اگر دو موتور یکسان با فرکانس برق ۵۰ هرتز کار کنند، یکی از مبدل فرکانس استفاده میکند و دیگری نمیکند، و سرعت و گشتاور هر دو در حالت نامی موتور هستند، آیا مبدل فرکانس میتواند در مصرف برق صرفهجویی کند؟ چقدر میتوان صرفهجویی کرد؟
پاسخ: در این حالت، مبدل فرکانس فقط میتواند ضریب توان را بهبود بخشد و نمیتواند در مصرف برق صرفهجویی کند.
۱. تبدیل فرکانس نمیتواند در همه جا باعث صرفهجویی در مصرف برق شود، و موارد بسیاری وجود دارد که تبدیل فرکانس لزوماً منجر به صرفهجویی در مصرف برق نمیشود.
۲. به عنوان یک مدار الکترونیکی، خود مبدل فرکانس نیز برق مصرف میکند (حدود ۲ تا ۵ درصد از توان نامی)
۳. این یک واقعیت است که مبدلهای فرکانس در فرکانس قدرت کار میکنند و دارای عملکردهای صرفهجویی در انرژی هستند. اما پیشنیاز او این است:
اولاً، خود دستگاه دارای عملکرد صرفهجویی در مصرف انرژی (پشتیبانی نرمافزاری) است که با الزامات کل سیستم یا فرآیند مطابقت دارد.
ثانیاً، عملکرد مداوم طولانی مدت.
گذشته از این، فرقی نمیکند که در مصرف برق صرفهجویی کند یا نه، بیمعنی است. اگر گفته شود که مبدل فرکانس بدون هیچ پیششرطی در مصرف انرژی صرفهجویی میکند، این یک اغراق یا گمانهزنی تجاری است. با دانستن کل داستان، شما هوشمندانه از آن برای خدمت به خود استفاده خواهید کرد. حتماً به شرایط و موقعیت استفاده توجه کنید تا آن را به درستی اعمال کنید، در غیر این صورت پیروی کورکورانه، باور آسان و فریب خوردن خواهد بود.
ما اغلب هنگام استفاده از مبدلهای فرکانس، تصورات غلط زیر را داریم:
تصور غلط ۱: استفاده از مبدل فرکانس میتواند در مصرف برق صرفهجویی کند
برخی از منابع ادعا میکنند که مبدلهای فرکانس، محصولات کنترلی صرفهجویی در انرژی هستند و این تصور را ایجاد میکنند که استفاده از مبدلهای فرکانس میتواند در مصرف برق صرفهجویی کند.
در واقع، دلیل اینکه مبدلهای فرکانس میتوانند در مصرف برق صرفهجویی کنند این است که میتوانند سرعت موتورهای الکتریکی را تنظیم کنند. اگر مبدلهای فرکانس محصولات کنترل صرفهجویی در مصرف انرژی باشند، پس تمام تجهیزات کنترل سرعت را نیز میتوان محصولات کنترل صرفهجویی در مصرف انرژی در نظر گرفت. مبدل فرکانس فقط کمی کارآمدتر و ضریب توان بیشتری نسبت به سایر دستگاههای کنترل سرعت دارد.
