Какие частотные преобразователи используют на судах

Обновлено: 24.04.2024

Инвертор - это устройство, преобразующее постоянный ток в переменный с регулируемым напряжением и частотой.

Частотный преобразователь - это устройство, которое изменяет частоту и напряжение переменного тока для регулирования скорости и крутящего момента асинхронного двигателя, который приводит в движение машину.

В зависимости от типа управления некоторые приводы могут запускать несколько двигателей одновременно. Тем не менее, на рынке автоматизации преобразователи частоты обычно называют инверторами, поэтому в этой статье мы будем использовать эти названия как синонимы.

Частотный преобразователь - незаменимый элемент привода машины, которая должна работать с точно определенными параметрами. При выборе привода для конкретного применения стоит знать типы, доступные на рынке.

Какие типы инверторов бывают?

1. Инвертор для трехфазного двигателя

Среди преобразователей частоты для трехфазных двигателей бывают однофазные и трехфазные преобразователи.

Что такое однофазный инвертор?

Однофазный инвертор питается от одной фазы 230 В переменного тока, а выход имеет 3 фазы с межфазным напряжением 230 В. Он используется в приложениях с небольшими двигателями мощностью до 2,2 кВт с номинальным напряжением 230 В.

Что такое 3-фазный инвертор?

Трехфазный инвертор питается от трех фаз 3 × 400 В переменного тока. Выход инвертора также имеет три фазы с межфазным напряжением 400 В.

Преобразователи частоты для трехфазных двигателей могут работать в более крупных приложениях, они могут работать в диапазоне выходной мощности, обычно от 0,7 кВт до даже 500 кВт. Они более распространены на рынке, чем однофазные инверторы, и поэтому обладают рядом функций.

К трехфазным инверторам для трехфазных двигателей чаще всего относятся: скалярное / векторное управление и ПИД-регулятор. Они имеют порт связи RS-485 с поддержкой протокола Modbus RTU, аналоговые и дискретные входы и выходы, светодиодную панель управления, фильтр ЭМС, вход безопасности STO и автоматическое регулирование напряжения AVR.

2. Инвертор для однофазного двигателя

Инверторы для однофазных двигателей обычно питаются от одной фазы. Используется для питания однофазных асинхронных двигателей, то есть с одной основной обмоткой, одной вспомогательной обмоткой и фазосдвигающим конденсатором. Они используются в таких устройствах, как насосы и вентиляторы мощностью до 1,1 кВт - они не рекомендуются для использования в сложных условиях.

Преобразователи для однофазных двигателей имеют на выходе одну фазу, а для трехфазных двигателей - три фазы. В автоматизации гораздо чаще используются преобразователи для трехфазных двигателей.

3. Скалярный инвертор

Что такое скалярный инвертор?

Инвертор с скалярным управлением (с алгоритмом U / f) используется в простых приложениях, где не требуется точное регулирование скорости и нет «тяжелого пуска», т. е. нагрузка с самого начала не имеет высокой инерции.

Его работа основана на поддержании постоянного отношения U / f, то есть частоты и эффективного напряжения, питающего двигатель. Он в основном используется в таких устройствах, как вентиляторы и насосы.

Скалярное управление может использоваться в приложениях с несколькими двигателями, то есть приложениях, где несколько двигателей подключены к одному приводу.

4. Векторный инвертор

Что такое векторный инвертор?

Инверторы с векторным управлением делятся на бессенсорные и управляемые с обратной связью. При бессенсорном управлении скорость вращения рассчитывается на основе математической модели электродвигателя без использования дополнительного датчика.

В случае преобразователей с обратной связью управление основано на измерении текущего значения скорости, измеряемого инкрементным энкодером, установленным на валу двигателя. Энкодер - датчик угла поворота .

Преобразователь с векторным управлением может поддерживать постоянное значение крутящего момента двигателя во всем диапазоне регулирования скорости, начиная с частоты питания 0,5 Гц. В этом случае привод может одновременно управлять только одним двигателем. Он отдельно регулирует крутящий момент и магнитный поток обмотки, благодаря чему возможна такая высокая эффективность работы.

Важно отметить, что любой привод с векторным управлением может работать в скалярном режиме, и это обычно режим управления по умолчанию.

Преобразователь, работающий в векторном режиме, требует точного ввода параметров двигателя и выполнения автоконфигурации. В результате инвертор будет измерять другие электрические параметры, которые не указаны на паспортной табличке двигателя, что позволит поддерживать постоянный крутящий момент.

