Дымососные и дутьевые вентиляторы представляют собой обычные «улитки», но работают в значительно более динамичных условиях, чем простые вентиляторы для помещений. Задача дымососа – компенсировать тягу в дымовой трубе котельной, таким образом, чтобы соотношение топливо-воздух в топке котла было всегда оптимальным и стабильным. Тяга существенно зависит от погоды, ветра и температуры воздуха.
Дымососы устанавливаются на выходе из топки, таким образом, чтобы на них не действовала слишком высокая температура отработанных газов. Дутьевые насосы (воздуходувки) устанавливаются перед топкой, нагнетают воздух и работают в более легких условиях.
В принципе, можно еще раз повторить, это та же приточно-вытяжная вентиляция, но куда более динамичная, чем вентиляция помещений. Из-за сложной конфигурации труб и перепадов давлений здесь возможны и автоколебания, вплоть до срыва факелов в топках. По размерам труб (длине и сечению) резонансные частоты таких «органов» лежат в области инфразвука, а энергия, запасаемая в колебаниях газов, может достигать десятки кВт. Поэтому нет ничего удивительного в том, что нагрузка на двигатели вентиляторов меняется от 10% до 200% на практике. Конечно, в среднем, если проектировалось все верно, перебои в производительности котлов нечастое явление, но практика и проекты – это вещи разные.
Наибольший расход энергии на нужды продувки в котельных приходится на теплую сухую погоду, но в таком случае, от котельной и мощность требуется минимальная. Этим котельная выгодно отличается от ТЭЦ, где в любых условиях требуется высокая производительность котлов, для выработки электроэнергии, по какой причине ТЭЦ можно издалека увидеть по высоким трубам.
Традиционные способы управления
Давно устоявшиеся методы регулирования воздушного потока состоят в использовании вентиляторов, работающих на постоянной скорости (понятно, что приблизительно постоянной) и приводимых в действие асинхронными двигателями, с мощностью порядка 50-70 кВт. В какой-то мере, инерция колеса «улитки» помогает сгладить перепады давления. Производительность регулируется шиберами, приводимыми от сервоприводов.
Скорость реакции сервопривода на сигнал управления часто бывает недостаточной, и, при определенных условиях, контур входит в автоколебания, что вовсе не улучшает производительность. Персонал бывает вынужденным справляться с этим вручную, при помощи всяких искусственных приемов, вплоть до перехода на ручное управление. Заслонки устанавливаются перед топками и после них. Фактическое положение заслонок не всегда бывает известно оператору.
Для нормального горения при заданном расходе топлива достаточно знать расход воздуха через топку. Эту информацию можно получить, измеряя разность давлений дифференциальным манометром перед топкой. По диаметру диафрагмы в подводящей трубе (площади сечения) и соответствующих расчетов получают функцию расхода воздуха в кубометрах в секунду, или других единицах, от разности давлений (дифференциального давления).
По этому расходу определяется и расход топлива, жидкого или газообразного, таким образом, чтобы стехиометрическое соотношение реагентов (кислорода и горючего) было оптимальным – полное сгорание. В целях экологической чистоты должен быть небольшой избыток кислорода, чтобы в дымовых газах выходил, по возможности, чистый CO2. (Тем не менее, избыток кислорода приведет у ускоренному прогоранию стали котла и прочей дымовой арматуры.) Таким образом работают правильные в прямом смысле, без кавычек, котельные. Без черной магии с одним датчиком давления, установленным где попало и с непонятными параметрами обратной связи в контуре управления заслонками.
Даже в том случае, если система заслонок решает главную задачу – оптимальное горение во всем диапазоне производительности, она заведомо не оптимальна по отношению к вентиляторам. Нагрузка на вентиляторы не равномерна, и они либо бесполезно создают избыточное давление, работая на прикрытые заслонки, либо работают с недогрузкой, почти вхолостую. В первом случае высока вероятность выхода двигателей из строя, да и износ вентиляторов от этого не уменьшается, во втором случае двигатель также работает, потребляя лишнюю энергию.
Еще одна проблема – это токовые перегрузки при пуске дымососов и вентиляторов. Газ в вентиляторе может оказывать серьезное сопротивление раскрутке колеса и скольжение в момент пуска становится чрезмерно большим. Это способно повредить и вывести из строя обмотки и даже разрушить короткозамкнутые обмотки роторов, сделанные из алюминия. В любом случае, в любой котельной был бы очень выгоден постепенный режим разгона вентиляторов при пуске.
Применение частотных преобразователей
Частотные преобразователи – это последнее слово техники, делающее невозможное возможным. Они появились, в общем, не вчера – уже в 2000 году на отдельных российских предприятиях или «что-то слышали» о них, или даже эксплуатировали. Но цена была еще высокой. Сегодня цены на любую модель преобразователя частоты совершенно доступны любому предприятию.
