تامینکنندگان دستگاههای بازخورد انرژی برای مبدلهای فرکانس به شما یادآوری میکنند که در صنعت مدرن، موتورها نوعی تجهیزات برق با مصرف انرژی بالا با طیف وسیعی از کاربردها هستند. طبق آمار، کل ظرفیت نصبشده چین حدود ۴۰۰ میلیون کیلووات است که مصرف برق سالانه آن حدود ۶۰۰ میلیارد کیلووات ساعت است که ۷۰ تا ۸۰ درصد از مصرف برق صنعتی را تشکیل میدهد. چین عمدتاً به موتورهای کوچک و متوسط متکی است و حدود ۸۰ درصد از آن را تشکیل میدهد، در حالی که میزان برق مصرفی موتورهای کوچک و متوسط ۹۰ درصد از کل تلفات را تشکیل میدهد. در کاربرد عملی موتورها در چین، شکاف قابل توجهی در مقایسه با کشورهای خارجی وجود دارد، به طوری که راندمان واحد ۷۵ درصد است که ۱۰ درصد کمتر از کشورهای خارجی است. راندمان عملیاتی سیستم ۳۰ تا ۴۰ درصد است که ۲۰ تا ۳۰ درصد کمتر از سطح پیشرفته بینالمللی است. بنابراین، موتورهای کوچک و متوسط در چین پتانسیل صرفهجویی در انرژی زیادی دارند و ترویج صرفهجویی در مصرف انرژی موتور ضروری است.
موتورهای آسنکرون به دلیل ساختار ساده، تولید آسان، قیمت پایین، دوام، عملکرد قابل اعتماد و مناسب بودن برای محیطهای سخت، به طور گسترده در تولیدات صنعتی و کشاورزی مورد استفاده قرار گرفتهاند. به ویژه برای کشیدن پمپها و فنها در صنایع مختلف، کار صرفهجویی در مصرف انرژی موتورهای مخصوص کشیدن پمپها و فنها بسیار ارزشمند است.
با توسعه سریع علم و فناوری، به ویژه توسعه و کاربرد بالای فناوری الکترونیک قدرت، فناوری میکروالکترونیک و فناوری کنترل خودکار، اثر صرفهجویی در مصرف انرژی مبدلهای فرکانس اهمیت بیشتری پیدا کرده است. این مبدلها نه تنها میتوانند به تنظیم سرعت بدون پله دست یابند، بلکه میتوانند تحت بارهای مختلف با ویژگیهای دینامیکی خوب، به طور کارآمد عمل کنند و میتوانند به عملکرد بالا، قابلیت اطمینان بالا و کنترل خودکار با دقت بالا دست یابند. در مقایسه با سایر روشهای تنظیم سرعت مانند تنظیم سرعت کاهش ولتاژ، تنظیم سرعت تغییر قطب، تنظیم سرعت لغزش، تنظیم سرعت آبشاری AC و غیره، تنظیم سرعت فرکانس متغیر عملکرد پایدار، محدوده تنظیم سرعت گسترده و راندمان بالایی دارد. با توسعه نظریه کنترل مدرن و فناوری الکترونیک قدرت، فناوری تنظیم سرعت فرکانس متغیر AC به طور فزایندهای در حال کامل شدن است و به روند تنظیم سرعت موتور AC تبدیل شده است. دستگاههای کنترل سرعت فرکانس متغیر (VFD) به طور گسترده در حوزه صنعتی مورد استفاده قرار گرفتهاند.
استفاده از مبدلهای فرکانس برای انتقال سیگنال کنترل سرعت، سریع است، سیستم کنترل تأخیر زمانی کمی دارد، پاسخ حساس است، دقت کنترل سیستم تنظیم بالا است، استفاده از آن راحت است و منجر به بهبود خروجی تولید، تضمین کیفیت و کاهش هزینههای تولید میشود. بنابراین، استفاده از مبدلهای فرکانس محصولی محبوب برای صرفهجویی در مصرف انرژی و کاهش مصرف در کارخانهها و شرکتهای معدنی است.
دستگاه صرفهجویی در مصرف انرژی موتور فرکانس متغیر، نسل جدیدی از محصولات کنترلی مخصوص موتور است که انقلابی در این زمینه ایجاد کرده است. این دستگاه بر اساس فناوری کنترل دیجیتال ریزپردازنده، ولتاژ و جریان را در مهندسی عملکرد موتور از طریق نرمافزار کنترل بهینهسازی صرفهجویی در مصرف انرژی داخلی خود به صورت پویا تنظیم میکند. بدون تغییر سرعت موتور، تضمین میکند که گشتاور خروجی موتور با تقاضای بار به طور دقیق مطابقت داشته باشد و به طور موثر از اتلاف انرژی الکتریکی ناشی از خروجی بیش از حد موتور جلوگیری شود.
موتورهای AC در حال حاضر پرکاربردترین موتورها هستند و حدود ۸۵٪ از انواع موتورها را تشکیل میدهند. آنها از مزایای ساختار ساده، هزینه کم و عدم نیاز به تعمیر و نگهداری برخوردارند. با این حال، نقطه ضعف آنها دشواری تنظیم سرعت است که استفاده از آنها را در بسیاری از کاربردها محدود میکند یا برای دستیابی به تنظیم سرعت به وسایل مکانیکی نیاز دارد.
