Доставчиците на устройства за обратна връзка по енергия за честотни преобразуватели ви напомнят, че с прилагането на политики и енергичното популяризиране на технологията за честотно преобразуване, съчетано със силното популяризиране на търговците на честотни преобразуватели, някои промишлени предприятия подсъзнателно са отъждествили използването на честотни преобразуватели с пестене на енергия и електроенергия. Въпреки това, на практика, поради различни ситуации, много предприятия постепенно осъзнават, че не всички места, където се прилагат честотни преобразуватели, могат да пестят енергия и електричество. И така, какви са причините за тази ситуация и какви са погрешните схващания на хората за честотните преобразуватели?
Заблуда 1: Използването на честотен преобразувател може да спести електроенергия
В някои публикации се твърди, че честотните преобразуватели са енергоспестяващи продукти за управление, което създава впечатлението, че използването на честотни преобразуватели може да спести електроенергия.
Всъщност, причината, поради която честотните преобразуватели могат да пестят електроенергия, е, че те могат да регулират скоростта на електродвигателите. Ако честотните преобразуватели са енергоспестяващи продукти за управление, тогава цялото оборудване за управление на скоростта също може да се счита за енергоспестяващо оборудване за управление. Честотният преобразувател е само малко по-ефективен и има по-висок фактор на мощност от другите устройства за управление на скоростта.
Дали честотният преобразувател може да постигне икономия на енергия се определя от характеристиките на регулиране на скоростта на неговия товар. За товари като центробежни вентилатори и центробежни помпи, въртящият момент е пропорционален на квадрата на скоростта, а мощността е пропорционална на куба на скоростта. Докато се използва оригиналният вентил за управление на потока и той не работи с пълно натоварване, преминаването към работа с регулиране на скоростта може да постигне икономия на енергия. Когато скоростта падне до 80% от оригиналната, мощността е само 51,2% от оригиналната. Може да се види, че прилагането на честотни преобразуватели при такива товари има значителен ефект на пестене на енергия. За товари като Roots вентилатори, въртящият момент е независим от скоростта, т.е. натоварване с постоянен въртящ момент. Ако оригиналният метод с използване на вентилационен клапан за освобождаване на излишния обем въздух за регулиране на обема въздух се промени към работа с регулиране на скоростта, това също може да постигне икономия на енергия. Когато скоростта падне до 80% от първоначалната си стойност, мощността достига 80% от първоначалната си стойност. Енергоспестяващият ефект е много по-малък от този при приложенията в центробежни вентилатори и центробежни помпи. За товари с постоянна мощност мощността е независима от скоростта. Постоянно натоварване на мощността в циментов завод, като например везна с лентов дозатор, забавя скоростта на лентата, когато слоят материал е дебел при определени условия на потока; когато слоят материал е тънък, скоростта на лентата се увеличава. Приложението на честотни преобразуватели при такива натоварвания не може да спести електроенергия.
В сравнение със системите за управление на скоростта с постоянен ток, постояннотоковите двигатели имат по-висока ефективност и фактор на мощност от променливотоковите двигатели. Ефективността на цифровите постояннотокови регулатори на скоростта е сравнима с тази на честотните преобразуватели и дори малко по-висока от тази на честотните преобразуватели. Следователно, неправилно е да се твърди, че използването на променливотокови асинхронни двигатели и честотни преобразуватели спестява повече електроенергия, отколкото използването на постояннотокови двигатели и постояннотокови регулатори, както теоретично, така и практически.
Погрешно схващане 2: Изборът на капацитет на честотния преобразувател се основава на номиналната мощност на двигателя
В сравнение с електродвигателите, честотните преобразуватели са по-скъпи, така че е много важно разумно да се намали капацитетът им, като същевременно се осигури безопасна и надеждна работа.
Мощността на честотния преобразувател се отнася до мощността на 4-полюсния асинхронен двигател с променлив ток, за който е подходящ.
