אם שני מנועים זהים פועלים בתדר חשמל של 50 הרץ, אחד משתמש בממיר תדר והשני לא, והמהירות והמומנט שניהם במצב המדורג של המנוע, האם ממיר התדר יכול לחסוך בחשמל? כמה ניתן לחסוך?
תשובה: במקרה זה, ממיר התדרים יכול רק לשפר את מקדם ההספק ואינו יכול לחסוך בחשמל.
1. המרת תדרים לא יכולה לחסוך חשמל בכל מקום, וישנם מקרים רבים שבהם המרת תדרים לא בהכרח תחסוך חשמל.
2. כמעגל אלקטרוני, ממיר התדרים עצמו צורך גם הוא חשמל (כ-2-5% מההספק המדורג)
3. עובדה היא שממירי תדר פועלים בתדר החשמל ויש להם פונקציות חיסכון באנרגיה. אבל התנאי הנדרש הוא:
ראשית, למכשיר עצמו יש פונקציית חיסכון באנרגיה (תמיכה בתוכנה), התואמת את דרישות המערכת או התהליך כולו;
שנית, פעולה רציפה לטווח ארוך.
חוץ מזה, לא משנה אם זה חוסך בחשמל או לא, זה חסר משמעות. אם נאמר שממיר התדרים פועל בחיסכון באנרגיה ללא תנאים מוקדמים, זו הגזמה או ספקולציה מסחרית. בידיעה מלאה, תוכלו להשתמש בו בחוכמה לשרת אתכם. הקפידו לשים לב למצב השימוש ולתנאיו על מנת ליישם אותו נכון, אחרת אתם יעקובו בעיוורון, יאמינו בקלות ויוטעו.
לעתים קרובות יש לנו את התפיסות המוטעות הבאות בעת שימוש בממירי תדר:
תפיסה מוטעית 1: שימוש בממיר תדרים יכול לחסוך בחשמל
חלק מהספרות טוענת כי ממירי תדר הם מוצרי בקרה חוסכי אנרגיה, מה שנותן את הרושם ששימוש בממירי תדר יכול לחסוך בחשמל.
למעשה, הסיבה לכך שממירי תדר יכולים לחסוך בחשמל היא שהם יכולים לווסת את מהירות המנועים החשמליים. אם ממירי תדר הם מוצרי בקרה חוסכי אנרגיה, אז כל ציוד בקרת המהירות יכול להיחשב גם כמוצרי בקרה חוסכי אנרגיה. ממיר התדר יעיל יותר ובעל גורם הספק גבוה במעט בהשוואה להתקני בקרת מהירות אחרים.
האם ממיר תדר יכול להשיג חיסכון באנרגיה נקבע על ידי מאפייני ויסות המהירות של העומס שלו. עבור עומסים כגון מאווררים צנטריפוגליים ומשאבות צנטריפוגליות, המומנט פרופורציונלי לריבוע המהירות, וההספק פרופורציונלי לקוביית המהירות. כל עוד נעשה שימוש בזרימת בקרת השסתום המקורית והוא אינו פועל בעומס מלא, מעבר לפעולת ויסות מהירות יכול להשיג חיסכון באנרגיה. כאשר המהירות יורדת ל-80% מהמקור, ההספק הוא רק 51.2% מהמקור. ניתן לראות כי יישום ממירי תדר בעומסים כאלה יוצר את האפקט המשמעותי ביותר של חיסכון באנרגיה. עבור עומסים כגון מפוחי Roots, המומנט אינו תלוי במהירות, כלומר עומס מומנט קבוע. אם השיטה המקורית של שימוש בשסתום אוורור לשחרור נפח אוויר עודף כדי להתאים את נפח האוויר משתנה לפעולת ויסות מהירות, ניתן גם להשיג חיסכון באנרגיה. כאשר המהירות יורדת ל-80% מערכה המקורי, ההספק מגיע ל-80% מערכה המקורי. אפקט חיסכון האנרגיה קטן בהרבה מזה של יישומים במאווררים צנטריפוגליים ומשאבות צנטריפוגליות. עבור עומסי הספק קבוע, ההספק אינו תלוי במהירות. עומס הספק קבוע במפעל מלט, כגון משקל של רצועת מינון, מאט את מהירות הרצועה כאשר שכבת החומר עבה בתנאי זרימה מסוימים; כאשר שכבת החומר דקה, מהירות הרצועה עולה. יישום ממירי תדר בעומסים כאלה אינו יכול לחסוך בחשמל.
