Dodavatelé jednotek zpětné vazby energie pro frekvenční měniče vám připomínají, že s implementací politik a energickou propagací technologie frekvenčních převodů, spolu se silnou propagací prodejců frekvenčních měničů, některé průmyslové podniky podvědomě ztotožňují používání frekvenčních měničů s úsporou energie a elektřiny. V praxi si však mnoho podniků v důsledku různých situací postupně uvědomuje, že ne všechna místa, kde se frekvenční měniče používají, mohou šetřit energii a elektřinu. Jaké jsou tedy důvody této situace a jaké jsou mylné představy lidí o frekvenčních měničích?
Mylná představa 1: Použití frekvenčního měniče může ušetřit elektřinu
V některé literatuře se uvádí, že frekvenční měniče jsou energeticky úsporné řídicí produkty, což vytváří dojem, že používání frekvenčních měničů může šetřit elektřinu.
Důvodem, proč mohou frekvenční měniče šetřit elektřinu, je ve skutečnosti to, že dokáží regulovat otáčky elektromotorů. Pokud jsou frekvenční měniče energeticky úspornými regulačními produkty, pak lze za energeticky úsporné regulační produkty považovat i všechna zařízení pro regulaci otáček. Frekvenční měnič je jen o něco účinnější a má vyšší účiník než jiná zařízení pro regulaci otáček.
Zda může frekvenční měnič dosáhnout úspory energie, je určeno charakteristikami regulace otáček jeho zátěže. U zátěží, jako jsou odstředivé ventilátory a odstředivá čerpadla, je točivý moment úměrný druhé mocnině otáček a výkon je úměrný třetí mocnině otáček. Pokud se používá původní regulační průtok ventilu a zařízení nepracuje s plným zatížením, může změna na provoz s regulací otáček dosáhnout úspory energie. Když otáčky klesou na 80 % původní hodnoty, výkon je pouze 51,2 % původní hodnoty. Je zřejmé, že použití frekvenčních měničů u takových zátěží má významný účinek na úsporu energie. U zátěží, jako jsou Rootsova dmychadla, je točivý moment nezávislý na otáčkách, tj. zatížení s konstantním točivým momentem. Pokud se původní metoda použití odvzdušňovacího ventilu k uvolnění přebytečného objemu vzduchu pro úpravu objemu vzduchu změní na provoz s regulací otáček, lze také dosáhnout úspory energie. Když otáčky klesnou na 80 % původní hodnoty, výkon dosáhne 80 % původní hodnoty. Úsporný efekt je mnohem menší než u aplikací u odstředivých ventilátorů a odstředivých čerpadel. U zátěží s konstantním výkonem je výkon nezávislý na otáčkách. Konstantní zatížení v cementárně, například dávkovací pásová váha, zpomaluje rychlost pásu, když je vrstva materiálu za určitých podmínek proudění silná; když je vrstva materiálu tenká, rychlost pásu se zvyšuje. Použití frekvenčních měničů u takového zatížení nemůže šetřit elektřinu.
Ve srovnání se systémy regulace otáček stejnosměrným proudem mají stejnosměrné motory vyšší účinnost a účiník než střídavé motory. Účinnost digitálních stejnosměrných regulátorů otáček je srovnatelná s účinností frekvenčních měničů a dokonce o něco vyšší než účinnost frekvenčních měničů. Proto je nesprávné tvrdit, že použití asynchronních střídavých motorů a frekvenčních měničů šetří více elektřiny než použití stejnosměrných motorů a stejnosměrných regulátorů, a to jak teoreticky, tak prakticky.
Mylná představa 2: Výběr výkonu frekvenčního měniče je založen na jmenovitém výkonu motoru
Ve srovnání s elektromotory jsou frekvenční měniče dražší, proto je velmi smysluplné rozumně snížit jejich výkon a zároveň zajistit bezpečný a spolehlivý provoz.
Výkon frekvenčního měniče se vztahuje k výkonu čtyřpólového asynchronního motoru na střídavý proud, pro který je vhodný.
Vzhledem k různému počtu pólů motorů se stejnou kapacitou se jmenovitý proud motoru mění. S rostoucím počtem pólů motoru se zvyšuje i jmenovitý proud motoru. Výběr kapacity frekvenčního měniče nemůže být založen na jmenovitém výkonu motoru. Zároveň u rekonstrukčních projektů, které původně nepoužívaly frekvenční měniče, nemůže být výběr kapacity frekvenčních měničů založen na jmenovitém proudu motoru. Je to proto, že výběr kapacity elektromotorů by měl zohledňovat faktory, jako je zatížení, koeficient přebytku a specifikace motoru. Přebytek je často velký a průmyslové motory pracují na 50 % až 60 % svého jmenovitého zatížení. Pokud je kapacita frekvenčního měniče zvolena na základě jmenovitého proudu motoru, zbývá příliš velká rezerva, což vede k ekonomickému plýtvání a spolehlivost se tím nezlepší.
U motorů s kotvou nakrátko by měl být výběr výkonu frekvenčního měniče založen na principu, že jmenovitý proud frekvenčního měniče je větší nebo roven 1,1násobku maximálního normálního provozního proudu motoru, což může maximalizovat úspory nákladů. Pro podmínky, jako je rozběh při vysokém zatížení, prostředí s vysokou teplotou, motor s vinutím, synchronní motor atd., by měl být výkon frekvenčního měniče odpovídajícím způsobem zvýšen.
U konstrukcí, které od začátku používají frekvenční měniče, je pochopitelné volit kapacitu frekvenčního měniče na základě jmenovitého proudu motoru. Je to proto, že kapacitu frekvenčního měniče nelze v tuto chvíli zvolit na základě skutečných provozních podmínek. Samozřejmě, aby se snížily investice, může být v některých případech kapacita frekvenčního měniče zpočátku nejistá a po určité době provozu zařízení ji lze zvolit na základě skutečného proudu.
V systému sekundárního mletí cementového mlýna o průměru 2,4 m × 13 m v jisté cementárně ve Vnitřním Mongolsku se nachází jeden tuzemsky vyráběný vysoce účinný selektor prášku N-1500 O-Sepa, vybavený elektromotorem modelu Y2-315M-4 o výkonu 132 kW. Byl však zvolen frekvenční měnič FRN160-P9S-4E, který je vhodný pro 4pólové motory o výkonu 160 kW. Po uvedení do provozu je maximální pracovní frekvence 48 Hz a proud pouze 180 A, což je méně než 70 % jmenovitého proudu motoru. Samotný motor má značnou nadbytečnou kapacitu. Specifikace frekvenčního měniče jsou o úroveň vyšší než specifikace hnacího motoru, což způsobuje zbytečné plýtvání a nezlepšuje spolehlivost.
Systém dávkování drtiče vápence č. 3 v cementárně Anhui Chaohu využívá deskový podavač o rozměrech 1500 × 12000 a hnací motor využívá střídavý motor Y225M-4 s jmenovitým výkonem 45 kW a jmenovitým proudem 84,6 A. Před transformací regulace otáček s frekvenčním převodem bylo testováním zjištěno, že když deskový podavač pohání motor normálně, průměrný třífázový proud je pouze 30 A, což představuje pouze 35,5 % jmenovitého proudu motoru. Aby se ušetřily investice, byl zvolen frekvenční měnič ACS601-0060-3 s jmenovitým výstupním proudem 76 A, který je vhodný pro 4pólové motory s výkonem 37 kW a dosahuje dobrého výkonu.
Tyto dva příklady ilustrují, že u rekonstrukčních projektů, které původně nepoužívaly frekvenční měniče, může výběr výkonu frekvenčního měniče na základě skutečných provozních podmínek výrazně snížit investice.
Mylná představa 3: Použití vizuálního výkonu k výpočtu kompenzace jalového výkonu a úspor energie
Vypočítejte efekt úspory energie kompenzací jalového výkonu pomocí zdánlivého výkonu. Při provozu ventilátoru s plným zatížením a síťovou frekvencí je provozní proud motoru 289 A. Při použití regulace otáček s proměnnou frekvencí je účiník při provozu s plným zatížením 50 Hz přibližně 0,99 a proud je 257 A. Je to proto, že interní filtrační kondenzátor frekvenčního měniče zlepšuje účiník. Výpočet úspory energie je následující: Δ S = UI = × 380 × (289-257) = 21 kVA
Proto se předpokládá, že jeho energeticky úsporný účinek je asi 11 % kapacity jednoho stroje.
Skutečná analýza: S představuje zdánlivý výkon, který je součinem napětí a proudu. Pokud je napětí stejné, procento úspory zdánlivého výkonu a procento úspory proudu jsou totéž. V obvodu s reaktancí zdánlivý výkon odráží pouze maximální povolenou výstupní kapacitu distribuční soustavy a nemůže odrážet skutečný výkon spotřebovaný motorem. Skutečný výkon spotřebovaný elektromotorem lze vyjádřit pouze jako činný výkon. V tomto příkladu, ačkoli se pro výpočet používá skutečný proud, se místo činného výkonu vypočítává zdánlivý výkon. Víme, že skutečná spotřeba energie elektromotoru je určena ventilátorem a jeho zatížením. Zvýšení účiníku nezměnilo zatížení ventilátoru ani nezlepšilo účinnost ventilátoru. Skutečná spotřeba energie ventilátoru se nesnížila. Po zvýšení účiníku se provozní stav motoru nezměnil, statorový proud motoru se nesnížil a činný a jalový výkon spotřebovaný motorem se nezměnil. Důvodem zvýšení účiníku je, že interní filtrační kondenzátor frekvenčního měniče generuje jalový výkon, který je dodáván do motoru ke spotřebě. S rostoucím účiníkem se snižuje skutečný vstupní proud frekvenčního měniče, čímž se snižují ztráty ve vedení mezi elektrickou sítí a frekvenčním měničem a ztráty v mědi transformátoru. Zároveň s klesajícím zatěžovacím proudem mohou distribuční zařízení, jako jsou transformátory, spínače, stykače a vodiče, které dodávají energii do frekvenčního měniče, nést větší zatížení. Je třeba zdůraznit, že pokud nezohledníme úspory ze ztrát ve vedení a ztráty v mědi transformátoru, jako v tomto příkladu, ale zohledníme ztráty frekvenčního měniče, pak frekvenční měnič při plném zatížení při 50 Hz nejenže nešetří energii, ale také ji spotřebovává. Proto je použití zdánlivého výkonu k výpočtu účinků úspory energie nesprávné.
Model motoru pohánějícího odstředivý ventilátor v určité cementárně je Y280S-4 s jmenovitým výkonem 75 kW, jmenovitým napětím 380 V a jmenovitým proudem 140 A. Před transformací regulace otáček s frekvenční konverzí byl ventil plně otevřen. Testováním bylo zjištěno, že proud motoru byl 70 A při zatížení pouze 50 %, účiníku 0,49, činném výkonu 22,6 kW a zdánlivém výkonu 46,07 kVA. Po zavedení regulace otáček s proměnnou frekvencí, když je ventil plně otevřen a motor běží na jmenovitých otáčkách, je průměrný proud třífázové elektrické sítě 37 A, proto se předpokládá, že úspora energie (70-37) ÷ 70 × 100 % = 44,28 %. Tento výpočet se může zdát rozumný, ale v podstatě stále vypočítává efekt úspory energie na základě zdánlivého výkonu. Po dalších testech továrna zjistila, že účiník byl 0,94, činný výkon 22,9 kW a zdánlivý výkon 24,4 kVA. Je vidět, že zvýšení činného výkonu nejenže nešetří elektřinu, ale také ji spotřebovává. Důvodem zvýšení činného výkonu je, že byly zohledněny ztráty frekvenčního měniče, bez ohledu na úspory ze ztrát ve vedení a ztrát v mědi transformátoru. Klíč k této chybě spočívá v nezohlednění vlivu zvyšujícího se účiníku na úbytek proudu a výchozí účiník zůstává nezměněn, čímž se zveličuje energeticky úsporný účiník frekvenčního měniče. Proto je při výpočtu energeticky úsporného účiníku nutné použít činný výkon místo zdánlivého výkonu.
Mylná představa 4: Stykače nelze instalovat na výstupní straně frekvenčního měniče.
Téměř všechny uživatelské příručky pro frekvenční měniče uvádějí, že stykače nelze instalovat na výstupní stranu frekvenčního měniče. Jak je uvedeno v příručce k frekvenčnímu měniči Yaskawa v Japonsku: „Nepřipojujte elektromagnetické spínače ani elektromagnetické stykače do výstupního obvodu“.
Předpisy výrobce zabraňují provozu stykače, když má měnič kmitočtu výstup. Pokud je měnič kmitočtu během provozu připojen k zátěži, aktivuje se v důsledku svodového proudu obvod ochrany proti nadproudu. Pokud jsou tedy mezi výstup měniče kmitočtu a stykač přidány nezbytné řídicí blokovací prvky, které zajistí, že stykač může pracovat pouze tehdy, když měnič kmitočtu nemá výstup, lze na výstupní stranu měniče kmitočtu nainstalovat stykač. Toto schéma má velký význam v situacích, kdy je k dispozici pouze jeden měnič kmitočtu a dva motory (jeden motor v provozu a jeden záložní). V případě poruchy běžícího motoru lze měnič kmitočtu snadno přepnout na záložní motor a po určité prodlevě lze měnič kmitočtu automaticky přepnout záložní motor do režimu frekvenčního převodu. Lze také snadno dosáhnout vzájemného zálohování dvou elektromotorů.
Mylná představa 5: Použití frekvenčních měničů v odstředivých ventilátorech může zcela nahradit regulační dvířka ventilátoru
Použití frekvenčního měniče k regulaci otáček odstředivého ventilátoru za účelem regulace objemu vzduchu má ve srovnání s regulací objemu vzduchu pomocí regulačních ventilů významný energeticky úsporný efekt. V některých případech však frekvenční měnič nemůže ventil ventilátoru zcela nahradit a při návrhu je třeba věnovat zvláštní pozornost. Pro ilustraci této problematiky začněme jeho principem úspory energie. Objem vzduchu odstředivého ventilátoru je úměrný výkonu jeho otáček, tlak vzduchu je úměrný druhé mocnině jeho otáček a výkon na hřídeli je úměrný třetí mocnině jeho otáček.
Charakteristika tlaku větru a objemu vzduchu (HQ) ventilátoru při konstantní rychlosti; Křivka (2) představuje charakteristiku odporu větru potrubní sítě (ventil plně otevřený). Když ventilátor pracuje v bodě A, výstupní objem vzduchu je Q1. V tomto okamžiku je výkon na hřídeli N1 úměrný součinu plochy Q1 a H1 (AH1OQ1). Když se objem vzduchu sníží z Q1 na Q2, pokud se použije metoda regulace ventilu, charakteristika odporu potrubní sítě se změní na křivku (3). Systém pracuje z původního provozního bodu A do nového provozního bodu B a tlak větru se místo toho zvyšuje. Výkon na hřídeli N2 je úměrný ploše (BH2OQ2) a N1 se od N2 příliš neliší. Pokud se použije metoda regulace otáček, otáčky ventilátoru se sníží z n1 na n2 a charakteristika tlaku větru a objemu vzduchu (HQ) je znázorněna na křivce (4). Při stejném objemu vzduchu Q2 se tlak větru H3 výrazně sníží a výkon N3 (ekvivalentní ploše CH3OQ2) se výrazně sníží, což naznačuje významný efekt úspory energie.
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.
Obecně řečeno, skutečné provozní podmínky elektromotorů naznačují, že univerzální motory lze zrychlit pomocí frekvenčních měničů. Lze zvýšit otáčky s proměnnou frekvencí? O kolik? To je určeno hlavně zátěží taženou elektromotorem. Zaprvé je nutné určit, jaká je míra zatížení. Zadruhé je nutné pochopit charakteristiky zatížení a provést výpočty na základě specifické situace zátěže. Stručná analýza je následující:
1. Ve skutečnosti je možné univerzální motor na 380 V provozovat po dlouhou dobu, když napětí statoru překročí 10 % jmenovitého napětí, aniž by to ovlivnilo izolaci a životnost motoru. Napětí statoru se zvyšuje, točivý moment se výrazně zvyšuje, proud statoru se snižuje a teplota vinutí se snižuje.
2. Míra zatížení elektromotoru je obvykle 50 % až 60 %
Průmyslové motory obecně pracují na 50 % až 60 % svého jmenovitého výkonu. Výpočtem vyplývá, že když výstupní výkon motoru dosahuje 70 % jmenovitého výkonu a napětí statoru se zvýší o 7 %, statorový proud se sníží o 26,4 %. V tomto okamžiku, i při konstantní regulaci momentu a použití frekvenčního měniče ke zvýšení otáček motoru o 20 %, se statorový proud nejen nezvyšuje, ale dokonce i snižuje. Přestože spotřeba železa motoru po zvýšení frekvence prudce roste, teplo generované motorem je zanedbatelné ve srovnání s teplem sníženým snížením statorového proudu. Proto se výrazně sníží i teplota vinutí motoru.
3. Existují různé charakteristiky zatížení
Systém pohonu elektromotoru slouží k obsluze zátěže a různé zátěže mají různé mechanické vlastnosti. Elektromotory musí po zrychlení splňovat požadavky na mechanické vlastnosti zátěže. Podle výpočtů je maximální přípustná provozní frekvence (fmax) pro zatížení s konstantním momentem při různých rychlostech zatížení (k) nepřímo úměrná rychlosti zatížení, tj. fmax=fe/k, kde fe je jmenovitá výkonová frekvence. Pro zatížení s konstantním výkonem je maximální přípustná provozní frekvence běžných motorů omezena především mechanickou pevností rotoru a hřídele motoru. Autor se domnívá, že je obecně vhodné omezit ji na 100 Hz.
Mylná představa 7: Zanedbávání inherentních vlastností frekvenčních měničů
Ladění frekvenčního měniče obvykle provádí distributor a nevznikají s ním žádné problémy. Instalace frekvenčního měniče je relativně jednoduchá a obvykle ji provádí uživatel. Někteří uživatelé si pečlivě nepřečtou uživatelskou příručku k frekvenčnímu měniči, nedodržují striktně technické požadavky na konstrukci, ignorují vlastnosti samotného frekvenčního měniče, srovnávají ho s obecnými elektrickými součástkami a jednají na základě předpokladů a zkušeností, čímž skrývají skrytá nebezpečí poruch a nehod.
Podle uživatelské příručky k frekvenčnímu měniči by měl být kabel připojený k motoru stíněný nebo pancéřovaný, nejlépe uložený v kovové trubce. Konce uříznutého kabelu by měly být co nejčistší, nestíněné segmenty by měly být co nejkratší a délka kabelu by neměla překročit určitou vzdálenost (obvykle 50 m). Pokud je vzdálenost kabelu mezi frekvenčním měničem a motorem velká, bude mít svodový proud s vysokými harmonickými z kabelu nepříznivý vliv na frekvenční měnič a okolní zařízení. Zemnící vodič vracející se z motoru ovládaného frekvenčním měničem by měl být přímo připojen k odpovídající zemnící svorce frekvenčního měniče. Zemnící vodič frekvenčního měniče by neměl být sdílen se svářečkami a výkonovými zařízeními a měl by být co nejkratší. Vzhledem ke svodovému proudu generovanému frekvenčním měničem, pokud je příliš daleko od zemnícího bodu, bude potenciál zemnící svorky nestabilní. Minimální průřez zemnícího vodiče frekvenčního měniče musí být větší nebo roven průřezu napájecího kabelu. Aby se zabránilo nesprávnému provozu způsobenému rušením, měly by být ovládací kabely položeny kroucenými stíněnými vodiči nebo dvouvláknovými stíněnými vodiči. Zároveň dbejte na to, aby se stíněný síťový kabel nedotýkal jiných signálních vodičů a pouzder zařízení, a omotejte jej izolační páskou. Aby nedošlo k rušení rušením, délka ovládacího kabelu by neměla překročit 50 m. Ovládací kabel a kabel motoru musí být vedeny odděleně, pomocí samostatných kabelových žlabů a co nejdále od sebe. Pokud se musí oba kabely křížit, měly by být kříženy svisle. Nikdy je neumísťujte do stejného potrubí nebo kabelového žlabu. Někteří uživatelé však při pokládání kabelů striktně nedodržovali výše uvedené požadavky, což vedlo k tomu, že zařízení při individuálním ladění běželo normálně, ale při běžné výrobě způsobovalo vážné rušení, což znemožňovalo jeho provoz.
Zvláštní pozornost je třeba věnovat i každodenní údržbě frekvenčních měničů. Někteří elektrikáři ihned po zjištění poruchy zapnou frekvenční měnič kvůli údržbě a vypnou ho. To je velmi nebezpečné a může to vést k úrazu elektrickým proudem. Je to proto, že i když frekvenční měnič není v provozu nebo je napájení přerušeno, na vstupním napájecím vedení, stejnosměrné svorce a svorce motoru frekvenčního měniče může být stále napětí v důsledku přítomnosti kondenzátorů. Po odpojení spínače je nutné před zahájením práce několik minut počkat, aby se frekvenční měnič zcela vybil. Někteří elektrikáři jsou zvyklí ihned po zjištění vypnutí systému provádět izolační zkoušky motoru poháněného systémem frekvenčního měniče pomocí vibračního stolu, aby zjistili, zda motor neshořel. To je také velmi nebezpečné, protože to může snadno způsobit spálení frekvenčního měniče. Proto se před odpojením kabelu mezi motorem a frekvenčním měničem nesmí provádět izolační zkoušky motoru ani kabelu, který je již k frekvenčnímu měniči připojen.
Zvláštní pozornost je třeba věnovat také měření výstupních parametrů frekvenčního měniče. Vzhledem k tomu, že výstup frekvenčního měniče má PWM tvar vlny obsahující vyšší harmonické a točivý moment motoru závisí hlavně na efektivní hodnotě základního napětí, měří se při měření výstupního napětí hodnota základního napětí převážně pomocí usměrňovacího voltmetru. Výsledky měření se nejvíce blíží výsledkům měřeným digitálním spektrálním analyzátorem a mají vynikající lineární vztah s výstupní frekvencí frekvenčního měniče. Pokud je potřeba další zlepšení přesnosti měření, lze použít odporový kapacitní filtr. Digitální multimetry jsou náchylné k rušení a mají značné chyby měření. Výstupní proud musí měřit celkovou efektivní hodnotu včetně základní vlny a dalších vyšších harmonických, proto se běžně používaným přístrojem stává ampérmetr s pohyblivou cívkou (při zatížení motoru není rozdíl mezi efektivní hodnotou základního proudu a efektivní hodnotou celkového proudu významný). Při zvažování pohodlí měření a použití proudového transformátoru se může proudový transformátor při nízkých frekvencích saturovat, proto je nutné zvolit proudový transformátor s odpovídající kapacitou.