Приводная техника давно и прочно заняла важное место в судостроении. Преобразователи частоты оптимизируют работу электродвигателей от топа мачты до гребного винта. Оборудование морского применения безотказно работает в сложных климатических условиях и при высоких нагрузках. Сегодня компания «Данфосс» предлагает полный ассортимент частотных приводов для судов и морских добывающих платформ. Модули, компоненты и функции эффективно адаптируются для любого применения. Среди технических решений — валогенераторы и гибридные пропульсивные установки, преобразователи DC/DC, системы берегового электропитания, фильтры для устранения гармонических искажений сети и бесперебойное электроснабжение.

Гибридные системы

Для поддержания необходимого энергобаланса на судах используют несколько источников питания. С развитием технологий частотного регулирования конструкторы предложили трансформировать традиционные системы с ДВС для повышения энергоэффективности. Гибкое и простое решение задачи — создание гибридной установки.

Гибридизация производства энергии оптимизирует работу основной судовой энергоустановки. Главные двигатели и генераторы интегрируются с аккумуляторами и другими накопителями энергии. Одновременно решаются задачи по гибридизации любого установленного на судне электрооборудования.

Управление энергосистемой осуществляется с помощью функционала приводов постоянного и переменного тока. Преобразователи частоты VLT® и VACON одинаково эффективны при выработке гибридной энергии с помощью генераторов и при использовании гибридных нагрузок при работе кранов, лебедок, движительных установок.

Гибридизация увеличивает значение малых дизельных генераторов. Их можно использовать при маневрировании и на холостом ходу, в стояночном режиме. В это время главные двигатели целесообразно отключить, потому что вырабатываемая энергия не используется в полном объеме. Когда выключен главный двигатель, аккумуляторы и суперконденсаторы также используются для создания тяги при движении на небольшие расстояния.

Пропульсивная установка

Перспективной технологией является применение на судах гибридной пропульсивной установки для осуществления движения и энергоснабжения всех потребителей. Основным узлом в системе является валогенератор на основе преобразователя частоты переменного тока VACON. Привод с функциями отбора мощности (PTO) и приема мощности (PTI) располагается между винтом и главным двигателем и обеспечивает оптимальный контроль силовой установки на разных скоростях. Конструкция базируется на стандартном блоке инвертора в качестве выпрямителя и сетевого преобразователя, плюс трансформатор.

В режиме вспомогательного двигателя питание осуществляется от основных генераторов: при сохранении постоянного шага винта максимальная экономия топлива доходит до 30%. После выхода на номинальные показатели работы валогенератор переводится в генераторный режим: вырабатываемая мощность передается в общую электрическую сеть. Это снижает нагрузку на основные генераторы или позволяет отключить один из них. Наличие в системе бортового питания сетевого преобразователя позволяет получать энергию во время стоянки в порту из местных электросетей.

Увеличивается применение частотного привода VACON в системах валогенераторов модульной концепции. Это обеспечивает индивидуальное решение под конкретные технические параметры. Например, на судне MS Goblin применение гибридных систем на базе NXP Liquid Cooled уменьшило потребление топлива на 12,5%. Затраты на техобслуживание главных двигателей составили всего треть от норматива за счет сокращения нагрузки.

На судне MS Nadorias расход топлива снизился на 15%, а шум от генераторов составил 42 дБ вместо 60 дБ, что обеспечивает комфортную среду для экипажа. При этом сокращение выбросов оксидов углерода и азота соответствует самым жестким нормативам по воздействию на окружающую среду.

Такие решения актуальны для нового строительства, а также при ремонте и модернизации судов. Как правило, срок окупаемости такой системы — до трех лет. Экономия топлива, электроэнергии, увеличение срока службы судового оборудования гарантирует судовладельцам высокий уровень рентабельности.

Широкие возможности привода

Частотное регулирование позволяет подстроить работу любого электродвигателя с оптимальной на данный момент нагрузкой. Компания Dutch Thruster Group на своих судах заменила традиционное решение с электродвигателями фиксированной скорости и гребным винтом с регулируемым шагом и системы гидравлического привода на регулирование скорости с помощью преобразователей частоты VLT®. Новшество снизило потребление энергии на 20%.

В винто-рулевых колонках, которые выпускает Rolls-Royce Marine, частотно-регулируемые приводы VLT® служат для изменения скорости и направления вращения. Преобразователь частоты обеспечивает точную аналоговую систему управления, плавный пуск и останов рулевого механизма.