اینکه آیا یک مبدل فرکانس میتواند به صرفهجویی در مصرف برق دست یابد یا خیر، توسط ویژگیهای تنظیم سرعت بار آن تعیین میشود. برای بارهایی مانند فنهای سانتریفیوژ و پمپهای سانتریفیوژ، گشتاور متناسب با مربع سرعت و توان متناسب با مکعب سرعت است. تا زمانی که از جریان کنترل شیر اصلی استفاده میشود و با بار کامل کار نمیکند، تغییر به عملکرد تنظیم سرعت میتواند به صرفهجویی در مصرف انرژی منجر شود. هنگامی که سرعت به 80٪ مقدار اولیه کاهش مییابد، توان تنها 51.2٪ مقدار اولیه است. میتوان مشاهده کرد که استفاده از مبدلهای فرکانس در چنین بارهایی، مهمترین اثر صرفهجویی در مصرف انرژی را دارد. برای بارهایی مانند دمندههای روتس، گشتاور مستقل از سرعت است، یعنی بار گشتاور ثابت است. اگر روش اصلی استفاده از شیر تخلیه برای آزاد کردن حجم هوای اضافی برای تنظیم حجم هوا به عملکرد تنظیم سرعت تغییر یابد، میتواند به صرفهجویی در مصرف انرژی نیز دست یابد. هنگامی که سرعت به 80٪ مقدار اولیه خود کاهش مییابد، توان به 80٪ مقدار اولیه خود میرسد. اثر صرفهجویی در مصرف انرژی بسیار کمتر از کاربردها در فنهای سانتریفیوژ و پمپهای سانتریفیوژ است. برای بارهای با توان ثابت، توان مستقل از سرعت است. یک بار با توان ثابت در یک کارخانه سیمان، مانند ترازوی تسمه بچینگ، در شرایط جریان خاص، وقتی لایه مواد ضخیم باشد، سرعت تسمه را کاهش میدهد؛ وقتی لایه مواد نازک باشد، سرعت تسمه افزایش مییابد. استفاده از مبدلهای فرکانس در چنین بارهایی نمیتواند در مصرف برق صرفهجویی کند.
در مقایسه با سیستمهای کنترل سرعت DC، موتورهای DC راندمان و ضریب توان بالاتری نسبت به موتورهای AC دارند. راندمان کنترلکنندههای سرعت DC دیجیتال با راندمان مبدلهای فرکانس قابل مقایسه است و حتی کمی بیشتر از مبدلهای فرکانس است. بنابراین، این ادعا که استفاده از موتورهای آسنکرون AC و مبدلهای فرکانس، چه از نظر تئوری و چه از نظر عملی، برق بیشتری نسبت به استفاده از موتورهای DC و کنترلکنندههای DC صرفهجویی میکند، نادرست است.
تصور غلط ۲: انتخاب ظرفیت مبدل فرکانس بر اساس توان نامی موتور است
در مقایسه با موتورهای الکتریکی، قیمت مبدلهای فرکانس نسبتاً گران است، بنابراین کاهش منطقی ظرفیت مبدلهای فرکانس ضمن تضمین عملکرد ایمن و قابل اعتماد، بسیار معنادار است.
توان یک مبدل فرکانس به توان موتور آسنکرون AC چهار قطبی که برای آن مناسب است، اشاره دارد.
با توجه به تعداد قطبهای متفاوت موتورهایی با ظرفیت یکسان، جریان نامی موتور نیز تغییر میکند. با افزایش تعداد قطبهای موتور، جریان نامی موتور نیز افزایش مییابد. انتخاب ظرفیت مبدل فرکانس نمیتواند بر اساس توان نامی موتور باشد. در عین حال، برای پروژههای نوسازی که در ابتدا از مبدلهای فرکانس استفاده نمیکردند، انتخاب ظرفیت مبدلهای فرکانس نمیتواند بر اساس جریان نامی موتور باشد. دلیل این امر این است که انتخاب ظرفیت موتور الکتریکی باید عواملی مانند حداکثر بار، ضریب مازاد و مشخصات موتور را در نظر بگیرد. اغلب، مازاد زیاد است و موتورهای صنعتی اغلب با 50 تا 60 درصد بار نامی کار میکنند. اگر ظرفیت مبدل فرکانس بر اساس جریان نامی موتور انتخاب شود، حاشیه سود زیادی باقی میماند که منجر به اتلاف اقتصادی میشود و در نتیجه قابلیت اطمینان بهبود نمییابد.
برای موتورهای قفس سنجابی، انتخاب ظرفیت مبدل فرکانس باید بر اساس این اصل باشد که جریان نامی مبدل فرکانس بزرگتر یا مساوی 1.1 برابر حداکثر جریان کارکرد عادی موتور باشد، که میتواند صرفهجویی در هزینه را به حداکثر برساند. برای شرایطی مانند راهاندازی با بار سنگین، محیط با دمای بالا، موتور سیمپیچی شده، موتور سنکرون و غیره، ظرفیت مبدل فرکانس باید به طور مناسب افزایش یابد.