Поради различния брой полюси на двигателите с еднакъв капацитет, номиналният ток на двигателя варира. С увеличаването на броя на полюсите в двигателя, номиналният ток на двигателя също се увеличава. Изборът на капацитет на честотния преобразувател не може да се основава на номиналната мощност на двигателя. В същото време, за проекти за обновяване, които първоначално не са използвали честотни преобразуватели, изборът на капацитет на честотните преобразуватели не може да се основава на номиналния ток на двигателя. Това е така, защото изборът на капацитет на електрическите двигатели трябва да отчита фактори като натоварване, коефициент на излишък и спецификации на двигателя. Често излишъкът е голям и индустриалните двигатели работят с 50% до 60% от номиналния си товар. Ако капацитетът на честотния преобразувател се избере въз основа на номиналния ток на двигателя, остава твърде голям марж, което води до икономически загуби и в резултат на това надеждността не се подобрява.
За двигатели с катерица, изборът на капацитет на честотния преобразувател трябва да се основава на принципа, че номиналният ток на честотния преобразувател е по-голям или равен на 1,1 пъти максималния нормален работен ток на двигателя, което може да увеличи максимално икономиите на разходи. При условия като стартиране с голямо натоварване, висока температура, двигател с намотка, синхронен двигател и др., капацитетът на честотния преобразувател трябва да се увеличи съответно.
За конструкции, които използват честотни преобразуватели от самото начало, е разбираемо капацитетът на честотния преобразувател да се избере въз основа на номиналния ток на двигателя. Това е така, защото капацитетът на честотния преобразувател не може да бъде избран въз основа на реалните работни условия в този момент. Разбира се, за да се намалят инвестициите, в някои случаи капацитетът на честотния преобразувател може първоначално да е несигурен и след като оборудването работи известно време, той може да бъде избран въз основа на реалния ток.
В системата за вторично смилане на циментова мелница с диаметър 2,4 м × 13 м в определена циментова компания във Вътрешна Монголия има един местен високоефективен селектор на прах N-1500 O-Sepa, оборудван с електродвигател модел Y2-315M-4 с мощност 132 kW. Избран е обаче честотен преобразувател FRN160-P9S-4E, който е подходящ за 4-полюсни двигатели с мощност 160 kW. След пускане в експлоатация максималната работна честота е 48 Hz, а токът е само 180 A, което е по-малко от 70% от номиналния ток на двигателя. Самият двигател има значителен излишен капацитет. А спецификациите на честотния преобразувател са с едно ниво по-големи от тези на задвижващия двигател, което води до ненужни загуби и не подобрява надеждността.
The feeding system of the No. 3 limestone crusher at Anhui Chaohu Cement Plant adopts a 1500 × 12000 plate feeder, and the driving motor uses a Y225M-4 AC motor with a rated power of 45kW and a rated current of 84.6A. Before the frequency conversion speed regulation transformation, it was found through testing that when the plate feeder drives the motor normally, the average three-phase current is only 30A, which is only 35.5% of the rated current of the motor. In order to save investment, ACS601-0060-3 frequency converter was selected, which has a rated output current of 76A and is suitable for 4-pole motors with a power of 37kW, achieving good performance.
These two examples illustrate that for renovation projects that did not originally use frequency converters, selecting the capacity of the frequency converter based on actual operating conditions can significantly reduce investment.
Misconception 3: Using visual power to calculate reactive power compensation and energy-saving benefits
Calculate the energy-saving effect of reactive power compensation using apparent power. When the fan operates at full load at power frequency, the operating current of the motor is 289A. When using variable frequency speed regulation, the power factor at full load operation at 50Hz is about 0.99, and the current is 257A. This is because the internal filtering capacitor of the frequency converter improves the power factor. The energy-saving calculation is as follows: Δ S=UI=× 380 × (289-257)=21kVA
Therefore, it is believed that its energy-saving effect is about 11% of the single machine capacity.