Тысячи контейнеров-рефрижераторов Maersk Container Industry оборудованы системами управления переменной скоростью холодильных компрессоров на базе решений Danfoss Drives. Технология на 15% сокращает потребление электроэнергии в отличие от традиционных систем. Скоропортящиеся продукты попадают с континента на континент в идеальном состоянии и при конкурентной цене.

Дизель-электрические силовые установки кораблей Viking River Cruises построены на основе синхронных и асинхронных генераторов и силовых двигателей. Управление осуществляется преобразователями частоты серии NXP Common DC Bus. Решение реализовано уже на 52 речных круизных судах. Технология сетевых преобразователей привела к значительному снижению расхода топлива и выбросов в атмосферу. Точное позиционирование улучшает маневренность судов. За счет снижения шума и вибрации обеспечен высокий уровень комфорта для путешественников.

На датской верфи FAYARD A/S в 2010-2013 гг. на смену дизель-генераторам пришли три портативные системы берегового питания на основе преобразователей частоты VACON NXC. При сроке окупаемости менее 2 месяцев береговые системы электроснабжения являются очень выгодными инвестициями. На сегодняшний день здесь уже более 25 крупных приводов VACON обеспечивают оптимизацию потребления энергии и производительности оборудования.

Регулируя работу основного и вспомогательного оборудования, преобразователь частоты, всего на 20% уменьшив количество оборотов электропривода, сокращает потребление электроэнергии до 50%. В частности, энергоэффективные решения незаменимы в насосных применениях — системах охлаждения забортной водой, системах пожаротушения, насосах балластной воды и в смазочных системах.

Компания Dampskibsselskabet NORDEN A/S модернизировала системы охлаждения забортной водой на двух десятках судов: танкерах и рудовозах. Преобразователи частоты VLT® регулируют расход в соответствии с фактической потребностью. Среднее потребление энергии насосной установкой сократилось с 75 кВт до 14 кВт. Только в одной отдельной системе ежегодная экономия составила 366 тыс. кВт·ч.

Функционал преобразователя частоты координирует такие параметры как скорость и усилие при совместной работе нескольких двигателей, когда они приводят в движение одну судовую лебедку или кран. В системах кондиционирования и вентиляции машинного отделения и служебных помещениях, в каютах команды и в пассажирской зоне также управление оборудованием осуществляет приводная техника.

В разных решениях применяются такие функции, как производство чистой энергии для судовой сети, преобразование постоянного тока в постоянный, обеспечение оптимальной зарядки аккумуляторов, срезание пиковой мощности.

В продуктовой линейке Danfoss Drives для морского применения чаще всего применяются VLT® серий Automation Drive FC 302, VLT HVAC Drive FC102, VLT AQUA Drive FC202. А также приводы VACON® — 100 INDUSTRIAL, 100 FLOW, NXP Air Cooled, NXP System Drive, NXP Liquid Cooled, NXC Low Harmonic, NXP Grid Converter. Оборудование аттестовано по 9 морским сертификатам, в том числе оно имеет Сертификат Российского морского регистра судоходства.

В данной статье мы рассмотрим что такое частотный преобразователь, сферы применения преобразователей частоты, их плюсы и минусы, а также схемы частотников.

Преобразователи частоты (или частотники) – электротехническое оборудование для регулирования частоты переменного напряжения. Основная сфера применения этих устройств – изменение частоты вращения и крутящего момента электрических машин асинхронного типа. Принцип действия управления и регулирования основан на зависимости скорости вращения магнитного поля от частоты питающего напряжения.

Асинхронные электродвигатели широко используются в качестве приводов промышленного оборудования, насосных агрегатов, регулирующей арматуры и других устройств. Основным недостатком этих электрических машин являются постоянная скорость вращения, большие пусковые токи. При помощи частотных преобразователей возможно устранить эти недостатки и существенно расширить сферу применения электродвигателей переменного тока.

Виды преобразователей частоты

Частотные преобразователи различаются по конструкции, принципу действия, способу управления. По конструктивному исполнению преобразователи частоты разделяют на две большие группы:

Электромашинные частотники.

Электромашинные или индукционные преобразователи частоты представляют собой двигатели переменного тока, включенные в режим генератора. Применяются такие электротехнические устройства относительного редко, в условиях, где затруднено или невозможно применение электронных частотных преобразователей.

Электронные преобразователи.

Полупроводниковые ЧП состоят из силовой части, выполненной на транзисторах или тиристорах, и схемы управления на базе микроконтроллеров. Это электротехническое оборудование пригодно для трехфазных и однофазных приводов любого назначения. Различают ЧП с непосредственной связью с питающей сетью и устройства с промежуточным звеном постоянного тока.

