Если два одинаковых двигателя работают на частоте 50 Гц, один из которых использует преобразователь частоты, а другой — нет, и скорость и крутящий момент соответствуют номинальным значениям двигателя, может ли преобразователь частоты сэкономить электроэнергию? Сколько можно сэкономить?
Ответ: В этом случае преобразователь частоты может только улучшить коэффициент мощности и не может экономить электроэнергию.
1. Преобразование частоты не может экономить электроэнергию везде, и существует множество случаев, когда преобразование частоты не обязательно экономит электроэнергию.
2. Будучи электронной схемой, преобразователь частоты сам по себе также потребляет мощность (около 2-5% от номинальной мощности).
3. Преобразователи частоты, как известно, работают на промышленной частоте и обладают энергосберегающими функциями. Но их условие:
Во-первых, само устройство имеет функцию энергосбережения (поддержка программного обеспечения), которая соответствует требованиям всей системы или процесса;
Во-вторых, длительная непрерывная эксплуатация.
К тому же, неважно, экономит ли он электроэнергию или нет, это бессмысленно. Если говорить, что преобразователь частоты работает энергосберегающим без каких-либо условий, это преувеличение или коммерческая спекуляция. Зная всё, вы будете умело использовать его себе на пользу. Обязательно учитывайте условия и условия эксплуатации, чтобы правильно применять его, иначе это будет слепым следованием, лёгкой верой и обманом.
При использовании преобразователей частоты часто возникают следующие заблуждения:
Заблуждение 1: Использование преобразователя частоты может сэкономить электроэнергию
В некоторых литературных источниках утверждается, что преобразователи частоты являются энергосберегающими средствами управления, создавая впечатление, что использование преобразователей частоты позволяет экономить электроэнергию.
Фактически, преобразователи частоты позволяют экономить электроэнергию, поскольку они способны регулировать скорость электродвигателей. Если преобразователи частоты являются энергосберегающими устройствами управления, то и всё оборудование для регулирования скорости также можно считать энергосберегающими. Преобразователь частоты лишь немного превосходит другие устройства регулирования скорости по эффективности и коэффициенту мощности.
Может ли преобразователь частоты достичь экономии энергии, определяется характеристиками регулирования скорости его нагрузки. Для таких нагрузок, как центробежные вентиляторы и центробежные насосы, крутящий момент пропорционален квадрату скорости, а мощность пропорциональна кубу скорости. Пока используется исходный расход управления клапаном и он не работает на полной нагрузке, переход к режиму регулирования скорости может обеспечить экономию энергии. Когда скорость падает до 80% от исходной, мощность составляет всего 51,2% от исходной. Можно видеть, что применение преобразователей частоты в таких нагрузках имеет наиболее значительный эффект экономии энергии. Для таких нагрузок, как воздуходувки Рутса, крутящий момент не зависит от скорости, т. е. нагрузка с постоянным крутящим моментом. Если исходный метод использования выпускного клапана для выпуска избыточного объема воздуха для регулировки объема воздуха изменить на режим регулирования скорости, он также может обеспечить экономию энергии. Когда скорость падает до 80% от исходного значения, мощность достигает 80% от исходного значения. Энергосберегающий эффект значительно меньше, чем при использовании в центробежных вентиляторах и центробежных насосах. При постоянной нагрузке мощность не зависит от скорости. Постоянная нагрузка на цементном заводе, например, весы для дозирования, снижает скорость ленты при толстом слое материала при определённых условиях расхода; при тонком слое материала скорость ленты увеличивается. Применение преобразователей частоты в таких условиях не позволяет экономить электроэнергию.
По сравнению с системами управления скоростью постоянного тока, двигатели постоянного тока обладают более высоким КПД и коэффициентом мощности, чем двигатели переменного тока. КПД цифровых регуляторов скорости постоянного тока сопоставим с КПД преобразователей частоты, а иногда даже несколько превышает его. Таким образом, утверждение о том, что использование асинхронных двигателей переменного тока и преобразователей частоты экономит больше электроэнергии, чем использование двигателей постоянного тока и регуляторов постоянного тока, неверно как с теоретической, так и с практической точки зрения.
Заблуждение 2: Выбор мощности преобразователя частоты зависит от номинальной мощности двигателя.
По сравнению с электродвигателями цена преобразователей частоты относительно высока, поэтому весьма целесообразно разумно снизить мощность преобразователей частоты, обеспечив при этом безопасную и надежную работу.
Мощность преобразователя частоты определяется мощностью 4-полюсного асинхронного двигателя переменного тока, для которого он подходит.