Частотный преобразователь в котельной.
Частотные преобразователи включаются в разрыв питания электродвигателя. Их функция очень проста – они получают на входе напряжение 380 В с частотой 50 Гц, а на выходе формируют трехфазное напряжение с частотой, от которой зависит и частота вращения, от 0 до 200…400 Гц и напряжением от 0 до 400 В. При этом к.п.д. современного преобразователя частоты уже приближается к 99%. Таким образом, если двигатель имеет мощность 50 кВт, то сам преобразователь частоты потребляет всего около 500 Вт, столько, сколько системный блок компьютера. Большая часть этой энергии рассеивается в виде тепла на силовых ключах устройства. Примерно 5-10 Вт расходуется на питание цепей управления.
Таким образом, схема преобразователя частоты, почти ничего не потребляя, дает невиданные ранее возможности: свободно регулировать частоту вращения и крутящий момент асинхронных электродвигателей, в полном диапазоне возможностей двигателя. Так как преобразователи частоты управляются микропроцессорами, то их функциональные возможности практически безграничны.
При пуске двигателя от магнитных пускателей возникают пусковые токи, превышающие номинальные в 5-7 раз. Пусковой момент двигателя в начальный момент очень мал, так как почти вся энергия тока расходуется на намагничивание активной стали. Хотя это длится недолго, но вызывает определенные проблемы.
При пуске двигателей с помощью преобразователя частоты пусковой ток может быть сведен до минимума. Можно управлять разгоном, от нескольких оборотов в минуту до номинальной скорости, в течении очень длительного времени. На низких оборотах двигателя возможно обеспечить повышенный крутящий момент.
Важно понимать, как это происходит, чтобы не испортить двигатель. На низкой частоте индуктивное сопротивление двигателя становится малым, и уже при сравнительно небольшом напряжении через обмотки можно пропускать значительный ток. Этот ток создаст большой пусковой момент, порядка 200%.
При этом тепловой баланс двигателя не соблюдается, поэтому длится этот период перегрузки недолго, практически не более минуты. Дальше рост температуры обмоток выше допустимого. Специальная функция boost при правильных настройках обеспечит нужный пусковой момент без возникновения ошибки типа Current overload (перегрузка по току).
Алгоритм раскрутки двигателя, который применяет контроллер преобразователя частоты, состоит в том, что в соответствии с известными преобразователю данными о двигателе, преобразователь частоты начинает с подачи на двигатель небольшого напряжения при пониженной частоте, от 1…1,5 Гц. Достигнув тока ограничения, преобразователь удерживает его и продолжает разгон до заданной частоты. Задание частоты может определяться установленными значениями или регулятором. Поведение преобразователя частоты может быть очень разным, в зависимости от настроек.
Динамическое торможение преобразователем частоты
Асинхронные двигатели, работающие в режиме свободного выбега, могут тормозиться динамическими способами самим преобразователем: противовключением и торможением постоянным током. Первый метод состоит в смене фаз и возникновении противоположного крутящего момента.
При этом возникает ток торможения в обмотках двигателя, рассеивающий на них тепло. В него, собственно, и уходит энергия. Кроме того, тепло рассеивается и на силовых транзисторах инвертора. Все происходит, как при обычной работе двигателя, только «задом наперед».
При торможении постоянным током (второй способ), инверторный мост управляется таким образом (с помощью ШИМ), что к обмоткам двигателя оказывается подключено небольшое постоянное напряжение и статор подмагничивается. Это поле возбуждает переменный ток с частотой вращения в короткозамкнутой обмотке ротора и часть тепла рассеивается в нем. Остальная энергия трансформируется в обмотки статора и наводит в них значительное напряжение (с электрической точки зрения, асинхронный двигатель – это просто трансформатор с большим коэффициентом трансформации и замкнутой понижающей обмоткой).
Затем прикладывается к инверторному мосту и через шунтирующие диоды ключей заряжает конденсатор звена постоянного тока. Вот здесь звено постоянного тока преобразователя частоты должно быть зашунтировано внешним резистором, куда уйдет тормозной ток оставшейся части энергии. Резистор также управляется через отдельный силовой ключ, который преобразователь подключает только в режиме торможения.
В преобразователе это напряжение способно привести к пробою конденсаторов. Спасением в данном случае может быть только тормозной резистор, так как все цепи соединены непосредственно. На тормозном резисторе рассеивается оставшаяся часть тепла. Выбор тормозного резистора для преобразователя частоты должен быть таким, чтобы на нем рассеивалась как можно большая часть мощности торможения. В паспорте преобразователя частоты все это указано для каждого двигателя, так что рассчитывать ничего не придется.