Непосредственные преобразователи частоты

Такие частотники построены на базе быстродействующих тиристорных преобразователей, включенных по мостовым, перекрестным, нулевым и встречно-параллельным схемам.

Устройства такого типа включаются непосредственно в питающую сеть.

Плюсы непосредственных преобразователей частоты:

Возможностью рекуперации электроэнергии в сеть при работе в режиме торможения двигателя. Непосредственное включение обеспечивает двусторонний обмен электричеством.
Высоким к.п.д. за счет однократного преобразования частоты.
Возможностью наращивания мощности за счет присоединения дополнительных преобразователей.
Широким диапазоном низких частот. Непосредственные преобразователи обеспечивают стабильную работу привода на малых скоростях.

Минусы непосредственных преобразователей частоты:

Аппроксимированная форма выходного напряжения с наличием постоянных составляющих и субгармоник. Такая форма переменного напряжения на выходе устройства вызывает дополнительный нагрев двигателя, снижает момент, создает помехи.
Частота напряжения на выходе преобразователя не превышает аналогичную характеристику сетевого напряжения. Таким образом, при помощи этих устройств можно только снижать скорость вращения двигателей.
Основная сфера непосредственных преобразователей – электроприводы на базе асинхронных и синхронных двигателей большой и средней мощности.

Преобразователи частоты с промежуточным звеном постоянного тока.

Частотные преобразователи этого типа выполнены на базе схемы двойного преобразования. Питающее сетевое напряжение преобразуется в постоянное, затем сглаживается и инвертируется в переменное выходное напряжение заданной частоты.

Плюсы преобразователей с промежуточным звеном постоянного тока:

Возможностью получения выходного напряжения с частотой как выше, так и ниже аналогичного параметра сети питания. Частотники на базе схемы двойного преобразования используют для высоко- средне- и низкоскоростных электроприводов.
Чистой синусоидальной формой напряжения на выходе. Схема преобразователя позволяет получать переменное напряжение с минимальным отклонением от синусоидальной формы.
Возможностью построения простых и сложных силовых и управляющих схем для приводов с различными требованиями к скорости реагирования, диапазону скоростей.
Возможностью адаптации к сетям постоянного тока. Преобразователи данного типа можно приспособить для питания от резервных и аварийных источников постоянного тока без дополнительных устройств. Это позволяет применять такие частотники в приводах ответственного оборудования с резервными источниками электроэнергии.
Разнообразием алгоритмов управления. Преобразователи со звеном постоянного тока можно запрограммировать и адаптировать практически ко всем электроприводам, в том числе и претенциозным, где требуется особо точное регулирование скорости и момента.

Минусы преобразователей с промежуточным звеном постоянного тока:

Относительно большую массу и габариты, что обусловлено наличием выпрямительного, фильтрующего и инверторного блоков.
Повышенные потери мощности. Схема двойного преобразования несколько уменьшает общий к.п.д.

Устройство преобразователей с промежуточным звеном постоянного тока

Состоят такие преобразователи из нескольких основных блоков:

Выпрямителя. Для ЧП используются диодные и тиристорные преобразователи постоянного тока. Первые отличаются высоким качеством постоянного напряжения практически с полным отсутствием пульсации, низкой стоимостью и надежностью. Однако диодные выпрямители не позволяют реализовать возможность рекуперации электроэнергии в сеть при торможении двигателя. Выпрямители на тиристорах обеспечивают возможность протекания тока в обоих направлениях и позволяют отключать преобразователь от сети без дополнительной коммутирующей аппаратуры.
Фильтра. Выходное напряжение тиристорных управляемых выпрямителей имеет значительную пульсацию. Для ее сглаживания используют реакторы, емкостные или индуктивно-емкостные фильтры.
Инвертора. В ЧП используют инверторы напряжения и тока. Последние обеспечивают рекуперацию электроэнергии в сеть и применяются для управления электрическими машинами с частым пуском, реверсом и остановкой, например, крановыми двигателями.
Частотники на базе инверторов напряжения выдают на выходе напряжение формы “чистый синус”. Благодаря этому преобразователи такого типа получили наиболее широкое распространение.
Микропроцессора. Этот блок осуществляет управление входным выпрямителем, прием и обработку сигналов с датчиков, взаимодействие с автоматизированной системой высшего уровня, запись и хранение информации о событиях, формирует выходное напряжения ЧП соответствующей частоты. А также выполняет функции защиты от перегрузок, обрыва фазы и других аварийных и ненормальных режимов работы.