Из-за разного количества полюсов двигателей одинаковой мощности номинальный ток двигателя различается. С увеличением количества полюсов двигателя номинальный ток двигателя также увеличивается. Выбор мощности преобразователя частоты не может основываться на номинальной мощности двигателя. В то же время, для проектов реконструкции, в которых изначально не использовались преобразователи частоты, выбор мощности преобразователей частоты не может основываться на номинальном токе двигателя. Это связано с тем, что при выборе мощности электродвигателя следует учитывать такие факторы, как максимальная нагрузка, коэффициент избытка и технические характеристики двигателя. Зачастую избыток велик, и промышленные двигатели часто работают с нагрузкой от 50% до 60% от номинальной. Если мощность преобразователя частоты выбирается на основе номинального тока двигателя, остается слишком большой запас, что приводит к экономическим потерям, а надежность в результате не повышается.
Для двигателей с короткозамкнутым ротором выбор мощности преобразователя частоты следует осуществлять исходя из того, что номинальный ток преобразователя частоты должен быть не менее 1,1 от максимального рабочего тока двигателя, что может обеспечить максимальную экономию средств. В таких условиях, как пуск под большой нагрузкой, высокая температура окружающей среды, двигатель с обмотками возбуждения, синхронный двигатель и т. д., мощность преобразователя частоты следует соответствующим образом увеличить.
Для проектов, изначально использующих преобразователи частоты, вполне понятно, что мощность преобразователя частоты следует выбирать исходя из номинального тока двигателя. Это связано с тем, что мощность преобразователя частоты невозможно определить исходя из фактических условий эксплуатации в данный момент. Конечно, в некоторых случаях, чтобы сократить инвестиции, мощность преобразователя частоты может быть изначально не определена, а после определённого периода эксплуатации оборудования её можно выбрать, исходя из фактического тока.
В системе вторичного помола цементной мельницы диаметром 2,4 м × 13 м на одном цементном предприятии во Внутренней Монголии имеется один высокоэффективный порошковый селектор N-1500 O-Sepa отечественного производства, оснащенный электродвигателем модели Y2-315M-4 мощностью 132 кВт. Однако выбран преобразователь частоты FRN160-P9S-4E, который подходит для 4-полюсных двигателей мощностью 160 кВт. После ввода в эксплуатацию максимальная рабочая частота составляет 48 Гц, а ток - всего 180 А, что составляет менее 70% от номинального тока двигателя. Сам двигатель имеет значительный избыточный потенциал. А характеристики преобразователя частоты на одну ступень выше, чем у приводного двигателя, что приводит к ненужным потерям и не повышает надежность.
Система подачи известняковой дробилки № 3 на цементном заводе Аньхой Чаоху оснащена пластинчатым питателем 1500 × 12000, а приводной двигатель – двигателем переменного тока Y225M-4 номинальной мощностью 45 кВт и номинальным током 84,6 А. Перед преобразованием частоты в систему регулирования скорости в ходе испытаний было установлено, что при нормальном режиме работы пластинчатого питателя средний трехфазный ток составляет всего 30 А, что составляет всего 35,5% от номинального тока двигателя. В целях экономии инвестиций был выбран преобразователь частоты ACS601-0060-3 с номинальным выходным током 76 А, подходящий для четырехполюсных двигателей мощностью 37 кВт, что обеспечивает хорошую производительность.
Эти два примера иллюстрируют, что для проектов реконструкции, в которых изначально не использовались преобразователи частоты, выбор мощности преобразователя частоты на основе фактических условий эксплуатации может значительно сократить инвестиции.
Заблуждение 3: обычные двигатели могут работать только на пониженной скорости при использовании преобразователей частоты ниже номинальной скорости передачи.
Классическая теория утверждает, что верхний предел частоты универсального двигателя составляет 55 Гц. Это связано с тем, что при необходимости регулирования скорости двигателя выше номинальной для работы частота статора возрастает выше номинальной (50 Гц). В этом случае, если для управления по-прежнему применяется принцип постоянного крутящего момента, напряжение статора превысит номинальный уровень. Таким образом, когда диапазон скоростей превышает номинальную скорость, напряжение статора должно поддерживаться постоянным на уровне номинального напряжения. В этом случае, с ростом скорости/частоты, магнитный поток уменьшается, что приводит к снижению крутящего момента при том же токе статора, ухудшению механических характеристик и значительному снижению перегрузочной способности двигателя.
Отсюда видно, что верхний предел частоты универсального двигателя составляет 55 Гц, что является необходимым условием:
1. Напряжение статора не может превышать номинальное напряжение;
2. Двигатель работает на номинальной мощности;
3. Постоянная крутящая нагрузка.