Actual analysis: S represents the apparent power, which is the product of voltage and current. When the voltage is the same, the percentage of apparent power savings and the percentage of current savings are the same thing. In a circuit with reactance, apparent power only reflects the maximum allowable output capacity of the distribution system, and cannot reflect the actual power consumed by the motor. The actual power consumed by the electric motor can only be expressed as active power. In this example, although the actual current is used for calculation, the apparent power is calculated instead of the active power. We know that the actual power consumption of an electric motor is determined by the fan and its load. The increase in power factor did not change the load of the fan, nor did it improve the efficiency of the fan. The actual power consumption of the fan did not decrease. After the power factor was increased, the operating state of the motor did not change, the stator current of the motor did not decrease, and the active and reactive power consumed by the motor did not change. The reason for the increase in power factor is that the internal filtering capacitor of the frequency converter generates reactive power, which is supplied to the motor for consumption. As the power factor increases, the actual input current of the frequency converter decreases, thereby reducing the line loss between the power grid and the frequency converter and the copper loss of the transformer. At the same time, as the load current decreases, distribution equipment such as transformers, switches, contactors, and wires that supply power to the frequency converter can carry more loads. It should be pointed out that if we do not consider the savings of line loss and transformer copper loss as in this example, but consider the losses of the frequency converter, when the frequency converter operates at full load at 50Hz, it not only does not save energy, but also consumes electricity. Therefore, using apparent power to calculate energy-saving effects is incorrect.
The centrifugal fan driving motor model of a certain cement plant is Y280S-4, with a rated power of 75kW, rated voltage of 380V, and rated current of 140A. Before the frequency conversion speed regulation transformation, the valve was fully opened. Through testing, it was found that the motor current was 70A, with only 50% load, power factor of 0.49, active power of 22.6kW, and apparent power of 46.07kVA. After adopting variable frequency speed regulation, when the valve is fully opened and the rated speed is running, the average current of the three-phase power grid is 37A, thus it is considered that energy saving (70-37) ÷ 70 × 100%=44.28%. This calculation may seem reasonable, but in essence, it still calculates the energy-saving effect based on apparent power. After further testing, the factory found that the power factor was 0.94, the active power was 22.9 kW, and the apparent power was 24.4 kVA. It can be seen that an increase in active power not only does not save electricity, but also consumes electricity. The reason for the increase in active power is that the losses of the frequency converter were taken into account, without considering the savings of line losses and transformer copper losses. The key to this error lies in the failure to consider the impact of increasing power factor on current drop, and the default power factor remains unchanged, thus exaggerating the energy-saving effect of the frequency converter. Therefore, when calculating the energy-saving effect, active power must be used instead of apparent power.
Misconception 4: Contactors cannot be installed on the output side of the frequency converter
Almost all user manuals for frequency converters indicate that contactors cannot be installed on the output side of the frequency converter. As stated in the manual of Yaskawa frequency converter in Japan, "Do not connect electromagnetic switches or electromagnetic contactors in the output circuit".
The manufacturer's regulations are to prevent the contactor from operating when the frequency converter has output. When the frequency converter is connected to a load during operation, the overcurrent protection circuit will be activated due to leakage current. So, as long as necessary control interlocks are added between the output of the frequency converter and the action of the contactor to ensure that the contactor can only operate when the frequency converter has no output, a contactor can be installed on the output side of the frequency converter. This scheme is of great significance for situations where there is only one frequency converter and two motors (one motor in operation and one motor as backup). When the running motor malfunctions, the frequency converter can be easily switched to the backup motor, and after a delay, the frequency converter can be operated to automatically put the backup motor into frequency conversion operation. And it can also easily achieve mutual backup of two electric motors.
Misconception 5: The application of frequency converters in centrifugal fans can completely replace the regulating door of the fan
Using a frequency converter to regulate the speed of a centrifugal fan to control the air volume has a significant energy-saving effect compared to controlling the air volume through regulating valves. However, in some cases, the frequency converter cannot completely replace the valve of the fan, and special attention should be paid in the design. To illustrate this issue, let's start with its energy-saving principle. The air volume of a centrifugal fan is proportional to the power of its rotational speed, the air pressure is proportional to the square of its rotational speed, and the shaft power is proportional to the cube of its rotational speed.
Wind pressure air volume (H-Q) characteristics of the fan at constant speed; Curve (2) represents the wind resistance characteristics of the pipeline network (valve fully open). When the fan operates at point A, the output air volume is Q1. At this time, the shaft power N1 is proportional to the product area of Q1 and H1 (AH1OQ1). When the air volume decreases from Q1 to Q2, if the valve adjustment method is used, the resistance characteristics of the pipeline network will change to curve (3). The system operates from the original operating point A to the new operating point B, and the wind pressure increases instead. The shaft power N2 is proportional to the area (BH2OQ2), and N1 is not much different from N2. If the speed control method is adopted, the fan speed decreases from n1 to n2, and the wind pressure air volume (H-Q) characteristics are shown in curve (4). Under the same air volume Q2, the wind pressure H3 decreases significantly, and the power N3 (equivalent to the area CH3OQ2) decreases significantly, indicating a significant energy-saving effect.