בהשוואה למערכות בקרת מהירות DC, למנועי DC יעילות וגורם הספק גבוהים יותר ממנועי AC. יעילותם של בקרי מהירות DC דיגיטליים דומה לזו של ממירי תדר, ואף מעט גבוהה יותר מזו של ממירי תדר. לכן, שגוי לטעון ששימוש במנועים אסינכרוניים AC ובממירי תדר חוסך יותר חשמל מאשר שימוש במנועי DC ובבקרי DC, הן תיאורטית והן מבחינה מעשית.
תפיסה מוטעית 2: בחירת ההספק של ממיר התדרים מבוססת על ההספק המדורג של המנוע.
בהשוואה למנועים חשמליים, מחירם של ממירי תדר יקר יחסית, ולכן חשוב מאוד להפחית באופן סביר את קיבולת ממירי התדר תוך הבטחת פעולה בטוחה ואמינה.
ההספק של ממיר תדרים מתייחס להספק של מנוע אסינכרוני AC בעל 4 קוטבים שהוא מתאים עבורו.
עקב מספר הקטבים השונה של מנועים בעלי אותה קיבולת, הזרם המדורג של המנוע משתנה. ככל שמספר הקטבים במנוע עולה, כך גם הזרם המדורג של המנוע עולה. בחירת הקיבולת של ממיר התדר אינה יכולה להתבסס על ההספק המדורג של המנוע. יחד עם זאת, עבור פרויקטים של שיפוץ שלא השתמשו במקור בממירי תדר, בחירת הקיבולת של ממירי תדר אינה יכולה להתבסס על הזרם המדורג של המנוע. הסיבה לכך היא שבחירת הקיבולת של המנוע החשמלי צריכה להתחשב בגורמים כגון עומס מרבי, מקדם עודף ומפרטי המנוע. לעתים קרובות, העודף גדול, ומנועים תעשייתיים פועלים לעתים קרובות ב-50% עד 60% מהעומס המדורג. אם קיבולת ממיר התדר נבחרת על סמך הזרם המדורג של המנוע, נותר מרווח גדול מדי, מה שגורם לבזבוז כלכלי, והאמינות אינה משתפרת כתוצאה מכך.
עבור מנועי כלוב סנאי, בחירת הקיבולת של ממיר התדר צריכה להתבסס על העיקרון שהזרם המדורג של ממיר התדר גדול או שווה ל-1.1 פעמים זרם הפעולה הרגיל המרבי של המנוע, מה שיכול למקסם את החיסכון בעלויות. עבור תנאים כגון התנעה בעומס כבד, סביבת טמפרטורה גבוהה, מנוע מלופף, מנוע סינכרוני וכו', יש להגדיל את הקיבולת של ממיר התדר בהתאם.
עבור תכנונים המשתמשים בממירי תדרים מלכתחילה, מובן לבחור את קיבולת ממיר התדרים בהתבסס על הזרם המדורג של המנוע. הסיבה לכך היא שלא ניתן לבחור את קיבולת ממיר התדרים בהתבסס על תנאי ההפעלה בפועל בשלב זה. כמובן, על מנת להפחית את ההשקעה, במקרים מסוימים, קיבולת ממיר התדרים עשויה להיות לא ודאית תחילה, ולאחר שהציוד פועל למשך זמן מה, ניתן לבחור אותה בהתבסס על הזרם בפועל.
במערכת הטחינה המשנית של טחנת מלט בקוטר 2.4 מטר × 13 מטר בחברת מלט מסוימת במונגוליה הפנימית, קיים בורר אבקה יעיל במיוחד N-1500 O-Sepa מתוצרת מקומית, המצויד במנוע חשמלי מדגם Y2-315M-4 בהספק של 132 קילוואט. עם זאת, נבחר ממיר תדרים מדגם FRN160-P9S-4E, המתאים למנועים בעלי 4 קטבים בהספק של 160 קילוואט. לאחר הפעלתו, תדר העבודה המרבי הוא 48 הרץ, והזרם הוא רק 180 אמפר, שהם פחות מ-70% מהזרם המדורג של המנוע. למנוע עצמו יש עודף קיבולת ניכר. והמפרטים של ממיר התדרים גדולים ברמה אחת מאלה של מנוע ההנעה, מה שגורם לבזבוז מיותר ואינו משפר את האמינות.