دو کاربرد معمول برای مبدلهای فرکانس از نظر نوع بار وجود دارد: ۱. کاربرد گشتاور ثابت؛ ۲. کاربرد گشتاور متغیر. از نظر اهداف کاربردی، اهداف اصلی عبارتند از: ۱. بهبود فرآیند، تضمین سرعت چرخش در طول فرآیند، سرعت چرخش تحت بارهای مختلف و موقعیتیابی دقیق. با عملکرد عالی تنظیم سرعت، میتواند بهرهوری را بهبود بخشد، کیفیت محصول را افزایش دهد، راحتی را بهبود بخشد، تجهیزات را منطقی کند، محیط را سازگار یا بهبود بخشد و غیره. ۲. هدف اصلی تحول صرفهجویی در انرژی، دستیابی به نتایج قابل توجه با کنترل سرعت فنها و پمپهایی است که نیاز به تنظیم جریان یا فشار دارند.
اصل تنظیم سرعت فرکانس متغیر
بارهای موتوری مانند فنها، پمپهای آب، کمپرسورهای هوا، پمپهای روغن هیدرولیک و پمپهای گردش خون، بخش عمدهای از تجهیزات مصرفکننده برق مورد استفاده در شرکتها را تشکیل میدهند. به دلیل محدودیتهای فنی، تقریباً تمام سیستمهای کنترل جریان، فشار یا حجم هوا برای چنین بارهایی، سیستمهای کنترلشده با شیر هستند که در آنها موتور با سرعت نامی حرکت میکند و سیستم جریان، فشار یا حجم هوای ثابتی را فراهم میکند. هنگامی که نیازهای عملیاتی تجهیزات تغییر میکند، جریان بار، فشار یا حجم هوا توسط شیرهای سرریز، شیرهای اطمینان یا تنظیمکنندههای تناسبی واقع در انتهای خروجی تنظیم میشود تا نیازهای متغیر شرایط عملیاتی تجهیزات را برآورده کند. پس از سرریز شدن شیر سرریز یا شیر کنترل تناسبی، مقدار زیادی انرژی آزاد میشود و این انرژی تلفشده در واقع بخشی از انرژی جذبشده توسط موتور از شبکه برق است که باعث اتلاف زیاد انرژی الکتریکی میشود. از ویژگیهای کاری این نوع بار، میتوان دریافت که توان موتور متناسب با مکعب سرعت و سرعت متناسب با فرکانس است. اگر حالت کار موتور را طوری تغییر دهیم که همیشه در فرکانس کاری نامی کار نکند، و در عوض از یک سیستم کنترل تنظیم فرکانس متغیر برای کنترل شروع، توقف و عملیات تنظیم استفاده کند، سرعت آن میتواند به طور مداوم در محدوده 0 تا 2900 دور در دقیقه قابل تنظیم باشد، یعنی سرعت جریان خروجی، فشار یا حجم هوا نیز میتواند به طور مداوم در محدوده 0 تا 100 درصد قابل تنظیم باشد تا به طور دقیق با نیازهای کاری بار مطابقت داشته باشد و به هدف صرفهجویی در مصرف انرژی و کاهش مصرف برسد.
سرعت موتور AC به شرح زیر است: n=60f(1-s)/p
در فرمول: n=سرعت موتور
F=فرکانس برق
P=تعداد قطبهای موتور
S=نرخ لغزش
همانطور که از معادله مشخص است، سرعت سنکرون n یک موتور AC مستقیماً با فرکانس توان f متناسب است. بنابراین، تغییر فرکانس توان میتواند سرعت موتور را تغییر داده و به هدف تنظیم سرعت دست یابد.
اصل تنظیم سرعت فرکانس متغیر برای صرفهجویی در انرژی
همانطور که از نامش پیداست، تنظیم سرعت فرکانس متغیر باعث صرفهجویی در مصرف برق میشود، تنها تنظیم سرعت فرکانس متغیر میتواند در مصرف برق صرفهجویی کند. در زیر تحلیلی از اصول صرفهجویی در مصرف انرژی برای دو کاربرد معمول بار ارائه شده است.
(1) کاربردهای بار گشتاور ثابت
بار گشتاور ثابت به این معنی است که صرف نظر از تغییرات سرعت، گشتاور بار ثابت میماند.
فرمول زیر: P=K * T * N
ضریب K
P=توان شفت
T=گشتاور بار
N=سرعت دورانی
از فرمول بالا میتوان دریافت که توان شفت با سرعت موتور نسبت مستقیم دارد. وقتی سرعت موتور با توجه به نیازهای فرآیند تنظیم شود، به طور طبیعی میتوان به نسبت متناظری از صرفهجویی در توان دست یافت.
(2) کاربردهای بار گشتاور متغیر
فنها و پمپهای گریز از مرکز جزو بارهای گشتاور متغیر معمولی هستند و ویژگیهای کاری آنها عبارتند از: اکثر آنها برای مدت طولانی به طور مداوم کار میکنند. از آنجایی که گشتاور بار متناسب با مجذور سرعت است، هنگامی که سرعت از سرعت نامی بیشتر شود، باعث اضافه بار جدی موتور میشود. بنابراین، فنها و پمپها معمولاً فراتر از فرکانس نامی کار نمیکنند.