Технология 87 Гц становится все более популярной и широко используется в приводных системах по всему миру, несмотря на то, что информации о применении данной технологии, равно как и доступного описания данного метода, в открытых источниках все еще достаточно мало. В этой статье мы хотели бы познакомить вас со способом увеличения мощности вашего асинхронного электродвигателя за счет расширения его рабочего диапазона и поддержания постоянного отношения напряжение/частота (U/f) выше его номинальной частоты. И хотя магия запрещена вне Хогвартса, сейчас мы все рассмотрим по порядку.
Представим следующую ситуацию: вы вводите в эксплуатацию новый насосный агрегат с частотно-регулируемым приводом (ЧРП), и после первоначального запуска вы понимаете, что фактическая производительность насоса заметно меньше ожидаемой. Часто производительность насоса напрямую зависит от частоты вращения привода, соответственно первой идеей будет увеличение скорости вращения электродвигателя. Но будет ли хорошо и безопасно увеличивать скорость электродвигателя выше его номинальных значений?
Для примера возьмем электродвигатель с номинальными параметрами 230В △ /400В Y, 50 Гц и напряжением сети в 400В. Если вы используете двигатель на скорости, превышающей номинальную скорость двигателя, преобразователь частоты (ПЧ) увеличит частоту, но не сможет выдавать напряжение выше имеющихся 400В сети. Это означает, что соотношение напряжение/частота 400В/50 Гц = 8 В/Гц больше не может поддерживаться, и двигатель переходит в режим ослабления поля. В то же время крутящий момент двигателя уменьшается обратно пропорционально скорости, а мощность остается постоянной. Напряжение питания сети и изоляция обмоток электродвигателя в данном случае являются основными ограничивающими факторами, превышение которых приведет к выходу электродвигателя из строя. Также двигатель, работающий на частоте выше номинальной, будет греться сильнее из-за повышенных потерь в металле.
Чем это может навредить нашему электродвигателю? Хотя он вращается быстрее, его силы может не хватить на противодействие крутящему моменту со стороны нагрузки. На примере с насосом – упадет «давление» или высота подъема.
Характеристика 87 Гц, так что же это? Это способ увеличить доступный крутящий момент и мощность вашего привода за счет расширения его рабочего диапазона и поддержания постоянного отношения U/f выше номинальной частоты.
Давайте еще раз вернемся к нашему электродвигателю c параметрами 230В △ /400В Y, 50 Гц. Мы имеем 2 возможности его подключения в зависимости от питающего напряжения сети:
• питание 400В при подключении по схеме «звезда» (звезда)
• или питание 230В при подключении треугольником, при этом номинальный ток существенно выше.
Обе конфигурации приведут к одинаковой потребляемой мощности двигателя из-за разницы в силе тока при разных подключениях и, соответственно, к одинаковому крутящему моменту.
В данном случае суть технологии 87 Гц состоит в подключении двигателя от ПЧ по схеме треугольник при питании 400В. Это означает, что все параметры двигателя должны быть умножены на √3. В то же время необходимо увеличить номинальную частоту в том же отношении, чтобы сохранить ток намагничивания постоянным и избежать поломки двигателя, вызванной большей потерей мощности в статоре. Вместо треугольника 230 В / 50 Гц теперь у нас есть треугольник 400 В / 87 Гц, таким образом, мы расширяем диапазон постоянного крутящего момента двигателя, поскольку мы можем эксплуатировать двигатель с постоянным отношением U/f до 400/87 Гц. В данной конфигурации также происходит увеличение мощности электродвигателя (в идеале в 1,73 раза (√3), но стоит учитывать и увеличение потерь).
Результат заключается в том, чтобы получить в 1,7 раза больше мощности от того же стандартного размера двигателя.
Привод переменного тока может работать с большим диапазоном регулирования скорости.
Можно использовать двигатель меньшей мощности в номинале. Более низкий момент инерции позволит нам более жестко контролировать динамику системы.
Следует отметить, что при использовании технологии 87 Гц преобразователь частоты должен быть подобран исходя из увеличенной мощности двигателя т.е. √3 x мощность двигателя в номинальных параметрах.
Возвращаясь к нашей истории про насос, с применением данной технологии, мы можем увеличить производительность насоса увеличением скорости вращения электродвигателя с сохранением крутящего момента на валу. И если сам насос и другие компоненты системы допускают работу при полученных частоте вращения и мощности электродвигателя, то проблема решена!
В электродвигателях Siemens в стандартном исполнении используется система изоляции обмоток DURIGNIT, позволяющая любому асинхронному электродвигателю серии SIMOTICS работать от преобразователя частоты с напряжением питания на обмотках до 480В. Соответственно электродвигатели Siemens могут работать с применением технологии 87 Гц. При необходимости электродвигатель может быть просчитан производителем на режим работы 87 Гц с указанием всех номинальных параметров на его шильде.
Также в серии мотор-редукторов SIMOGEAR, при конфигурации для работы от ПЧ в техническом паспорте, точка работы при 400В / 87 Гц дана как стандартная с предоставлением всех расчетных параметров системы в данной точке.
Серия электродвигателей Siemens SIMOTIC VSD типа 1FP1 стандартно разработана для эксплуатации с частотой 50 Гц, 60 Гц и 87 Гц. Почти все варианты двигателей линейки 1LE1 также можно использовать для данных режимов работы.
Двигатели SIMOTICS GP/SD VSD основаны на платформе серии двигателей SIMOTICS 1LE1. Ввиду этого конструкция принципиально такая же, как у двигателей линейки 1LE1 – механические части идентичны. Двигатели адаптированы для работы от преобразователя частоты за счет соответствующих размеров активной части и расчетных данных на паспортной табличке.
Кроме того, большое количество опций, доступных в электродвигателях SIMOTICS 1LE1 (типы конструкции, защита двигателя, положение клеммной коробки и др.) также доступны в линейке SIMOTICS VSD.
На графике 1 отражена зависимость крутящего момента от частоты вращения для электродвигателя 1FP1514-2BB0 производства Siemens.
На графике 2 отражена зависимость мощности от частоты вращения для электродвигателя 1FP1514-2BB0 производства Siemens.
Из данных графиков видно, что выше точки в 87 Гц (2610 об/мин) значения крутящего момента и, соответственно, мощности начинают снижаться.