Способы управления преобразователем

По принципу управления различают 2 основных вида частотных преобразователей:

ЧП со скалярным управлением

Частотники этого типа выдают на выходе напряжение определенной частоты и амплитуды для поддержания определенного магнитного потока в обмотках статора. Частотники с таким принципом регулирования отличаются относительно низкой стоимостью, простотой конструкции. Нижний предел регулировки скорости составляет около 10 % от номинальной частоты вращения. Их можно использовать для управления сразу несколькими двигателями. Скалярные ЧП используют для приводов насосных агрегатов, вентиляторов и других устройств и оборудования, где не требуется поддерживать скорость вращения ротора вне зависимости от нагрузки.

ЧП с векторным управлением

Микропроцессорные устройства преобразователей с векторным управлением автоматически вычисляют взаимодействие магнитных полей статора и ротора. ЧП такого типа обеспечивают постоянную частоту вращения ротора вне зависимости от нагрузки. Они используются для оборудования, где необходимо поддерживать необходимый момент силы при низких скоростях, высокое быстродействие и точность регулирования. Применение векторных ЧП позволяет регулировать частоту вращения, задавать требуемый момент на валу.

ЧП с векторным управлением делятся на преобразователи бездатчикового типа и устройства с обратной связью по скорости. Последние используются для приводов с широким диапазоном регулирования скорости до 1:1000, необходимости позиционирования точного положения вала, регулирования момента при низких скоростях, точного поддержания частоты вращения, пуска двигателя с номинальным моментом. Преобразователи без датчика скорости применяют для приводов с более низкими требованиями.

Режимы управления частотными преобразователями

В большинстве моделей современных частотных преобразователей реализована возможность управления в нескольких режимах:

1) Ручное управление.

Пуск и остановка электродвигателя осуществляются с панели или пульта управления частотника. При этом преобразователь осуществляет регулировку частоты вращения и остановку при возникновении аварийных ситуаций автоматически.

2) Внешнее управление.

ЧП с поддержкой интерфейсов передачи данных можно подключать к удаленному ПК для контроля текущих параметров и задания режимов работы привода.

3) Управление по дискретным входам или “сухим контактам”.

4) Управление по событиям.

Некоторые модели ЧП позволяют запрограммировать время пуска или остановки, работу двигателя в другом режиме. Преобразователи такого типа применяют для полностью или частично автоматизированного технологического оборудования.

Преимущества частотных преобразователей.

1) Экономия электроэнергии.

Применение ЧП позволяет снизить пусковые токи и регулировать потребляемую мощность двигателя в зависимости от фактической нагрузки.

2) Увеличение срока службы промышленного оборудования.

Плавный пуск и регулировка скорости вращения момента на валу позволяют увеличить межремонтный интервал и продлить срок эксплуатации электродвигателей.
Возможность отказаться от редукторов, дросселирующих задвижек, электромагнитных тормозов и другой регулирующей аппаратуры. снижающей надежность и увеличивающей энергопотребление оборудования.

3) Отсутствие необходимости проводить техническое обслуживание.

4) Возможность удаленного управления и контроля параметров оборудования с электроприводом.

Во многих частотниках реализована возможность подключения удаленных устройств телеметрии и телемеханики, они могут встраиваться в многоуровневые системы автоматизации.

5) Широкий диапазон мощности двигателей.

Частотные преобразователи устанавливают как на однофазные конденсаторные двигатели мощностью менее 1 кВт, так и на синхронные электромашины мощностью в десятки МВт.

6) Защита электродвигателя от аварий и аномальных режимов работы.

ЧП комплектуют защитой от перегрузок, коротких замыканий, пропадания фаз. Преобразователи также обеспечивают перезапуск при возобновлении подачи электроэнергии после ее отключения.
Возможность бесступенчатой точной регулировки частоты вращения без потерь мощности, что невозможно при использовании редукторов.

7) Снижение уровня шума работающего двигателя.

Возможность замены двигателей постоянного тока асинхронными электрическими машинами с частотными регуляторами. Для оборудования, требующего регулировки момента и скорости вращения, часто используются двигатели постоянного тока, скорость вращения которых пропорциональна поданному напряжению. Такие электрические машины стоят дороже асинхронных и требуют дорогостоящих промышленных выпрямителей. Замена двигателей постоянного тока на асинхронные электромашины с частотным управлением дает хороший экономический эффект.

