Anbieter von Energierückkopplungsgeräten für Frequenzumrichter weisen darauf hin, dass Motoren in der modernen Industrie zu den energieintensivsten Anlagen mit vielfältigen Anwendungsbereichen zählen. Statistiken zufolge beträgt Chinas installierte Gesamtleistung rund 400 Millionen Kilowatt, bei einem jährlichen Stromverbrauch von etwa 600 Milliarden Kilowattstunden, was 70–80 % des industriellen Stromverbrauchs entspricht. China setzt hauptsächlich auf kleine und mittelgroße Motoren (ca. 80 %), deren Stromverbrauch 90 % der Gesamtverluste ausmacht. Im praktischen Einsatz von Motoren in China besteht im Vergleich zu anderen Ländern eine deutliche Lücke: Der Wirkungsgrad einzelner Motoren liegt bei 75 % und damit 10 % niedriger als im Ausland; der Systemwirkungsgrad beträgt 30–40 % und liegt damit 20–30 % unter dem internationalen Standard. Daher bergen kleine und mittelgroße Motoren in China ein großes Energiesparpotenzial, und die Förderung der Energieeinsparung bei Motoren ist unerlässlich.
Aufgrund ihrer einfachen Bauweise, der unkomplizierten Fertigung, des niedrigen Preises, der Langlebigkeit, des zuverlässigen Betriebs und der Eignung für raue Umgebungen finden Asynchronmotoren breite Anwendung in der Industrie und Landwirtschaft. Insbesondere beim Antrieb von Pumpen und Ventilatoren in verschiedenen Branchen wird der energiesparende Betrieb dieser Motoren sehr geschätzt.
Mit der rasanten Entwicklung von Wissenschaft und Technik, insbesondere der Leistungselektronik, Mikroelektronik und Automatisierungstechnik, hat die Energieeffizienz von Frequenzumrichtern deutlich zugenommen. Sie ermöglichen nicht nur eine stufenlose Drehzahlregelung, sondern arbeiten auch unter verschiedenen Lasten effizient, weisen gute dynamische Eigenschaften auf und gewährleisten eine leistungsstarke, zuverlässige und präzise automatische Steuerung. Im Vergleich zu anderen Drehzahlregelungsverfahren wie Spannungsreduzierung, Polumschaltung, Schlupfregelung und Kaskadenregelung bietet die Frequenzumrichterregelung einen stabilen Betrieb, einen großen Regelbereich und hohe Effizienz. Dank moderner Regelungstechnik und Leistungselektronik wird die Frequenzumrichterregelung immer ausgereifter und hat sich zum Standard für die Drehzahlregelung von Wechselstrommotoren entwickelt. Frequenzumrichter finden breite Anwendung in der Industrie.
Der Einsatz von Frequenzumrichtern zur Drehzahlregelung ermöglicht eine schnelle Signalübertragung, geringe Verzögerung, präzises Ansprechverhalten und hohe Regelgenauigkeit. Die einfache Handhabung trägt zur Steigerung der Produktionsleistung, Qualitätssicherung und Kostensenkung bei. Daher sind Frequenzumrichter in Fabriken und Bergbauunternehmen ein beliebtes Produkt zur Energieeinsparung und Verbrauchsreduzierung.
Das frequenzvariable Motor-Energiespargerät ist eine revolutionäre neue Generation von Motorsteuerungsprodukten. Basierend auf mikroprozessorgesteuerter digitaler Regelungstechnik passt es Spannung und Stromstärke im Motorbetrieb dynamisch an, indem es über eine integrierte, speziell entwickelte Energiespar-Optimierungssoftware verfügt. Ohne die Motordrehzahl zu verändern, stellt es sicher, dass das Drehmoment des Motors präzise dem Lastbedarf entspricht und vermeidet so effektiv Energieverschwendung durch übermäßige Motorleistung.
Wechselstrommotoren sind derzeit die am weitesten verbreiteten Motoren und machen etwa 85 % aller Motortypen aus. Sie zeichnen sich durch ihren einfachen Aufbau, geringe Kosten und Wartungsfreiheit aus. Ihre Schwäche liegt jedoch in der schwierigen Drehzahlregelung, was ihren Einsatz in vielen Anwendungen einschränkt oder mechanische Maßnahmen zur Drehzahlregelung erfordert.