برای طرحهایی که از ابتدا از مبدلهای فرکانس استفاده میکنند، انتخاب ظرفیت مبدل فرکانس بر اساس جریان نامی موتور قابل درک است. دلیل این امر این است که در حال حاضر نمیتوان ظرفیت مبدل فرکانس را بر اساس شرایط عملیاتی واقعی انتخاب کرد. البته، برای کاهش سرمایهگذاری، در برخی موارد، ظرفیت مبدل فرکانس میتواند ابتدا نامشخص باشد و پس از مدتی که تجهیزات کار کردهاند، میتوان آن را بر اساس جریان واقعی انتخاب کرد.
در سیستم آسیاب ثانویه یک آسیاب سیمان با قطر 2.4 متر × 13 متر در یک شرکت سیمان خاص در مغولستان داخلی، یک انتخابگر پودر با راندمان بالای N-1500 O-Sepa تولید داخل وجود دارد که مجهز به یک موتور الکتریکی مدل Y2-315M-4 با قدرت 132 کیلووات است. با این حال، مبدل فرکانس FRN160-P9S-4E انتخاب شده است که برای موتورهای 4 قطبی با قدرت 160 کیلووات مناسب است. پس از راهاندازی، حداکثر فرکانس کار 48 هرتز و جریان فقط 180 آمپر است که کمتر از 70٪ جریان نامی موتور است. خود موتور ظرفیت مازاد قابل توجهی دارد. و مشخصات مبدل فرکانس یک سطح بزرگتر از مشخصات موتور محرک است که باعث اتلاف غیرضروری میشود و قابلیت اطمینان را بهبود نمیبخشد.
سیستم تغذیه سنگ شکن سنگ آهک شماره ۳ در کارخانه سیمان آنهویی چائوهو از یک تغذیه کننده صفحه ای ۱۵۰۰ × ۱۲۰۰۰ استفاده می کند و موتور محرک از یک موتور AC Y225M-4 با توان نامی ۴۵ کیلووات و جریان نامی ۸۴.۶ آمپر استفاده می کند. قبل از تبدیل تنظیم سرعت تبدیل فرکانس، از طریق آزمایش مشخص شد که وقتی تغذیه کننده صفحه ای موتور را به طور عادی هدایت می کند، جریان سه فاز متوسط فقط ۳۰ آمپر است که تنها ۳۵.۵٪ از جریان نامی موتور است. به منظور صرفه جویی در سرمایه گذاری، مبدل فرکانس ACS601-0060-3 انتخاب شد که دارای جریان خروجی نامی ۷۶ آمپر است و برای موتورهای ۴ قطبی با توان ۳۷ کیلووات مناسب است و عملکرد خوبی را ارائه می دهد.
این دو مثال نشان میدهند که برای پروژههای نوسازی که در ابتدا از مبدلهای فرکانس استفاده نمیکردند، انتخاب ظرفیت مبدل فرکانس بر اساس شرایط عملیاتی واقعی میتواند سرمایهگذاری را به میزان قابل توجهی کاهش دهد.
تصور غلط ۳: موتورهای عمومی فقط میتوانند با استفاده از مبدلهای فرکانس پایینتر از سرعت انتقال نامی خود، با سرعت کاهشیافته کار کنند
نظریه کلاسیک معتقد است که حد بالای فرکانس یک موتور یونیورسال ۵۵ هرتز است. دلیل این امر این است که وقتی سرعت موتور برای کار نیاز به تنظیم بالاتر از سرعت نامی دارد، فرکانس استاتور بالاتر از فرکانس نامی (۵۰ هرتز) افزایش مییابد. در این مرحله، اگر اصل گشتاور ثابت برای کنترل همچنان رعایت شود، ولتاژ استاتور فراتر از ولتاژ نامی افزایش مییابد. بنابراین، هنگامی که محدوده سرعت بالاتر از سرعت نامی است، ولتاژ استاتور باید در ولتاژ نامی ثابت نگه داشته شود. در این مرحله، با افزایش سرعت/فرکانس، شار مغناطیسی کاهش مییابد و در نتیجه گشتاور در همان جریان استاتور کاهش مییابد، ویژگیهای مکانیکی نرمتر میشود و ظرفیت اضافه بار موتور به طور قابل توجهی کاهش مییابد.