Сферы применения

Частотно-регулируемые приводы применяют:

Для кранов и грузоподъемных машин . Крановые двигатели работают в режиме частых пусков, остановок, изменяющейся нагрузки. ЧП обеспечивают отсутствие рывков и раскачивания груза при пусках и остановках, остановку крана точно в требуемом месте, снижают нагрев электродвигателей и максимальный пусковой момент.
Для привода нагнетательных вентиляторов в котельных и дымососов. Общее управление с плавной регулировкой дутьевых и вытяжных вентиляторов позволяет автоматизировать процесс горения и обеспечить максимальный к.п.д . котельных агрегатов.
Для транспортеров, прокатных станов, конвейеров, лифтов. ЧП регулирует скорость перемещения транспортного оборудования без рывков и ударов, что увеличивает срок службы механических узлов. Для насосных агрегатов. ЧП позволяют обойтись без задвижек и вентилей, регулирующих давление и производительность, и существенно увеличить общий к.п.д системы водоподачи.
Для электродвигателей станков. Использование преобразователя частоты вместо коробки передач позволяет плавно увеличивать или уменьшать частоту вращения рабочего органа станка, осуществлять реверс. ЧП широко используются для станков с ЧПУ и высокоточного промышленного оборудования.

Внедрение частотно-регулируемых приводов дает значительный экономический эффект. Снижение затрат достигается за счет сокращения потребления электроэнергии, расходов на ремонт и ТО двигателей и оборудования, возможности использования более дешевых асинхронных электродвигателей с короткозамкнутым ротором, а также сокращения других производственных издержек. Средний срок окупаемости частотных преобразователей составляет от 3-х месяцев до трех лет.

Частотно-регулируемое управление двигателями на морских судах

Судостроение – наиболее сложная и наукоемкая отрасль промышленности, в которую вовлечено большое количество предприятий, производящих корпусные части, силовые установки, инженерные и навигационные системы и множество других компонентов. Безотказная работа каждого узла, каждой системы управления особенно важна в морских условиях. Современные технические разработки обеспечивают не только надежность, но и эффективную эксплуатацию судна. Именно этим критериям отвечает технология частотно-регулируемого управления двигателями. Данное решение применимо как при строительстве новых судов, так и модернизации действующих.

Проблемы систем управления

Обычно используемые на судне двигатели не имеют системы управления и напрямую подключаются к сети. Прямой пуск приводит к просадкам напряжения, требует дополнительных генераторов для запуска и значительно сокращает ресурс работы самих двигателей. Чаще всего оборудование проектируется на максимальную нагрузку, что приводит к избыточному потреблению энергии.

Большую часть данных проблем можно решить за счет применения частотно-регулируемого привода. Использование преобразователей частоты для управления двигателями на борту судна дает ряд преимуществ. Частотный регулятор снижает пусковые токи, что уменьшает просадки напряжения в системе, исключается необходимость иметь дополнительные генераторы запуска.

Преобразователи частоты за счет изменения скорости вращения двигателя уменьшают энергопотребление. Тем самым экономится большое количество электроэнергии и как следствие топлива. Можно выделить основные серии преобразователей частоты для морских применений - это VLT Automation Drive FC 302, VLT HVAC Drive FC102, VLT AQUA Drive FC202.

Основные требования к оборудованию

Для используемого на судах оборудования важными требованиями являются высокая надежность, безотказность и эффективность. Применяемые устройства должны стабильно работать в изолированных сетях питания, создаваемых генераторами корабля и быть устойчивыми к помехам. Судно постоянно испытывает воздействие волн и соленого тумана, поэтому оборудование должно быть виброустойчивым и противостоять воздействию соленой воды. Для работы в таких условиях преобразователь частоты должен иметь степень защиты корпуса до IP66 и специальное защитное покрытие плат. Преобразователи частоты VLT могут иметь «морское» исполнение – применяется специальный компаунд для надежного крепления основных компонентов в печатной плате, позволяющий приводу противостоять сильным вибрациям.

Нередко в машинном отделении температура достигает +50°С. Конструкция преобразователя частоты VLT и его система охлаждения спроектирована таким образом, что обеспечивает работоспособность привода в таких температурных средах. Для питания инженерных систем используются автономные генераторы, которые чаще всего выдают напряжение 690В. Широкая линейка мощностей для напряжения 380-690В – от 1,1 до 1400 кВт - обеспечивает преобразователям частоты «Данфосс» практически любое применение

Преобразователи частоты «Данфосс» получили восемь морских сертификатов от мировых классификаторов, среди которых «Российский реестр». Это свидетельствует о надежности и безотказности технологий.

Для судовладельцев также важно применение энергоэффективных решений, поскольку это напрямую влияет на стоимость эксплуатации. Частотно-регулируемое управление обеспечивает значительную экономию топлива и минимизирует затраты на эксплуатацию корабельного оборудования, позволяя тем самым быстрее окупать вложенные инвестиции.