В описанной выше ситуации теория и эксперименты доказали, что если частота превысит 55 Гц, крутящий момент двигателя уменьшится, механические характеристики станут мягче, перегрузочная способность снизится, расход железа быстро возрастет, а нагрев будет сильным.
Автор полагает, что реальные условия эксплуатации электродвигателей указывают на возможность ускорения двигателей общего назначения с помощью преобразователей частоты. Можно ли увеличить скорость вращения двигателя с переменной частотой? Насколько? Это в основном определяется нагрузкой, передаваемой электродвигателю. Во-первых, необходимо определить величину нагрузки. Во-вторых, необходимо понимать характеристики нагрузки и проводить расчёты, соответствующие конкретной ситуации. Краткий анализ выглядит следующим образом:
1. Фактически, универсальный двигатель 380 В может длительно работать при напряжении статора, превышающем 10% номинального, без ущерба для изоляции и срока службы двигателя. Напряжение статора увеличивается, крутящий момент значительно увеличивается, ток статора уменьшается, а температура обмотки снижается.
2. Коэффициент нагрузки электродвигателя обычно составляет 50–60%.
Как правило, промышленные двигатели работают на 50–60% от номинальной мощности. Расчёт показывает, что при выходной мощности двигателя 70% от номинальной и увеличении напряжения статора на 7% ток статора уменьшается на 26,4%. При этом, даже при постоянном регулировании крутящего момента и увеличении скорости двигателя на 20% с помощью преобразователя частоты, ток статора не только не увеличивается, но и уменьшается. Хотя потери в стали двигателя резко возрастают при увеличении частоты, выделяемое им тепло пренебрежимо мало по сравнению с теплом, уменьшающимся при уменьшении тока статора. Следовательно, температура обмотки двигателя также значительно снижается.
3. Существуют различные характеристики нагрузки.
Система электропривода обслуживает нагрузку, а различные нагрузки имеют различные механические характеристики. Электродвигатели должны соответствовать требованиям к механическим характеристикам нагрузки после разгона. Согласно расчётам, максимально допустимая рабочая частота (fmax) для нагрузок с постоянным крутящим моментом при различных скоростях нагрузки (k) обратно пропорциональна скорости нагрузки, то есть fmax = fэ/k, где fэ — номинальная частота сети. При нагрузках с постоянной мощностью максимально допустимая рабочая частота двигателей общего назначения ограничивается главным образом механической прочностью ротора и вала двигателя. Автор считает, что, как правило, целесообразно ограничивать её значением в пределах 100 Гц.
Пример применения:
Цепной ковшовый конвейер на определенном заводе имеет постоянную крутящую нагрузку, и в связи с увеличением производства скорость его двигателя необходимо увеличить на 20%. Модель двигателя - Y180L-6, номинальная мощность 15 кВт, номинальное напряжение 380 В, номинальный ток 31,6 А, номинальная скорость 980 об/мин, КПД 89,5%, коэффициент мощности 0,81, рабочий ток 18-20 А, максимальная рабочая мощность 7,5 кВт при нормальных условиях и скорость нагрузки 50%. После установки преобразователя частоты CIMR-G5A4015 рабочая частота составляет 60 Гц, скорость увеличивается на 20%, максимальное выходное напряжение преобразователя частоты устанавливается на 410 В, рабочий ток двигателя составляет 12-15 А, что снижает примерно на 30%, а температура обмотки двигателя значительно снижается.
Заблуждение 4: Пренебрежение собственными характеристиками преобразователей частоты
Наладка преобразователя частоты обычно выполняется дистрибьютором, и проблем не возникает. Установка преобразователя частоты относительно проста и обычно выполняется пользователем. Некоторые пользователи невнимательно читают руководство пользователя преобразователя частоты, не соблюдают строго технические требования к конструкции, игнорируют характеристики самого преобразователя частоты, приравнивают его к обычным электрическим компонентам и действуют, основываясь на предположениях и опыте, что создает скрытые риски неисправностей и аварий.
Согласно руководству пользователя преобразователя частоты, кабель, подключаемый к двигателю, должен быть экранированным или бронированным, предпочтительно проложенным в металлической трубке. Концы обрезанного кабеля должны быть максимально аккуратными, неэкранированные участки должны быть как можно короче, а длина кабеля не должна превышать определённого расстояния (обычно 50 м). При большом расстоянии между преобразователем частоты и двигателем ток утечки высших гармоник кабеля будет оказывать неблагоприятное воздействие на преобразователь частоты и окружающее оборудование. Заземляющий провод, возвращаемый от двигателя, управляемого преобразователем частоты, должен быть непосредственно подключён к соответствующей клемме заземления преобразователя частоты. Заземляющий провод преобразователя частоты не должен использоваться совместно со сварочными аппаратами и силовым оборудованием и должен быть как можно короче. Из-за тока утечки, генерируемого преобразователем частоты, если он находится слишком далеко от точки заземления, потенциал клеммы заземления будет нестабильным. Минимальная площадь поперечного сечения заземляющего провода преобразователя частоты должна быть больше или равна площади поперечного сечения кабеля питания. Чтобы предотвратить сбои в работе, вызванные помехами, кабели управления должны использовать витые экранированные провода или двухжильные экранированные провода. При этом будьте осторожны, чтобы не касаться экранированного сетевого кабеля других сигнальных линий и корпусов оборудования, и обмотайте его изоляционной лентой. Во избежание воздействия помех длина кабеля управления не должна превышать 50 м. Кабель управления и кабель двигателя должны быть проложены отдельно, в отдельных кабельных лотках, и как можно дальше друг от друга. Если два кабеля должны пересекаться, они должны пересекаться вертикально. Никогда не прокладывайте их в одном трубопроводе или кабельном лотке. Однако некоторые пользователи не строго соблюдали вышеуказанные требования при прокладке кабелей, в результате чего оборудование работало нормально во время индивидуальной отладки, но вызывало серьезные помехи во время обычного производства, делая его неработоспособным.
Если датчик температуры вторичного воздуха на цементном заводе внезапно показывает ненормальные показания: отображаемое значение значительно занижено и подвержено значительным колебаниям. До этого он работал очень хорошо. Проверил термопары, датчики температуры и вторичные приборы, проблем не обнаружено. В чём причина? При переносе прибора на другую точку измерения он работал совершенно нормально. Однако при замене аналогичных приборов с других точек измерения здесь наблюдалось то же самое явление. Позже было обнаружено, что на двигатель вентилятора № 3 в решётчатом охладителе был установлен новый преобразователь частоты, и только после ввода преобразователя частоты в эксплуатацию датчик температуры вторичного воздуха показал ненормальные показания. Остановите преобразователь частоты и немедленно восстановите показания датчика температуры вторичного воздуха. После перезапуска преобразователя частоты датчик температуры вторичного воздуха снова показал ненормальные показания. После нескольких повторных испытаний было установлено, что помехи от преобразователя частоты были непосредственной причиной ненормальных показаний на датчике температуры вторичного воздуха. Вентилятор представляет собой центробежный вентилятор, изначально использовавший клапаны для регулировки расхода воздуха, но позднее перешедший на частотно-регулируемое регулирование скорости. В связи с высокой запыленностью и суровыми условиями окружающей среды на объекте преобразователь частоты установлен в диспетчерской MCC (Центр управления двигателями). Для удобства монтажа преобразователь частоты подключен к нижней стороне главного контактора вентилятора, а выходной кабель преобразователя частоты использует кабель питания двигателя вентилятора. Кабель питания двигателя вентилятора представляет собой кабель с ПВХ-изоляцией и без стальной брони, проложенный параллельно сигнальному кабелю вторичного датчика температуры воздуха в разных слоях той же кабельной траншеи. Видно, что помехи возникают именно потому, что выходной кабель преобразователя частоты не использует бронированные кабели и не проложен через железные трубы. Этому уроку следует уделить особое внимание в проектах реконструкции, в которых изначально не использовались преобразователи частоты.
Особую осторожность следует проявлять при ежедневном обслуживании преобразователей частоты. Некоторые электрики сразу же после обнаружения неисправности включают преобразователь частоты для проведения технического обслуживания и отключают его. Это очень опасно и может привести к поражению электрическим током. Это связано с тем, что даже если преобразователь частоты не работает или питание отключено, на входной линии питания, клеммах постоянного тока и клеммах двигателя преобразователя частоты может оставаться напряжение из-за наличия конденсаторов. После отключения выключателя необходимо подождать несколько минут, чтобы преобразователь частоты полностью разрядился, прежде чем приступать к работе. Некоторые электрики привыкли сразу же после срабатывания системы проводить испытания изоляции двигателя, приводимого в действие преобразователем частоты, на вибростенде, чтобы определить, не перегорел ли двигатель. Это также очень опасно, так как может легко привести к перегоранию преобразователя частоты. Поэтому перед отсоединением кабеля между двигателем и преобразователем частоты нельзя проводить испытания изоляции двигателя, а также кабеля, уже подключенного к преобразователю частоты.