از این رو، میتوان دریافت که حد بالای فرکانس یک موتور یونیورسال ۵۵ هرتز است که یک پیشنیاز است:
۱. ولتاژ استاتور نمیتواند از ولتاژ نامی تجاوز کند؛
۲. موتور با توان نامی کار میکند؛
۳. بار گشتاور ثابت.
در شرایط فوق، تئوری و آزمایشها ثابت کردهاند که اگر فرکانس از ۵۵ هرتز بیشتر شود، گشتاور موتور کاهش مییابد، ویژگیهای مکانیکی نرمتر میشوند، ظرفیت اضافه بار کاهش مییابد، مصرف آهن به سرعت افزایش مییابد و گرمایش شدید میشود.
نویسنده معتقد است که شرایط عملیاتی واقعی موتورهای الکتریکی نشان میدهد که موتورهای عمومی را میتوان از طریق مبدلهای فرکانس شتاب داد. آیا سرعت فرکانس متغیر را میتوان افزایش داد؟ چقدر میتوان آن را افزایش داد؟ این امر عمدتاً توسط بار کشیده شده توسط موتور الکتریکی تعیین میشود. اولاً، لازم است میزان بار تعیین شود؟ ثانیاً، لازم است ویژگیهای بار را درک کرده و بر اساس وضعیت خاص بار محاسبات انجام شود. تجزیه و تحلیل مختصر به شرح زیر است:
۱. در واقع، برای یک موتور یونیورسال ۳۸۰ ولت، میتوان آن را برای مدت طولانی، زمانی که ولتاژ استاتور از ۱۰٪ ولتاژ نامی بیشتر میشود، بدون اینکه تاثیری بر عایقبندی و طول عمر موتور داشته باشد، به کار انداخت. ولتاژ استاتور افزایش مییابد، گشتاور به طور قابل توجهی افزایش مییابد، جریان استاتور کاهش مییابد و دمای سیمپیچ کاهش مییابد.
۲. میزان بار موتور الکتریکی معمولاً ۵۰٪ تا ۶۰٪ است
عموماً موتورهای صنعتی با ۵۰٪ تا ۶۰٪ توان نامی خود کار میکنند. طبق محاسبه، وقتی توان خروجی موتور ۷۰٪ توان نامی است و ولتاژ استاتور ۷٪ افزایش مییابد، جریان استاتور ۲۶.۴٪ کاهش مییابد. در این زمان، حتی با کنترل گشتاور ثابت و استفاده از مبدل فرکانس برای افزایش ۲۰٪ سرعت موتور، جریان استاتور نه تنها افزایش نمییابد، بلکه کاهش نیز مییابد. اگرچه تلفات آهن موتور پس از افزایش فرکانس به شدت افزایش مییابد، اما گرمای تولید شده توسط آن در مقایسه با گرمای کاهش یافته در اثر کاهش جریان استاتور ناچیز است. بنابراین، دمای سیمپیچ موتور نیز به طور قابل توجهی کاهش خواهد یافت.
۳. ویژگیهای بار مختلفی وجود دارد
سیستم درایو موتور الکتریکی، بار را تغذیه میکند و بارهای مختلف دارای ویژگیهای مکانیکی متفاوتی هستند. موتورهای الکتریکی باید الزامات ویژگیهای مکانیکی بار را پس از شتابگیری برآورده کنند. طبق محاسبات، حداکثر فرکانس کاری مجاز (fmax) برای بارهای گشتاور ثابت در نرخهای بار مختلف (k) با نرخ بار نسبت معکوس دارد، یعنی fmax=fe/k، که در آن fe فرکانس توان نامی است. برای بارهای با توان ثابت، حداکثر فرکانس کاری مجاز موتورهای عمومی عمدتاً توسط مقاومت مکانیکی روتور و شفت موتور محدود میشود. نویسنده معتقد است که به طور کلی توصیه میشود آن را در محدوده 100 هرتز محدود کنید.