Применения преобразователей частоты

Краны и лебедки

Использование преобразователей частоты для управления кранами и лебедками увеличивает их производительность и позволяет избежать перегрева в системах гидравлики. По сравнению с гидравлическими системами уменьшается шум при работе, сокращается риск утечек масла.

Для таких применений рекомендуется преобразователь частоты VLT Automation Drive. Функция «распределения суммарной нагрузки» (droop function) дает возможность двигателям поддерживать требуемый момент на валу лебедки даже при аварийном отключении одного из двигателей. При этом сами преобразователи частоты не имеют между собой связи, а контролируют момент и скорость на валу лебедки независимо друг от друга.

Данная функция незаменима не только для лебедок судовых кранов, но и якорных машин и других подъемных механизмов, а также для управления подруливающими двигателями и рулевыми механизмами.

Вентиляция

Преобразователи частоты эффективны в системах вентиляции машинного отделения, камбуза, системах охлаждения двигателей, грузовых трюмов, в холодильных системах судна. За счет управления производительностью в зависимости от нагрузки сокращается энергопотребление. Также снижается уровень шума. На случай пожара есть специальный режим, обеспечивающий продолжение работы вентиляторов. Для применения в системах вентиляции рекомендуется специализированная серия VLT HVAC Drive.

Насосы

На морском судне всегда присутствует большое количество насосов различного назначения: насосы воды балласта, насосы трюмной воды, циркуляционные насосы, насосы в системах пожаротушения, питательные и смазочные насосы, насосы морской воды.

Частотно-регулируемое управление насосами в соответствии с фактической потребностью приводит к существенной экономии электроэнергии. Снижение скорости всего на 20% уменьшает энергопотребление в два раза!

Для насосного применения рекомендуется специализированная серия VLT AQUA Drive. Широкий набор функций защищает насос и сопряженное оборудование от выхода из строя и продлевает срок службы. Среди функций такие как: защита от сухого хода и обнаружение утечек, защита обратного клапана и компенсация расхода и др.

Компания Dampskibsselskabet NORDEN A/S на 17 грузовых суднах модернизировала насосы для морской воды, установив частотно-регулирующие приводы VLT Danfoss. Регулирование мощности насосов в соответствии с фактической потребностью привело к значительному снижению энергопотребления. «Мы экономим около $30000 в год на каждом судне, где есть частотные преобразователи», - отметил Мартин Мелдгаард, управляющий танкерным флотом компании Dampskibsselskabet NORDEN A/S.

Рулевые механизмы

Регулированием скорости можно добиться высокой точности позиционирования руля за счет построения точной аналоговой системы управления. Привод VLT меняет скорость и направление движения насоса в системе с поворотным шибером и реверсивными гидравлическими насосами. Этот функционал преобразователя частоты использует компания Rolls-Royce при производстве редукторов поворота руля.

Подруливающие устройства

«Система управления приводами туннельных подруливающих установок гарантирует превосходное управление движением судна вдоль дока или вдоль рыболовной сети, и более эффективно расходует энергию по сравнению с альтернативами, использующими переменный шаг винта», - говорит Петер Ваагланд из компании MV Fugloyhav.

Кроме того, преобразователи частоты управляют компрессорами бортовых холодильников, что экономит порядка 20% электроэнергии. Таким образом, приводы VLT Danfoss обеспечивают лучшую цену улова на судах компании MV Fugloyhav.

Холодильные установки

Для оптимизации работы таких агрегатов как сепараторы и компрессоры холодильных установок на судах различного предназначения все чаще используют частотно-регулирующее управление.

В компании Maersk приводы VLT применяют для управления основным оборудованием на судах снабжения, добывающих платформах и нефтяных танкерах. Преобразователи частоты также управляют компрессорами холодильных установок с переменной скоростью, которыми оборудованы тысячи контейнеровозов компании, перевозящие скоропортящиеся продукты.

Преобразователи частоты Danfoss оценили и другие ведущие компании морской отрасли, среди которых компании MMC Kulde and MMC Tendos, Johnson Controls Marine, Alewijinse Marine Systems, AERON A/S, Ulstein Verft, ALLWEILER, SAACKE, Global Marine Engineering, Grundfos, ELGI Sauer, Dutch Thrustler Group.

Реальная экономия

Насосы для инженерных систем судов обычно проектируют на температуру +32°С и стопроцентную нагрузку. На практике оборудование не так часто работает в таких условиях, особенно суда, которые большую часть времени проводят в умеренных широтах.