From the above analysis, it can also be seen that adjusting the valve to control the air volume, as the air volume decreases, the air pressure actually increases; And using a frequency converter to control the air volume, as the air volume decreases, the air pressure drops significantly. If the wind pressure drops too much, it may not meet the process requirements. If the operating point is within the area enclosed by curve (1), curve (2), and the H-axis, relying solely on a frequency converter for speed regulation will not meet the process requirements. It needs to be combined with valve regulation to meet the process requirements. The frequency converter introduced by a certain factory, in the application of centrifugal fans, suffered a lot due to the lack of valve design and relying solely on frequency converter speed regulation to change the operating point of the fan. Either the speed is too high or the air volume is too large; If the speed is reduced, the wind pressure cannot meet the process requirements, and the air cannot be blown in. Therefore, when using a frequency converter for speed regulation and energy saving in centrifugal fans, it is necessary to consider both air volume and air pressure indicators, otherwise it will bring adverse consequences.
Misconception 6: General motors can only operate at a reduced speed using a frequency converter below their rated transmission speed
The classical theory holds that the upper limit of the frequency of a universal motor is 55Hz. This is because when the motor speed needs to be adjusted above the rated speed for operation, the stator frequency will increase above the rated frequency (50Hz). At this point, if the constant torque principle is still followed for control, the stator voltage will increase beyond the rated voltage. So, when the speed range is higher than the rated speed, the stator voltage must be kept constant at the rated voltage. At this point, as the speed/frequency increases, the magnetic flux will decrease, so the torque at the same stator current will decrease, the mechanical characteristics will become softer, and the overload capacity of the motor will be greatly reduced.
From this, it can be seen that the upper limit of the frequency of a universal motor is 55Hz, which is a prerequisite:
1. The stator voltage cannot exceed the rated voltage;
2. The motor is operating at rated power;
3. Constant torque load.
In the above situation, theory and experiments have proven that if the frequency exceeds 55Hz, the motor torque will decrease, mechanical characteristics will become softer, overload capacity will decrease, iron consumption will increase rapidly, and heating will be severe.
Generally speaking, the actual operating conditions of electric motors indicate that general-purpose motors can be accelerated through frequency converters. Can variable frequency speed be increased? How much can be raised? It is mainly determined by the load dragged by the electric motor. Firstly, it is necessary to determine what the load rate is? Secondly, it is necessary to understand the load characteristics and make calculations based on the specific situation of the load. A brief analysis is as follows:
1. In fact, for a 380V universal motor, it is possible to operate it for a long time when the stator voltage exceeds 10% of the rated voltage, without affecting the insulation and lifespan of the motor. The stator voltage increases, the torque significantly increases, the stator current decreases, and the winding temperature decreases.
2. The load rate of the electric motor is usually 50% to 60%
Generally, industrial motors operate at 50% to 60% of their rated power. By calculation, when the output power of the motor is 70% of the rated power and the stator voltage increases by 7%, the stator current decreases by 26.4%. At this time, even with constant torque control and using a frequency converter to increase the motor speed by 20%, the stator current not only does not increase but also decreases. Although the iron consumption of the motor increases sharply after increasing the frequency, the heat generated by it is negligible compared to the heat reduced by the decrease in stator current. Therefore, the temperature of the motor winding will also significantly decrease.
3. There are various load characteristics
The electric motor drive system serves the load, and different loads have different mechanical characteristics. Electric motors must meet the requirements of load mechanical characteristics after acceleration. According to calculations, the maximum allowable operating frequency (fmax) for constant torque loads at different load rates (k) is inversely proportional to the load rate, i.e. fmax=fe/k, where fe is the rated power frequency. For constant power loads, the maximum allowable operating frequency of general motors is mainly limited by the mechanical strength of the motor rotor and shaft. The author believes that it is generally advisable to limit it to within 100Hz.
Misconception 7: Neglecting the inherent characteristics of frequency converters
The debugging work of the frequency converter is usually completed by the distributor, and there will be no problems. The installation of a frequency converter is relatively simple and usually completed by the user. Some users do not carefully read the user manual of the frequency converter, do not strictly follow the technical requirements for construction, ignore the characteristics of the frequency converter itself, equate it with general electrical components, and act based on assumptions and experience, laying hidden dangers for faults and accidents.
According to the user manual of the frequency converter, the cable connected to the motor should be a shielded cable or armored cable, preferably laid in a metal tube. The ends of the cut cable should be as neat as possible, the unshielded segments should be as short as possible, and the cable length should not exceed a certain distance (usually 50m). When the wiring distance between the frequency converter and the motor is long, the high harmonic leakage current from the cable will have adverse effects on the frequency converter and surrounding equipment. The grounding wire returned from the motor controlled by the frequency converter should be directly connected to the corresponding grounding terminal of the frequency converter. The grounding wire of the frequency converter should not be shared with welding machines and power equipment, and should be as short as possible. Due to the leakage current generated by the frequency converter, if it is too far from the grounding point, the potential of the grounding terminal will be unstable. The minimum cross-sectional area of the grounding wire of the frequency converter must be greater than or equal to the cross-sectional area of the power supply cable. To prevent misoperation caused by interference, control cables should use twisted shielded wires or double stranded shielded wires. At the same time, be careful not to touch the shielded network cable with other signal lines and equipment casings, and wrap it with insulating tape. To avoid being affected by noise, the length of the control cable should not exceed 50m. The control cable and motor cable must be laid separately, using separate cable trays, and kept as far away as possible. When the two must cross, they should be crossed vertically. Never put them in the same pipeline or cable tray. However, some users did not strictly follow the above requirements when laying cables, resulting in the equipment running normally during individual debugging but causing serious interference during normal production, making it unable to operate.
Специално внимание трябва да се обърне и на ежедневната поддръжка на честотните преобразуватели. Някои електротехници незабавно включват честотния преобразувател за поддръжка веднага щом открият повреда и го изключват. Това е много опасно и може да доведе до токов удар. Това е така, защото дори ако честотният преобразувател не работи или захранването е прекъснато, все още може да има напрежение на входната захранваща линия, DC клемата и клемата на двигателя на честотния преобразувател поради наличието на кондензатори. След изключване на превключвателя е необходимо да се изчакат няколко минути, за да се разреди напълно честотният преобразувател, преди да се започне работа. Някои електротехници са свикнали незабавно да провеждат тестове на изолацията на двигателя, задвижван от системата за честотно задвижване, с помощта на разклащаща се маса, когато забележат изключване на системата, за да определят дали двигателят е изгорял. Това също е много опасно, тъй като лесно може да причини изгаряне на честотния преобразувател. Следователно, преди да се разкачи кабелът между двигателя и честотния преобразувател, не трябва да се извършва тест на изолацията на двигателя, нито на кабела, който вече е свързан към честотния преобразувател.
Специално внимание трябва да се обърне и при измерване на изходните параметри на честотния преобразувател. Поради факта, че изходът на честотния преобразувател е ШИМ форма на вълната, съдържаща хармоници от висок порядък, а въртящият момент на двигателя зависи главно от ефективната стойност на основното напрежение, при измерване на изходното напрежение, стойността на основното напрежение се измерва главно с помощта на токоизправителен волтметър. Резултатите от измерването са най-близки до тези, измерени с цифров спектрален анализатор, и имат отлична линейна зависимост с изходната честота на честотния преобразувател. Ако е необходимо допълнително подобряване на точността на измерване, може да се използва резистивен капацитивен филтър. Цифровите мултиметри са склонни към смущения и имат значителни грешки в измерването. Изходният ток трябва да измерва общата ефективна стойност, включително основната вълна и други хармоници от висок порядък, така че често използваният инструмент е амперметър с подвижна бобина (когато двигателят е натоварен, разликата между ефективната стойност на основния ток и ефективната стойност на общия ток не е значителна). Когато се има предвид удобството на измерване и използването на токов трансформатор, токовият трансформатор може да се насити при ниски честоти, така че е необходимо да се избере токов трансформатор с подходящ капацитет.