مثال کاربردی:
نوار نقاله سطلی زنجیری در یک کارخانه خاص دارای بار گشتاور ثابت است و به دلیل افزایش تولید، سرعت موتور آن باید 20٪ افزایش یابد. مدل موتور Y180L-6 است که دارای توان نامی 15 کیلووات، ولتاژ نامی 380 ولت، جریان نامی 31.6 آمپر، سرعت نامی 980 دور در دقیقه، راندمان 89.5٪، ضریب توان 0.81، جریان کاری 18-20 آمپر، حداکثر توان کاری 7.5 کیلووات در شرایط عادی و نرخ بار 50٪ است. پس از نصب مبدل فرکانس CIMR-G5A4015، فرکانس کاری 60 هرتز، سرعت 20٪ افزایش یافته، حداکثر ولتاژ خروجی مبدل فرکانس روی 410 ولت تنظیم شده، جریان کاری موتور 12-15 آمپر است که حدود 30٪ کاهش مییابد و دمای سیمپیچ موتور به طور قابل توجهی کاهش مییابد.
تصور غلط ۴: نادیده گرفتن ویژگیهای ذاتی مبدلهای فرکانس
کار اشکالزدایی مبدل فرکانس معمولاً توسط توزیعکننده انجام میشود و مشکلی وجود نخواهد داشت. نصب مبدل فرکانس نسبتاً ساده است و معمولاً توسط کاربر انجام میشود. برخی از کاربران دفترچه راهنمای مبدل فرکانس را به دقت نمیخوانند، الزامات فنی ساخت را به طور دقیق رعایت نمیکنند، ویژگیهای خود مبدل فرکانس را نادیده میگیرند، آن را با اجزای الکتریکی عمومی برابر میدانند و بر اساس فرضیات و تجربه عمل میکنند و خطرات پنهانی برای نقصها و حوادث ایجاد میکنند.
طبق دفترچه راهنمای کاربر مبدل فرکانس، کابل متصل به موتور باید یک کابل محافظ یا کابل زرهی باشد که ترجیحاً در یک لوله فلزی قرار داده شده باشد. انتهای کابل بریده شده باید تا حد امکان مرتب باشد، بخشهای بدون محافظ باید تا حد امکان کوتاه باشند و طول کابل نباید از فاصله مشخصی (معمولاً 50 متر) تجاوز کند. هنگامی که فاصله سیمکشی بین مبدل فرکانس و موتور زیاد باشد، جریان نشتی هارمونیک بالا از کابل اثرات نامطلوبی بر مبدل فرکانس و تجهیزات اطراف آن خواهد داشت. سیم اتصال زمین برگشتی از موتور که توسط مبدل فرکانس کنترل میشود باید مستقیماً به ترمینال اتصال زمین مربوطه مبدل فرکانس متصل شود. سیم اتصال زمین مبدل فرکانس نباید با دستگاههای جوشکاری و تجهیزات برق مشترک باشد و باید تا حد امکان کوتاه باشد. به دلیل جریان نشتی تولید شده توسط مبدل فرکانس، اگر از نقطه اتصال زمین خیلی دور باشد، پتانسیل ترمینال اتصال زمین ناپایدار خواهد بود. حداقل سطح مقطع سیم اتصال زمین مبدل فرکانس باید بزرگتر یا مساوی سطح مقطع کابل منبع تغذیه باشد. برای جلوگیری از عملکرد نادرست ناشی از تداخل، کابلهای کنترل باید از سیمهای محافظ پیچخورده یا سیمهای محافظ دو رشتهای استفاده کنند. در عین حال، مراقب باشید که کابل شبکه محافظدار با سایر خطوط سیگنال و پوشش تجهیزات تماس پیدا نکند و آن را با نوار عایق بپیچید. برای جلوگیری از تأثیر نویز، طول کابل کنترل نباید از 50 متر تجاوز کند. کابل کنترل و کابل موتور باید جداگانه، با استفاده از سینیهای کابل جداگانه، قرار داده شوند و تا حد امکان از هم دور نگه داشته شوند. هنگامی که این دو باید از روی هم عبور کنند، باید به صورت عمودی از روی هم عبور کنند. هرگز آنها را در یک خط لوله یا سینی کابل قرار ندهید. با این حال، برخی از کاربران هنگام کابلکشی الزامات فوق را به طور دقیق رعایت نکردند، در نتیجه تجهیزات در حین اشکالزدایی جداگانه به طور عادی کار میکردند، اما در حین تولید عادی باعث تداخل جدی میشدند و آن را از کار میانداختند.