Рассмотрим на примере насоса морской воды проектной мощностью 75 кВт, что меняется при внедрении частотно-регулируемого управления. После оптимизации система, управляемая при помощи преобразователя частоты Danfoss, имеет мощность 14 кВт. Энергопотребление в среднем уменьшается на 80%. При стоимости электроэнергии 0,1 евро годовая экономия составляет около 36 000 евро. Проект по внедрению преобразователя частоты окупается менее чем за год.

Борьба с гармоническими искажениями

Следует учитывать, что преобразователи частоты помимо упомянутых преимуществ имеют и некоторые недостатки. Они генерируют паразитные гармонические искажения в бортовую сеть судна. Если не контролировать этот процесс, гармоники могут негативно повлиять на рабочие и функциональные характеристики генераторов и другого оборудования.

Чтобы избежать данных проблем и улучшить работу слабых сетей, повысить их пропускную способность существует ряд решений. Это расширенные активные фильтры AAF , расширенные фильтры гармоник AHF 005/010, специальный привод с низким уровнем гармоник (Low Harmonic Drive), 12-импульсный привод VLT.

Для защиты изоляции двигателя и кабеля, снижения акустического шума и уменьшения нагрузки на подшипники могут понадобиться выходные фильтры. Применение синусных фильтров снижает нагрузку на изоляцию, уменьшает тепловые потери и подшипниковые токи, их можно использовать для больших длин кабеля - более 100 метров. Фильтры помех типа du/dt контролируют пиковые значения междуфазного напряжения на клеммах двигателя. Данный тип фильтров рекомендуется использовать при длинах менее 100 метров.

Перспективы внедрения частотно-регулируемого привода

Практика однозначно говорит о целесообразности применения преобразователей частоты в различных инженерных системах судов. Экономится электроэнергия, а значит и топливо, необходимое для ее производства. Приводы повышают надежность и производительность оборудования, уменьшают его износ, увеличивают срок службы.

Внедрение преобразователей частоты возможно не только при строительстве новых судов, но и в рамках модернизации плавсредств. Их применение позволяет судовладельцам экономить на эксплуатации судна и снижать сроки окупаемости. Для судостроителей использование частотно-регулирующих приводов делает их продукцию более конкурентоспособной и востребованной на мировом рынке.

В продуктовой линейке Danfoss Drives для морского применения чаще всего используются VLT Automation Drive FC 302, VLT HVAC Drive FC102, VLT AQUA Drive FC202, а с недавних пор к ним присоединились приводы марки VACON. Изменяя частоту вращения и подстраивая работу электродвигателя под необходимую в данный момент нагрузку, они сокращают энергопотребление и расход топлива. Увеличивается надежность и срок службы сопряженного оборудования, меньше ресурсов требуется на ремонт и техобслуживание. В итоге минимизируются затраты на эксплуатацию судна и повышается рентабельность.

В рулевом механизме в системе с поворотным шибером и реверсивными гидравлическими насосами привод VLT используется для изменения скорости и направления движения. В целях экономии устройство включается только при смене курса. Эта технология реализована компанией Rolls-Royce при производстве редукторов поворота руля для кораблей любых размеров.

Тысячи судов крупнейшего оператора A.P. Moller-Maersk Group оборудованы приводной техникой «Данфосс». К примеру, при транспортировке продуктов питания приводы управляют компрессорами холодильных установок, до 15% сокращая потребление электроэнергии в отличие от традиционных решений. Преобразователи частоты регулируют работу основного и вспомогательного оборудования на контейнеровозах, судах снабжения, нефтяных танкерах и добывающих платформах. Только за счет уменьшения оборотов электродвигателя на 20% потребление электроэнергии уменьшается до 50%.

Приводы эффективны в насосных применениях разных типов, таких, как насосы морской воды, шламовые и грузовые, питательные и смазочные, в системах пожаротушения. Постоянно меняющий расход воды в зависимости от потребности в данный момент, в частности, на одну установку в 75 кВт обеспечивает снижение среднего расхода энергии до 14 кВт, а годовая экономия составляет 366 тыс. кВт часов.

Частотные преобразователи способны координировать скорость, усилие и совместную работу нескольких двигателей, приводящих в движение одну лебёдку или кран. Системы вентиляции машинного отделения, кондиционирования воздуха в помещениях команды и в зонах размещения пассажиров – это тоже примеры того, где приводная техника дает дополнительные преимущества.

Автор статьи

Куприянов Денис Юрьевич

Юрист частного права

Страница автора

Читайте также: