из-за проблем с возможным недонамагничиванием двигателя, этого следует избегать. Когда несколько двигателей одновременно управляются одним частотным преобразователем частоты, VLT HVAC Drive настраивается на предварительно запрограммированную кривую В/Гц для переменного крутящего момента.
Выводы
Двигатели в системах HVAC редко нагружаются полностью. Это связано с тем, что двигатели для конкретной установки обычно переразмерены, и потому, что нагрузка двигателя резко падает, когда уменьшается расход. Обычно на малых оборотах КПД двигателя небольшой.
Для улучшения КПД двигателя некоторые преобразователи частоты требуют наличия оператора системы, который регулирует выходные характеристики В/Гц. Эти ручные методы как обременительны, так и неточны. В результате, они используются редко. Кроме того, если изменяются требования к системе, оператор вынужден повторять настройки.
Уникальный алгоритм VVC+ частотного преобразователя VLT HVAC Drive детально контролирует потребности двигателя в токе. За счет этого регулируемый преобразователь частоты определяет нагрузку на двигатель, а функция автоматической оптимизации энергопотребления гарантирует, что двигатель в течение всего времени получает идеальное напряжение. Все это выполняется автоматически без необходимости вмешательства пользователя.