اگر گیج دمای هوای ثانویه یک کارخانه سیمان ناگهان مقادیر غیرطبیعی نشان دهد: مقدار نشان داده شده به طور قابل توجهی پایین است و نوسانات زیادی دارد. قبل از این خیلی خوب کار میکرده است. ترموکوپلها، فرستندههای دما و ابزارهای ثانویه بررسی شدند، هیچ مشکلی مشاهده نشد. موارد مرتبط چیست؟ وقتی ابزار به نقطه اندازهگیری دیگری منتقل شد، کاملاً عادی کار میکرد. با این حال، وقتی ابزارهای مشابه از سایر نقاط اندازهگیری در اینجا جایگزین شدند، همین پدیده نیز رخ داد. بعداً مشخص شد که یک مبدل فرکانس جدید روی موتور فن خنککننده شماره ۳ در کولر شبکه نصب شده است و تنها پس از استفاده از مبدل فرکانس بود که گیج دمای هوای ثانویه مقادیر غیرطبیعی را نشان داد. مبدل فرکانس را متوقف کنید و بلافاصله گیج دمای هوای ثانویه را به حالت عادی برگردانید. با راهاندازی مجدد مبدل فرکانس، گیج دمای هوای ثانویه دوباره مقادیر غیرطبیعی را نشان داد. پس از چندین بار آزمایش مکرر، مشخص شد که تداخل مبدل فرکانس علت مستقیم نمایش غیرعادی روی گیج دمای هوای ثانویه بوده است. این فن یک هواکش گریز از مرکز است که در ابتدا از شیرهایی برای تنظیم حجم هوا استفاده میکرد، اما بعداً برای تنظیم حجم هوا به تنظیم سرعت فرکانس متغیر تغییر یافت. با توجه به مقدار زیاد گرد و غبار و محیط خشن در محل، مبدل فرکانس در اتاق کنترل MCC (مرکز کنترل موتور) نصب شده است. برای راحتی ساخت، مبدل فرکانس به قسمت پایین کنتاکتور اصلی فن متصل شده است و کابل خروجی مبدل فرکانس از کابل برق موتور فن استفاده میکند. کابل برق موتور فن یک کابل با روکش زرهی غیر فولادی عایق PVC است و به موازات کابل سیگنال دماسنج ثانویه در لایههای مختلف پل همان ترانشه کابل قرار میگیرد. میتوان مشاهده کرد که دقیقاً به این دلیل که کابل خروجی مبدل فرکانس از کابلهای زرهی استفاده نمیکند یا از طریق لولههای آهنی عبور نمیکند، پدیده تداخل رخ میدهد. این درس باید به پروژههای نوسازی که در ابتدا از مبدلهای فرکانس استفاده نمیکردند، توجه ویژهای شود.
همچنین باید در نگهداری روزانه مبدلهای فرکانس دقت ویژهای به عمل آید. برخی از برقکاران به محض تشخیص خطا و قطع کردن آن، بلافاصله مبدل فرکانس را برای تعمیر و نگهداری روشن میکنند. این کار بسیار خطرناک است و ممکن است منجر به حوادث برقگرفتگی شخصی شود. دلیل این امر این است که حتی اگر مبدل فرکانس در حال کار نباشد یا منبع تغذیه قطع شده باشد، ممکن است به دلیل وجود خازنها، هنوز ولتاژ روی خط ورودی برق، ترمینال DC و ترمینال موتور مبدل فرکانس وجود داشته باشد. پس از قطع کردن سوئیچ، لازم است قبل از شروع کار، چند دقیقه صبر کنید تا مبدل فرکانس به طور کامل تخلیه شود. برخی از برقکاران عادت دارند که بلافاصله پس از مشاهده قطع سیستم، با استفاده از میز لرزان، آزمایش عایقبندی را روی موتوری که توسط سیستم درایو فرکانس متغیر هدایت میشود، انجام دهند تا مشخص شود که آیا موتور سوخته است یا خیر. این کار نیز بسیار خطرناک است، زیرا به راحتی میتواند باعث سوختن مبدل فرکانس شود. بنابراین، قبل از قطع کابل بین موتور و مبدل فرکانس، آزمایش عایقبندی نباید روی موتور و همچنین روی کابلی که از قبل به مبدل فرکانس متصل است، انجام شود.