Frequenzumrichter werden typischerweise in zwei Lastarten eingesetzt: 1. Konstantes Drehmoment; 2. Variables Drehmoment. Ihre Hauptziele sind: 1. Prozessoptimierung durch Sicherstellung der Drehzahl während des Prozesses, der Drehzahl unter verschiedenen Lasten und präziser Positionierung. Dank ihrer hervorragenden Drehzahlregelung tragen sie zu höherer Produktivität, verbesserter Produktqualität, mehr Komfort, optimierter Anlagennutzung und Umweltverträglichkeit bei. 2. Energieeinsparung durch präzise Drehzahlregelung von Ventilatoren und Pumpen mit Bedarf an Durchfluss- oder Druckregelung.
Das Prinzip der Drehzahlregelung mit variabler Frequenz
Motorbetriebene Lasten wie Ventilatoren, Wasserpumpen, Luftkompressoren, Hydraulikpumpen und Umwälzpumpen machen den Großteil des Stromverbrauchs in Unternehmen aus. Aus technischen Gründen sind fast alle Durchfluss-, Druck- oder Luftmengenregelungssysteme für solche Lasten ventilgesteuert. Dabei wird der Motor mit Nenndrehzahl betrieben, und das System liefert einen konstanten Durchfluss, Druck oder eine konstante Luftmenge. Ändern sich die Betriebsanforderungen der Anlage, wird der Lastdurchfluss, Druck oder die Luftmenge über Überdruckventile, Sicherheitsventile oder Proportionalregler am Auslass angepasst. Nach dem Öffnen des Überdruckventils oder Proportionalreglers wird eine große Energiemenge freigesetzt. Diese dissipierte Energie ist Teil der vom Motor aus dem Stromnetz aufgenommenen Energie und führt zu erheblicher Energieverschwendung. Aus den Betriebseigenschaften dieser Lastart geht hervor, dass die Motorleistung proportional zur dritten Potenz der Drehzahl und die Drehzahl proportional zur Frequenz ist. Wenn wir den Betriebsmodus des Motors so ändern, dass er nicht immer mit der Nennbetriebsfrequenz arbeitet, sondern stattdessen ein System zur variablen Frequenzregelung für Start-Stopp-Steuerung und Justierung verwendet, kann seine Drehzahl stufenlos im Bereich von 0 bis 2900 U/min eingestellt werden. Das heißt, auch die Fördermenge, der Druck oder das Luftvolumen können stufenlos im Bereich von 0 bis 100 % eingestellt werden, um die Arbeitsanforderungen der Last genau zu erfüllen und das Ziel der Energieeinsparung und Verbrauchsreduzierung zu erreichen.
Die Drehzahl des Wechselstrommotors beträgt: n=60f (1-s)/p
In der Formel: n = Motordrehzahl
F = Leistungsfrequenz
P = Polzahl des Motors
S = Gleitrate
Wie aus der Gleichung ersichtlich, ist die Synchrondrehzahl n eines Wechselstrommotors direkt proportional zur Netzfrequenz f. Daher kann durch Ändern der Netzfrequenz die Motordrehzahl verändert und somit die Drehzahlregelung erreicht werden.
Prinzip der frequenzvariablen Drehzahlregelung zur Energieeinsparung
Drehzahlregelung mit variabler Frequenz spart Strom. Wie der Name schon sagt, ist dies die einzige Möglichkeit, Strom zu sparen. Im Folgenden werden die Energiesparprinzipien für zwei typische Lastanwendungen analysiert.
(1) Anwendungen mit konstanter Drehmomentbelastung
Konstantes Lastmoment bedeutet, dass das Lastmoment unabhängig von Drehzahländerungen konstant bleibt.
Die folgende Formel: P=K * T * N
K = Koeffizient
P = Wellenleistung
T = Lastdrehmoment
N = Rotationsgeschwindigkeit
Aus der obigen Formel geht hervor, dass die Wellenleistung direkt proportional zur Motordrehzahl ist. Wird die Motordrehzahl prozessbedingt angepasst, lässt sich somit eine entsprechende Energieeinsparung erzielen.
(2) Anwendungen mit variabler Drehmomentbelastung
Kreiselventilatoren und -pumpen zählen zu den typischen Lasten mit variablem Drehmoment und zeichnen sich durch folgenden Betrieb aus: Die meisten laufen über lange Zeiträume im Dauerbetrieb. Da das Lastdrehmoment proportional zum Quadrat der Drehzahl ist, führt eine Überschreitung der Nenndrehzahl zu einer starken Überlastung des Motors. Daher werden Ventilatoren und Pumpen im Allgemeinen nicht mit einer Frequenz über der Nennfrequenz betrieben.