מערכת ההזנה של מגרסה מספר 3 לאבן גיר במפעל המלט אנחוי צ'אוהו מאמצת מזין לוחות בגודל 1500 × 12000, ומנוע ההנעה משתמש במנוע AC Y225M-4 בעל הספק מדורג של 45 קילוואט וזרם מדורג של 84.6 אמפר. לפני טרנספורמציה של ויסות מהירות המרת התדר, נמצא באמצעות בדיקות שכאשר מזין הלוחות מניע את המנוע כרגיל, הזרם התלת-פאזי הממוצע הוא רק 30 אמפר, שהם רק 35.5% מהזרם המדורג של המנוע. על מנת לחסוך בהשקעה, נבחר ממיר תדרים ACS601-0060-3, בעל זרם יציאה מדורג של 76 אמפר ומתאים למנועים בעלי 4 קוטבים בעלי הספק של 37 קילוואט, ומשיג ביצועים טובים.
שתי דוגמאות אלו ממחישות כי עבור פרויקטים של שיפוץ שלא השתמשו במקור בממירי תדר, בחירת קיבולת ממיר התדר על סמך תנאי הפעלה בפועל יכולה להפחית משמעותית את ההשקעה.
תפיסה מוטעית 3: מנועים ג'נרל יכולים לפעול רק במהירות מופחתת באמצעות ממירי תדר מתחת למהירות ההעברה המדורגת שלהם.
התיאוריה הקלאסית גורסת כי הגבול העליון של התדר של מנוע אוניברסלי הוא 55 הרץ. הסיבה לכך היא שכאשר יש צורך לכוונן את מהירות המנוע מעל למהירות המדורגת לצורך פעולה, תדר הסטטור יעלה מעל התדר המדורג (50 הרץ). בנקודה זו, אם עדיין מתבצע הבקרה לפי עקרון המומנט הקבוע, מתח הסטטור יעלה מעבר למתח המדורג. לכן, כאשר טווח המהירות גבוה מהמהירות המדורגת, יש לשמור על מתח הסטטור קבוע במתח המדורג. בנקודה זו, ככל שהמהירות/תדר עולים, השטף המגנטי יקטן, וכתוצאה מכך יתרחש ירידה במומנט באותו זרם סטטור, ריכוך המאפיינים המכניים והפחתה משמעותית בקיבולת עומס יתר של המנוע.
מכאן ניתן לראות כי הגבול העליון של התדר של מנוע אוניברסלי הוא 55 הרץ, וזהו תנאי מוקדם:
1. מתח הסטטור אינו יכול לעלות על המתח המדורג;
2. המנוע פועל בהספק המדורג;
3. עומס מומנט קבוע.
במצב הנ"ל, תיאוריה וניסויים הוכיחו שאם התדר עולה על 55 הרץ, מומנט המנוע יקטן, המאפיינים המכניים יהפכו רכים יותר, קיבולת העומס תרד, צריכת הברזל תגדל במהירות והחימום יהיה חמור.
המחבר סבור שתנאי ההפעלה בפועל של מנועים חשמליים מצביעים על כך שניתן להאיץ מנועים לשימוש כללי באמצעות ממירי תדר. האם ניתן להגביר את המהירות בתדר משתנה? בכמה ניתן להגביר אותה? זה נקבע בעיקר על ידי העומס הנגרר על ידי המנוע החשמלי. ראשית, יש צורך לקבוע מהו קצב העומס? שנית, יש צורך להבין את מאפייני העומס ולבצע חישובים המבוססים על המצב הספציפי של העומס. ניתוח קצר הוא כדלקמן:
1. למעשה, עבור מנוע אוניברסלי של 380 וולט, ניתן להפעיל אותו למשך זמן רב כאשר מתח הסטטור עולה על 10% מהמתח המדורג, מבלי לפגוע בבידוד ובאורך החיים של המנוע. מתח הסטטור עולה, המומנט עולה משמעותית, זרם הסטטור יורד וטמפרטורת הסליל יורדת.
2. קצב העומס של המנוע החשמלי הוא בדרך כלל 50% עד 60%
באופן כללי, מנועים תעשייתיים פועלים ב-50% עד 60% מההספק המדורג שלהם. לפי חישוב, כאשר הספק המוצא של המנוע הוא 70% מההספק המדורג ומתח הסטטור עולה ב-7%, זרם הסטטור יורד ב-26.4%. בשלב זה, אפילו עם בקרת מומנט קבועה ושימוש בממיר תדר להגדלת מהירות המנוע ב-20%, זרם הסטטור לא רק שאינו עולה אלא גם יורד. למרות שאובדן הברזל של המנוע עולה בחדות לאחר העלאת התדר, החום הנוצר על ידו זניח בהשוואה לחום המופחת עקב ירידה בזרם הסטטור. לכן, גם טמפרטורת סליל המנוע תרד משמעותית.