Не следует переоценивать возможности динамического торможения! Его эффективность составляет примерно 10…20% от механических тормозов, словом, все как на железной дороге: динамическое торможение не заменяет рабочие тормоза, законы физики одинаковы везде. При торможении вся энергия преобразуется в тепло, а возможность рассеивать тепло у проводов обмоток в изоляции совсем другая, чем у массивных деталей, нагреваемых трением колодок и сухарей в механических тормоза.
Проблемы у потребителей возникают тогда, когда преобразователь жалуется на перегрузку по току. Его дальнейшее поведение может быть двояким: спасать самого себя и перестать тормозить или тормозить до выхода из строя самого преобразователя. Все зависит от приоритетов потребителя и настроек преобразователя частоты.
Электропривод в котельных
Сочетание управляемого частотного преобразователя, электродвигателя и вентилятора является самостоятельным агрегатом для котельной. Управление по частоте вращения идет от системы, регулирующей производительность котла.
Электропривод с частотником (справа) и без него.
Обычно система управления котлом управляет расходом воздуха и расходом топлива одновременно. Совсем нетрудно интегрировать в нее частотный преобразователь, имеющий для этого массу возможностей и совместимый со всеми типами датчиков. Частотники подойдут и для насосного агрегата.
При правильной настройке, правильном выборе электродвигателя и запаса по мощности, частотный преобразователь легко обеспечит:
- экономию энергии на дутьевую вентиляцию до 70%;
- динамическое регулирование потока в любом месте;
- компенсацию всех отклонений давления;
- плавный разгон и торможение;
- точное регулирование скорости вентилятора;
- согласованное управление вентиляторами для повышения тяги;
- полное решение проблемы больших пусковых токов;
- снижение шума и вибраций;
- повысит долговечность котельных механизмов;
- повысит долговечность воздушной и газовой арматуры;
- позволит отказаться от шиберов почти или полностью.
Поскольку в частотных преобразователях предусмотрен режим векторного управления, то они наилучшим образом подходят для сложных вентиляторных применений, к каким как раз котельные и относятся. Энергия экономится до предела, потому, что частотный преобразователь способен подстраивать режим вентилятора к условиям имеющегося потока и его требуемой величине. Кроме того, в какой-то степени происходит и рекуперация энергии при выбеге и торможении, хоть и небольшая ее доля, но все-таки, не пропадает даром.
Противники частотных преобразователей (а есть и такие на разных форумах в сети), считают, что они не могут справиться со всеми рабочими условиями. Это неверно, как раз те, кто это утверждает, не могут справиться с настройкой частотных преобразователей. Это, в общем-то, задача для инженеров, знающих свою технику, а не для перекладывателей бумажек с техническими дипломами. Тем более, что для многих это «дело новое», никаких методичек и инструкций, кроме заводских, на этот счет еще не наработано.
Наиболее частые проблемы, с которыми сталкиваются потребители:
- неправильный выбор преобразователя частоты или двигателя по мощности;
- ошибки с перегрузками по току;
- перенапряжение в звене постоянного тока;
- неправильные настройки разгона и торможения;
- неправильные настройки ПИД-регулятора;
- нарушение условий эксплуатации.
Все проблемы, кроме последней, вызваны динамикой механизмов, которыми потребители управляют. Так это проблемы самих потребителей. Ведь частотник именно для таких механизмов и приобретают: вентилятора или насосного агрегата, а не для механизмов с постоянной нагрузкой.
Если в оборудовании применяется штатный двигатель, условно говоря, мощностью в 1, то его надо заменять парой преобразователь-двигатель мощностью в 1,2, если это не какой-нибудь маленький сервопривод. Преобразователь следует выбирать мощностью, точно соответствующей мощности используемого двигателя, хотя допускается и использование других двигателей. Допускается. С массой проблем и настроек.
Чтобы избегать перегрузок преобразователей, необходимо хорошо знать динамику механизмов. В случае котельных вентиляторов надо хорошо представлять себе нагрузки на конкретный дымосос или дутьевой вентилятор, их пределы и скорости изменения. Преобразователь не может волшебным образом решить все вопросы за пользователя. Также следует учитывать порядок запуска и работы агрегатов, их взаимное влияние друг на друга.
Необходимо понимать, что разгон и торможение, особенно быстрые и в процессе регулирования, являются процессами экстремальными и здесь есть немало вариантов и стратегий для выгодной настройки регулятора частоты, режимов работы и функции U/f. Все зависит от местных условий, и пока преобразователи еще не совсем «интеллектуальны» чтобы самостоятельно адаптировать многие десятки своих параметров под простое задание от потребителя. Но это нисколько не снижает их ценности и их больших перспектив на будущее. Будущее за ними.
