Типова ситуація: на майданчику стоїть сонячна станція з гібридним інвертором і батареєю, є резервний генератор, і до цієї системи треба підключити компресор або насос із трифазним асинхронним двигуном. Світло, насос-автомат, ноутбуки інвертор тягне без проблем. А двигун на кілька кіловат на старті або «кладе» систему, або змушує тримати інвертор і генератор із запасом у кілька разів більшим, ніж робоче навантаження. Розберу, чому так виходить і що змінює частотний перетворювач.
Чому прямий пуск найважчий для автономного джерела
Асинхронний двигун при прямому підключенні до мережі споживає на старті струм, кратний номінальному. Конкретна кратність залежить від типу й розміру двигуна: у довідниках з підбору генераторів під пуск двигунів фігурує діапазон приблизно від чотирьох до дев’яти номінальних струмів, а як робоче наближення виробники генераторів беруть шестикратний пусковий струм. Поширене «6–8×» — практичний орієнтир, а не пункт стандарту. Тривалість — від десятих часток секунди до кількох секунд залежно від навантаження на валу.
Візьмемо типовий двигун 2,2 кВт 380 В — номінальний струм близько 5 А (точне значення дивіться на шильдику вашого двигуна). Прямий пуск дасть на старті порядку 30 А на фазу. Для мережі це дрібниця, для автономного джерела це удар, який воно має «проковтнути» за секунди.
Що насправді вміє гібридний інвертор
Візьмемо паспорт трифазного гібридного інвертора Deye серії SUN-5/6/8/10/12K-SG04LP3. У графі пікового режиму автономної роботи (off-grid) вказано двократну номінальну потужність на 10 секунд. Для моделі 5 кВт у паспорті стоїть номінальний вихідний струм фази 7,2 А і максимальний 8 А. Струму для пікового режиму окремим рядком немає: якщо перерахувати двократний пік по потужності, вийде близько 14–15 А на фазу, і то за коефіцієнта потужності, близького до одиниці. У двигуна в момент прямого пуску коефіцієнт потужності дуже низький, тож інвертор упреться у свою межу ще раніше. Але навіть ці оптимістичні 14–15 А — менш ніж половина від ~30 А, що потребує двигун 2,2 кВт на старті. Запасу для такого пуску в паспорті немає, і це не вада інвертора: він розрахований на споживачів, а не на пускові струми двигунів.
Другий потенційний обмежник: батарея. У тому ж паспорті максимальний струм розряду вказаний 120 / 150 / 190 / 210 / 240 А для моделей 5–12 кВт при напрузі батареї 40–60 В. Пуск двигуна дає різкий стрибок потужності, і низьковольтна батарея має віддати його струмом по постійному колу. Тому межа визначається не лише інвертором, а й батареєю.
І ще дві речі, які часто плутають:
- Вихід інвертора дає фіксовані 50 (або 60) Гц. Він не змінює частоту, тому не вміє розганяти двигун плавно: обмотки статора отримують повну напругу одразу, а пусковий струм визначається двигуном.
- Вхід GEN обмежує потужність, а не додає пік. Параметр потужності генераторного входу задає, скільки максимум дозволено брати з дизель-генератора. Піку від нього він не додає.
Однофазні гібридні моделі Deye (серія SG05LP1, у паспорті від 3,6 до 10 кВт) мають той самий двократний пік на 10 секунд. Головна відмінність в іншому: вихід у них однофазний, а це змінює вибір перетворювача (див. нижче).
Що змінює частотний перетворювач
Частотний перетворювач не «витримує» пусковий струм. Він його не допускає. Двигун стартує з близьких до нуля частоти й напруги, швидкість наростає за заданою рампою, а струм обмежується в паспортному діапазоні. Наприклад, за мануалом INVT GD20, перевантажувальна здатність: 150 % номінального струму протягом хвилини, 180 % на 10 секунд, 200 % на секунду; пусковий момент 150 % на 0,5 Гц у векторному режимі. Схожі цифри в інших виробників:
- Mitsubishi FR-D700: 150 % протягом 60 с, 200 % на 0,5 с;
- Mitsubishi FR-E800 (режим ND): 150 % на 60 с, 200 % на 3 с;
- Schneider Altivar ATV320 (важкий режим): 1,5 × In протягом 60 с.
Для нашого двигуна 2,2 кВт це означає, що струм в обмотках на старті не перевищить порядку 7–8 А замість 30 А, тобто приблизно вчетверо менше. Для інвертора й батареї виграш навіть більший: на початку розгону частота й напруга на двигуні низькі, тому потужність, яку перетворювач бере з виходу інвертора, помітно менша за номінальну потужність двигуна. Підібрати частотні перетворювачі під конкретний двигун можна за потужністю і струмом із шильдика.
І ще один наслідок, важливіший за саму цифру: з перетворювачем інвертор і батарея працюють уже не на пік, а на робочий струм двигуна. Тому межу «який двигун потягне моя система» треба рахувати по тривалому номіналу інвертора й допустимому струму розряду батареї, а не по пусковому піку. Конкретне число беріть з паспорта своєї моделі: воно відрізняється навіть у межах однієї серії.