3. ישנם מאפייני עומס שונים
מערכת ההנעה של המנוע החשמלי משרתת את העומס, ולעומסים שונים יש מאפיינים מכניים שונים. מנועים חשמליים חייבים לעמוד בדרישות המאפיינים המכניים של העומס לאחר האצה. על פי חישובים, תדר הפעולה המרבי המותר (fmax) עבור עומסי מומנט קבוע בקצבי עומס שונים (k) הוא ביחס הפוך לקצב העומס, כלומר fmax=fe/k, כאשר fe הוא תדר ההספק המדורג. עבור עומסי הספק קבועים, תדר הפעולה המרבי המותר של מנועים כלליים מוגבל בעיקר על ידי החוזק המכני של רוטור המנוע והציר. המחבר סבור שבדרך כלל מומלץ להגביל אותו לטווח של 100 הרץ.
דוגמת יישום:
למסוע דלי השרשרת במפעל מסוים יש עומס מומנט קבוע, ובשל העלייה בייצור, יש להגדיל את מהירות המנוע שלו ב-20%. דגם המנוע הוא Y180L-6, עם הספק מדורג של 15 קילוואט, מתח מדורג של 380 וולט, זרם מדורג של 31.6 אמפר, מהירות מדורג של 980 סל"ד, יעילות של 89.5%, מקדם הספק של 0.81, זרם פעולה של 18-20 אמפר, הספק פעולה מרבי של 7.5 קילוואט בתנאים רגילים וקצב עומס של 50%. לאחר התקנת ממיר התדר CIMR-G5A4015, תדר הפעולה הוא 60 הרץ, המהירות מוגברת ב-20%, מתח המוצא המרבי של ממיר התדר מוגדר ל-410 וולט, זרם הפעולה של המנוע הוא 12-15 אמפר, יורד בכ-30%, וטמפרטורת סליל המנוע יורדת משמעותית.
תפיסה מוטעית 4: הזנחת המאפיינים הטבועים בממירי תדר
עבודת ניפוי השגיאות של ממיר התדרים מבוצעת בדרך כלל על ידי המפיץ, ולא יהיו בעיות. התקנת ממיר תדרים היא פשוטה יחסית ובדרך כלל מבוצעת על ידי המשתמש. חלק מהמשתמשים אינם קוראים בעיון את מדריך המשתמש של ממיר התדרים, אינם מקפידים על הדרישות הטכניות לבנייה, מתעלמים ממאפייני ממיר התדרים עצמו, משווים אותו לרכיבים חשמליים כלליים, ופועלים על סמך הנחות וניסיון, תוך הצבת סכנות נסתרות לתקלות ותאונות.
על פי מדריך המשתמש של ממיר התדר, הכבל המחובר למנוע צריך להיות כבל מוגן או כבל משוריין, רצוי להניח בצינור מתכת. קצוות הכבל החתוך צריכים להיות מסודרים ככל האפשר, החלקים הלא מוגנים צריכים להיות קצרים ככל האפשר, ואורך הכבל לא יעלה על מרחק מסוים (בדרך כלל 50 מטר). כאשר מרחק החיווט בין ממיר התדר למנוע ארוך, זרם הדליפה ההרמוני הגבוה מהכבל ישפיע לרעה על ממיר התדר והציוד הסובב אותו. חוט ההארקה המוחזר מהמנוע הנשלט על ידי ממיר התדר צריך להיות מחובר ישירות להדק ההארקה המתאים של ממיר התדר. חוט ההארקה של ממיר התדר לא צריך להיות משותף עם מכונות ריתוך וציוד חשמל, ועליו להיות קצר ככל האפשר. עקב זרם הדליפה שנוצר על ידי ממיר התדר, אם הוא רחוק מדי מנקודת ההארקה, הפוטנציאל של הדק ההארקה יהיה לא יציב. שטח החתך המינימלי של חוט ההארקה של ממיר התדר חייב להיות גדול או שווה לשטח החתך של כבל אספקת החשמל. כדי למנוע פעולה שגויה הנגרמת מהפרעות, כבלי הבקרה צריכים להשתמש בחוטים מסוככים מפותלים או בחוטים מסוככים כפולים. במקביל, יש להיזהר שלא לגעת בכבל הרשת המסוכך בקווי איתות אחרים ובמעטפות הציוד, ולעטוף אותו בסרט בידוד. כדי להימנע מרעש, אורך כבל הבקרה לא יעלה על 50 מטר. יש להניח את כבל הבקרה וכבל המנוע בנפרד, באמצעות מגשי כבלים נפרדים, ולהרחיקם ככל האפשר. כאשר השניים חייבים להצטלב, יש לחצות אותם אנכית. לעולם אין להניח אותם באותו צינור או מגש כבלים. עם זאת, חלק מהמשתמשים לא עמדו בקפדנות בדרישות הנ"ל בעת הנחת כבלים, מה שגרם לציוד לפעול כרגיל במהלך ניפוי שגיאות בנפרד אך לגרום להפרעות חמורות במהלך ייצור רגיל, מה שגרם לו לא לפעול.
