Честотни инвертори за енергийно ефективно подаване на свеж въздух
„Честотен инвертор“, известен още като „Честотен регулатор“, е електронно устройство, което контролира скоростта и въртящия момент на електрически променливотоков двигател чрез промяна на напрежението и честотата на неговото захранване. Той позволява прецизно регулиране на скоростта на двигателя, което го прави идеален за приложения като контрол на скоростта на вентилатора, където въздушният поток трябва да се регулира ефективно. Използването на честотен инвертор не само подобрява производителността, но и намалява консумацията на енергия и износването на механичните компоненти. По-специално, комбинацията от честотен контролер с ОВиК сензори предлага много възможности за повишаване на енергийната ефективност на вентилационна система чрез прилагане на вентилация с управление по заявка. При вентилация с управление по заявка скоростта на вентилатора се оптимизира непрекъснато, за да има винаги достатъчно свеж въздух. Веднага щом HVAC сензорите покажат, че качеството на въздуха намалява, скоростта на вентилатора ще се увеличи, за да се осигури повече свеж въздух. Когато качеството на въздуха е достатъчно добро, скоростта на вентилатора ще се намали отново. По този начин вентилационната система може да пести енергия, като същевременно непрекъснато осигурява достатъчно свеж въздух.
Преди да обсъдим подробно честотния регулатор, е необходима известна информация за електродвигателя. Електродвигателят е машина, която преобразува електрическата енергия в движение (наричано още кинетична енергия). Двигателят основно преобразува електрическата енергия във въртеливо движение на вала на двигателя. Валът на двигателя е частта от електродвигателя, която се върти, когато двигателят работи. Можете да го представите като оста на колело - това е частта, която предава въртящата сила на двигателя към това, което той задвижва, като например лопатка на вентилатор или помпа.
Скоростта на двигателя може да се регулира с помощта на регулатор на скоростта. Броят на различните видове двигатели е безброй, но грубо можем да различим променливотокови двигатели и електронни двигатели. Електродвигателите винаги имат вграден регулатор на скоростта, но за променливотокови двигатели може да се осигури външен регулатор на скоростта. Има няколко вида регулатори на скоростта: трансформаторни регулатори, TRIAC контролери и честотни инвертори. Всеки тип използва различна технология за контрол на скоростта на двигателя. Всеки тип има своите предимства и недостатъци. Тъй като честотен регулатор се използва за управление на променливотоков двигател, първо малко допълнителна информация за това.
AC двигател: електрически токове и магнетизъм
Електродвигателите работят на базата на взаимодействието между магнетизма и електрическите токове. В допълнение към електрическата енергия, е необходим и магнетизъм. Синхронните променливотокови двигатели използват постоянни магнити, докато асинхронните променливотокови двигатели генерират свои собствени магнитни полета, използвайки индукция (също взаимодействие между магнетизма и електричеството).
В статора – частта от двигателя, която не се движи – е монтирана бобина. Когато през тази бобина протича променлив ток, се генерира магнитно поле. Тъй като токът е променлив, полярността на магнитното поле постоянно се променя. Изглежда сякаш това магнитно поле непрекъснато се върти в кръг. Това се случва със същата скорост като честотата на променливото напрежение.
Роторът – въртящата се част на двигателя – следва това променящо се магнитно поле. Роторът на синхронните двигатели се състои от постоянни магнити. Роторът на асинхронните двигатели има дизайн с катериче-клетка – прилича малко на метално колело с дебели пръти, минаващи по дължината му, свързани в двата края с пръстени – нещо като колело на хамстер, направено от метал. Когато този ротор с катериче-клетка се постави в движещо се магнитно поле, се индуцира електрически ток, който от своя страна създава магнитно поле.
Всички тези магнитни полета и електрически токове генерират топлина (енергия, която се губи в топлина). Следователно топлината е най-големият враг на здравия променливотоков двигател. В случай на прегряване съществува риск от повреда поради вътрешно късо съединение. Следователно, навременното откриване на прегряване е много важно за променливотоков двигател. Някои версии са оборудвани с температурни сензори вътре в двигателя (TK или PTC). Те могат да бъдат отчетени от някои контролери на скоростта, за да спрат двигателя навреме в случай на прегряване и да предотвратят повреда на двигателя.
За да изберете правилния тип честотен преобразувател за конкретен двигател, е необходимо да знаете следните данни:
• Захранващо напрежение - Електричеството, необходимо за работа на променливотоковия двигател, се нарича захранващо напрежение. То се изразява във [VAC]. Може да се доставя в еднофазен или трифазен режим. Следните опции са налични чрез обществената електрическа мрежа: 1-фазен 230 VAC / 3-фазен 230 VAC / 3-фазен 400 VAC.
• Консумиран ток - Количеството енергия, което се консумира от двигателя. Количеството електрически ток, използван от двигателя, се изразява в ампери или [A]. Количеството консумиран ток се увеличава с увеличаване на скоростта на двигателя или с увеличаване на натоварването (например по-големи лопатки на вентилатора). Максималният консумиран ток обикновено е посочен на техническия етикет на двигателя.
• Мощност на двигателя - Комбинацията от подаваното напрежение, (максималния) консумиран ток и ефективността на двигателя се нарича мощност на двигателя. Тя се изразява във ватове или киловати. Това обикновено е посочено и на техническия етикет на двигателя.
Освен тази важна информация, обикновено има допълнителна информация на техническия етикет на двигателя. Скоростта на въртене на вала на двигателя се изразява в обороти в минута [rpm]. Въртящият момент или силата, която валът на двигателя може да достави, се изразява в нютонметри [Nm]. В практически пример: тракторът има двигател с ниска скорост, но висок въртящ момент. Ето защо тракторът се движи бавно, но може да тегли огромни товари през полето.
Болид от Формула 1 има двигател с много висока скорост (много обороти в минута), но по-нисък въртящ момент от трактор. Това е идеално, тъй като състезателният автомобил е много лек и следователно изисква относително малко сила.
Различни видове регулатори на скоростта
Както вече бе споменато, има няколко вида регулатори на скоростта. Всеки тип използва различна технология със съответните предимства и недостатъци. Честотният инвертор обаче се откроява, защото е по-усъвършенстван. Простите регулатори на скоростта само намаляват напрежението на двигателя. Честотният инвертор обаче прави много повече...
Трансформаторните регулатори и TRIAC контролерите намаляват скоростта на двигателя, като намаляват напрежението, подавано към него. По-ниското напрежение на двигателя води до по-ниска скорост. Трансформаторните регулатори намаляват напрежението на стъпки (обикновено 5 стъпки). Електронните регулатори на скоростта предлагат променливо управление на скоростта. Голямото предимство и на двата вида регулатори на скоростта е тяхната простота при окабеляване и пускане в експлоатация. След като двигателят е свързан, контролерът може да се използва веднага. Не е необходима конфигурация.
Честотният инвертор също регулира скоростта на двигателя непрекъснато (точно както TRIAC контролера). Регулирането му обаче е по-сложно от това на TRIAC контролер (повече за това скоро). Това по-усъвършенствано регулиране изисква допълнителна конфигурация. След свързването, някои настройки обикновено трябва да бъдат коригирани в честотния инвертор, преди да може да се използва. Благодарение на допълнителните входове и изходи на устройството, могат да се добавят много допълнителни логически функции и характеристики.
Честотен инвертор срещу TRIAC контролер
И така, как се различава честотният инвертор от TRIAC контролера? Честотният инвертор не само променя напрежението на двигателя, но и честотата! TRIAC контролерът отрязва сегменти от подаваното напрежение, но не променя честотата – тя остава 50 Hz. Това води до по-нисък въртящ момент (по-малка сила). Двигателят все още се опитва да работи с максимална скорост, защото честотата е все още максимална. Честотата създава въртящото се магнитно поле, отговорно за скоростта на двигателя. Намаляването на напрежението на двигателя без промяна на честотата създава риск двигателят да спре. Когато намалите напрежението към двигателя, без да променяте честотата, той отслабва, защото произвежда по-малко въртящ момент – силата, която го държи да се върти. Ако въртящият момент спадне твърде много, двигателят може да не е в състояние да преодолее съпротивлението от товара, подобно на лопатките на вентилатор, и може да спре или да спре да се върти. Ето защо простото намаляване на напрежението (както правят TRIAC контролерите) може да бъде рисковано, особено при ниски скорости, в сравнение с честотните инвертори, които регулират едновременно напрежението и честотата, за да поддържат двигателя да работи гладко.
Честотният инвертор поддържа съотношението между напрежение и честота постоянно (U/f = константа). Това гарантира, че двигателят винаги получава оптимизирано напрежение (по-малка консумация на енергия!). Благодарение на това перфектно съотношение, двигателят винаги е оптимално управляван. Това също така прави честотния инвертор значително по-енергийно ефективен от TRIAC контролер или трансформаторен регулатор на скоростта на вентилатора, особено при по-ниски скорости.
Когато напрежението на двигателя се намали, честотата също се намалява. Това кара двигателя да се върти по-бавно, като същевременно поддържа почти пълния си въртящ момент. Когато скоростта на двигателя се контролира от честотен инвертор, двигателят остава мощен дори при по-ниски скорости. Рискът от спиране при ниски скорости е значително по-нисък тук.
Поради неперфектно синусоидалното напрежение на двигателя, изпращано към двигателя от TRIAC контролерите, двигателят може да бъде шумен, особено при по-ниски скорости. Честотният инвертор създава почти перфектно синусоидално напрежение благодарение на PWM технологията, която позволява както на инвертора, така и на двигателя да работят напълно безшумно. Ако нивата на шум все още са твърде силни със стандартните настройки, те могат да бъдат допълнително намалени чрез увеличаване на максималната честота на превключване в настройките на параметрите на честотния инвертор (параметър 17). Въпреки това, повишената честота на превключване може да причини по-бързо износване на лагерите на двигателя, както и допълнителна електромагнитна съвместимост.
Как работи честотен инвертор?
От техническа гледна точка, честотните инвертори могат да бъдат разделени на три функционални блока:
1. Токоизправител – Това е мястото, където подаваното променливо напрежение (еднофазно или трифазно променливо) се преобразува в постоянен ток (DC).
2. DC шина – Този модул действа като резервоар на енергия. DC шината може да се разглежда като голяма вътрешна батерия в честотния инвертор.
3. Инверторно каскад – Тук постоянното напрежение се преобразува обратно в променливо напрежение (еднофазно или трифазно). Технологията, използвана за това преобразуване, е ШИМ или импулсно-широчинна модулация. IGBT (биполярни транзистори с изолиран гейт) позволяват на тока да тече моментно в бърза последователност (можете да ги мислите като ключове за осветление, които се включват и изключват изключително бързо). Комбинацията от всички тези кратки импулси произвежда почти перфектно синусоидално напрежение. IGBT са много по-бързи от TRIAC и могат да превключват много по-високи токове. Те обаче са и по-скъпи от TRIAC.
Голямата разлика между честотен инвертор и трансформаторен контролер, както и TRIAC контролер, е фактът, че честотният инвертор първо преобразува подаваната енергия в постоянно напрежение и след това я преобразува обратно в променливо напрежение. TRIAC и трансформаторните контролери само намаляват подаваното променливо напрежение.
Електромагнитна съвместимост или EМC
EMC е съкращение от електромагнитна съвместимост. Всеки честотен инвертор използва ВСЕП (високоскоростни електронни превключватели) за регулиране на скоростта на двигателя. Въпреки че тези превключватели са високоефективни, те също така генерират електрически шум – известен още като електромагнитни смущения (ЕМ)– който може да се върне обратно в електрическата мрежа на сградата. TRIAC контролерите и трансформаторните контролери произвеждат много по-малко EM от честотния контролер, защото превключват с много по-бавна скорост. Ето защо EMC филтърът играе ключова роля за поддържане на стабилност на електрическата среда на вашата сграда, когато в сградата са инсталирани честотни инвертори.
EM смущенията не причиняват физически шум, който можете да чуете, но могат да нарушат работата на други чувствителни електронни устройства в сградата. Системи като пожароизвестители, управление на осветлението, комуникационни мрежи и офис оборудване могат да бъдат засегнати от това невидимо смущение. Тук се намесва EMC филтърът. EMC филтърът действа като защитна бариера, филтрирайки електрическия шум, генериран от инвертора, и предотвратявайки разпространението му през захранването. По същество EMC филтърът гарантира, че инверторът работи, без да смущава друго оборудване в сградата. Инсталирането на EMC филтър не е просто добра идея – често е и изискване. В търговски, промишлени или многофункционални сгради, разпоредбите обикновено налагат използването на EMC филтри, когато се инсталират честотни инвертори. Това помага да се гарантира спазването на стандартите за електрическа безопасност, като същевременно се поддържа надеждността на всички останали електронни системи в съоръжението.
Продуктова гама от честотни инвертори
Sentera е дистрибутор на честотните контролери Invertek за ОВК приложения. Серията Optidrive E3 е известна със своята лекота на използване, отлично качество и стандартни настройки, които вече са оптимизирани за ОВК приложения. Това опростява въвеждането в експлоатация и конфигурирането. Всички устройства са оборудвани с вграден EMC филтър категория C1 съгласно EN61800-3:2004. Нашата продуктова гама от честотни инвертори се състои от три варианта:
1. Честотни инвертори -E2 за монтаж в електрически шкаф с клемни планки за свързване на външни управляващи сигнали. Тези честотни инвертори са оборудвани със стандартен работен панел (5 бутона и 7-сегментен LED дисплей).
Външни команди за старт/стоп и сигнали за зададена скорост 0-10 волта могат да бъдат свързани чрез клемния блок. Честотният инвертор използва тези външни управляващи сигнали, за да знае как да управлява двигателя. Корпусът на устройствата -E2 предлага степен на защита IP20 срещу проникване на влага и прах. Силно препоръчваме тези устройства да се монтират в електрически шкаф с достатъчна вентилация и охлаждане, за да се гарантира добро разсейване на топлината.
2. Честотни инвертори -E6-19 за външен монтаж с клемни планки за свързване на външни управляващи сигнали. Тези честотни инвертори са оборудвани със стандартен работен панел (5 бутона и 7-сегментен LED дисплей). Външни команди за старт/стоп и сигнали за референтна скорост 0-10 волта могат да бъдат свързани чрез клемния блок.
Честотният инвертор използва тези външни управляващи сигнали, за да знае как да управлява двигателя.
Корпусът на устройствата -E6-19 предлага степен на защита IP66 срещу проникване на вода и замърсявания. Благодарение на този здрав корпус, те могат лесно да се монтират на открито близо до двигателя. Те са прахоустойчиви и готови за работа с вода благодарение на запечатания ABS корпус и устойчивия на корозия радиатор. Здравият поликарбонатен пластмасов корпус е проектиран да издържа на разрушаване от ултравиолетови (UV) лъчи, мазнини, масла и киселини. Също така е достатъчно здрав, за да не е крехък при -20°C. Препоръчително е устройството да се предпазва от пряк дъжд и слънчева светлина.
3. Честотни инвертори -E6-19 за външен монтаж с вградени бутони за управление. Тези честотни инвертори са оборудвани с вграден потенциометър за регулиране на скоростта, 3-позиционен превключвател за команда „Работа назад – ИЗКЛ. – Работа напред“ и заключващ се прекъсвач за изключване от електрическата мрежа.
Корпусът на устройствата -E6-19 предлага степен на защита IP66 срещу проникване на вода и замърсявания. Благодарение на този здрав корпус, те могат лесно да се монтират на открито близо до двигателя. Те са прахоустойчиви и готови за работа с вода благодарение на запечатания ABS корпус и устойчивия на корозия радиатор. Здравият поликарбонатен пластмасов корпус е проектиран да издържа на разрушаване от ултравиолетови (UV) лъчи, мазнини, масла и киселини. Също така е достатъчно здрав, за да не е крехък при -20°C. Препоръчително е устройството да се предпазва от пряк дъжд и слънчева светлина.
Как да изберете правилния честотен инвертор за вашето приложение?
След като е направен горният избор, трябва да се направи и избор въз основа на техническата страна на двигателя. За да изберете правилното устройство за вашето приложение, ще ви е необходима следната информация:
• Какво е наличното захранващо напрежение на обекта?
Типичните налични захранващи напрежения са: 1-фазно 230 волта захранване, 3-фазно 230 волта захранване или 3-фазно 400 волта захранване. Това е напрежението, което ще се подава към честотния инвертор.
• Какво напрежение изисква двигателят? (Тази информация може да се намери на техническия етикет на двигателя.)
AC двигателите обикновено се предлагат в следните напрежения: 1-фазно 230 VAC, 3-фазно 230 VAC или 3-фазно 400 VAC. Това е напрежението, което честотният инвертор ще подава към AC двигателя (независимо от захранващото напрежение на честотния инвертор).
• Какъв е токът на двигателя? Тази информация е посочена и на техническия етикет на двигателя и е изразена в [A].
Токът, който честотният инвертор може да достави, трябва да бъде по-висок от тока на двигателя. В случай че няколко двигателя се управляват с един честотен инвертор, комбинираната сума на всички токове на двигателя (плюс известен марж) трябва да бъде по-ниска от максималния ток на честотния инвертор. Обикновено показанията за ток [A] и мощност [kW] на двигателя и честотния инвертор съвпадат. В случай на съмнение е препоръчително да изберете тип честотен инвертор, който може да достави по-голям ток от максималния ток на двигателя.