Компресор і насос: різні навантаження
Насос має вентиляторну характеристику навантаження: за законами подібності напір і момент ростуть пропорційно квадрату обертів, а потужність — кубу. Різкий пуск дає стрибок тиску в трубопроводі, плавний розгін по рампі його прибирає. Тому для насоса важливі налаштована рампа розгону й гальмування, а не лише обмеження струму.
Компресор дає постійний момент навантаження. Більшість компресорів запускають без навантаження (випуск на атмосферу або перепуск на вхід), і це різко знижує потрібний пусковий момент. Якщо ваш компресор стартує під тиском, момент на старті доведеться перевірити окремо: для потужних поршневих компресорів потужність перетворювача часто визначає саме пусковий момент, а не номінал двигуна.
Підключення: три практичні питання
1. Яка фаза на виході інвертора? Трифазний Deye серії SG04LP3 видає 3L/N/PE 220/380 В, 230/400 В. Звичайний трифазний частотник 380 В підключається прямо. Однофазна модель вимагає перетворювача з однофазним входом. У INVT такі позначаються кодом S2: вхід 1 ф 220 В (−15 %)…240 В (+10 %), вихід трифазний, напругою не вище вхідної; у серії GD20 це виконання доступне до 2,2 кВт. У Schneider однофазний вхід має Altivar 320 у виконанні M2: у паспорті виробника вказано одну фазу живлення 200…240 В, діапазон до 2,2 кВт — це штатні однофазні моделі, дерейтинг для них не потрібен (у лінійці є й виконання Altivar 320 Solar). Дерейтинг стосується іншого випадку — коли трифазний привод живлять від однофазної мережі; умови описані в Quick Start Guide виробника. А ось Altivar 212 однофазного входу не підтримує взагалі: у FAQ Schneider вказано, що ATV212 працює тільки від трифазного живлення.
Важливий наслідок, який легко проґавити: перетворювач з однофазним входом 220 В віддає на двигун трифазні 220 В, а не 380 В. Тому двигун має бути або на 220 В, або переключений у «трикутник», а це можливо лише тоді, коли на шильдику стоїть 220/380 В (Δ/Y). Двигун, розрахований тільки на 380 В, від такого перетворювача повної потужності не дасть. Подивіться на шильдик до замовлення: саме цей рядок, а не потужність, визначає, який перетворювач вам потрібен.
Ще один підводний камінь: перетворювач з однофазним входом не допоможе, якщо сам двигун однофазний (з пусковим конденсатором). Він віддає на виході три фази, тож йому потрібен трифазний асинхронний двигун. Для однофазного двигуна цей шлях не підходить.
2. Куди підключати. Перетворювач живиться від змінної напруги виходу інвертора або генератора, так, як це описано в його власному мануалі. Спокуса «зрізати кут» і під’єднати батарею гібридного інвертора прямо до шини постійного струму перетворювача не працює вже за напругою: батарея Deye — це 40–60 В, тоді як шина постійного струму привода на 380 В тримає близько 540 В. Клеми шини постійного струму в привода є, але виробники описують їх для гальмівного блока й паралельного з’єднання приводів між собою. Живлення від батареї гібридного інвертора в мануалах не описане. Живіть привод від змінного виходу інвертора.
3. Який запас у генератора. Якщо двигун запускається від генератора через частотник, закладайте генератор приблизно на подвійну робочу потужність приводу (для шестиімпульсного випрямляча) або на 1,4, якщо це 12-імпульсна чи ШІМ-схема або стоїть вхідний фільтр, що обмежує спотворення струму нижче 10 %. Окремо стежте за спотворенням напруги: виробники генераторів радять утримувати сумарний коефіцієнт гармонік у межах приблизно 15 %, і чим більшу частку навантаження генератора становлять приводи, тим більший запас потужності потрібен.
З чого почати підбір
Стартова точка — паспортні дані двигуна: потужність, номінальний струм, фазність і напруга живлення (220/380 чи тільки 380). Далі — тип навантаження: насос чи компресор, і чи стартує компресор під тиском. Коли ці три цифри є, серія підбирається майже однозначно.
Для компактних приводів з однофазним входом підходять модифікації S2 у INVT серії GD20. У лінійці Schneider Electric Altivar є ATV212 для насосів і вентиляторів (тільки трифазне живлення) та ATV320 для задач із підвищеним моментом. Для насосів і компресорів малої потужності підійде Mitsubishi Electric FR-D700: однофазну версію 220 В у цій серії позначають FR-D720S.
Підсумок
Гібридний інвертор обмежений двома речами: паспортним піком (двократний на 10 секунд) і струмом розряду батареї. Прямий пуск двигуна ці межі з запасом перевищує, а вихід інвертора не вміє розганяти двигун по частоті. Частотний перетворювач знімає проблему в корені: розгін по рампі, струм у межах 150 % від номіналу, і інвертор та генератор підбираються під робочий режим, а не під пуск.
Чесно про межі: якщо двигун маленький відносно системи — скажімо, 0,75 кВт на інверторі 10–12 кВт, прямий пуск може пройти без жодного перетворювача, і платити за нього немає сенсу. Перетворювач стає обов’язковим там, де пусковий струм двигуна порівнянний з паспортним піком інвертора або перевищує його. Перед купівлею перевірте три речі: фазність виходу інвертора, шильдик двигуна і тип навантаження.