אם מד טמפרטורת האוויר המשני של מפעל מלט מראה לפתע קריאות חריגות: הערך המוצג נמוך משמעותית ומשתנה מאוד. הוא פעל היטב בעבר. נבדקו תרמו-צמדים, משדרי טמפרטורה ומכשירים משניים, ולא נמצאו בעיות. מה הרלוונטי? כאשר המכשיר הועבר לנקודת מדידה אחרת, הוא פעל כרגיל לחלוטין. עם זאת, כאשר הוחלפו מכשירים דומים מנקודות מדידה אחרות כאן, אותה תופעה התרחשה גם כן. מאוחר יותר, התגלה כי ממיר תדר חדש הותקן על מנוע מאוורר הקירור מספר 3 במקרר הסורג, ורק לאחר שהממיר נכנס לשימוש, מד טמפרטורת האוויר המשני הראה קריאות חריגות. יש לעצור את ממיר התדר ולהחזיר מיד את מד טמפרטורת האוויר המשני למצב רגיל; לאחר הפעלה מחדש של ממיר התדר, מד טמפרטורת האוויר המשני הראה שוב קריאות חריגות. לאחר בדיקות חוזרות ונשנות מספר פעמים, נקבע כי ההפרעה מממיר התדר הייתה הגורם הישיר לתצוגה החריגה במד טמפרטורת האוויר המשני. המאוורר הוא מאוורר צנטריפוגלי, שבמקור השתמש בשסתומים כדי לכוון את נפח האוויר, אך מאוחר יותר עבר לוויסות מהירות תדר משתנה כדי לכוון את נפח האוויר. עקב כמות האבק הרבה והסביבה הקשה באתר, ממיר התדרים מותקן בחדר הבקרה MCC (מרכז בקרת המנוע). לנוחות הבנייה, ממיר התדרים מחובר לצד התחתון של המגע הראשי של המאוורר, וכבל המוצא של ממיר התדרים משתמש בכבל החשמל של מנוע המאוורר. כבל החשמל של מנוע המאוורר הוא כבל מבודד PVC עם בטנה משוריין שאינה מפלדה, והוא מונח במקביל לכבל האות של מד טמפרטורת האוויר המשני בשכבות גשר שונות של אותה תעלת כבלים. ניתן לראות שדווקא מכיוון שכבל המוצא של ממיר התדרים אינו משתמש בכבלים משורינים או מונח דרך צינורות ברזל, מתרחשות תופעות הפרעות. יש להקדיש תשומת לב מיוחדת לשיעור זה לפרויקטים של שיפוץ שלא השתמשו במקור בממירי תדרים.
יש לנקוט משנה זהירות גם בתחזוקה היומית של ממירי תדר. חלק מהחשמלאים מפעילים מיד את ממיר התדר לצורך תחזוקה ברגע שהם מזהים תקלה ומפעילים אותו. זה מסוכן מאוד ועלול לגרום לתאונות התחשמלות אישיות. הסיבה לכך היא שגם אם ממיר התדר אינו פועל או שאספקת החשמל נותקה, עדיין עשוי להיות מתח על קו קלט החשמל, מסוף DC ומסוף המנוע של ממיר התדר עקב נוכחות קבלים. לאחר ניתוק המתג, יש צורך להמתין מספר דקות עד שממיר התדר יתפרק לחלוטין לפני תחילת העבודה. חלק מהחשמלאים רגילים לבצע מיד בדיקות בידוד על המנוע המונע על ידי מערכת הנעת התדר המשתנה באמצעות שולחן ניעור כאשר הם מבחינים בכישלון המערכת, על מנת לקבוע האם המנוע נשרף. גם זה מסוכן מאוד, מכיוון שזה יכול בקלות לגרום לשריפת ממיר התדר. לכן, לפני ניתוק הכבל בין המנוע לממיר התדר, אין לבצע בדיקת בידוד על המנוע, וגם לא על הכבל שכבר מחובר לממיר התדר.