Ak dva identické motory pracujú na sieťovej frekvencii 50 Hz, jeden používa frekvenčný menič a druhý nie, a otáčky aj krútiaci moment sú v menovitom stave motora, môže frekvenčný menič ušetriť energiu? Koľko sa dá ušetriť?
Odpoveď: V tomto prípade môže frekvenčný menič iba zlepšiť účinník a nemôže ušetriť elektrinu.
1. Frekvenčná konverzia nemôže všade šetriť elektrinu a existuje veľa prípadov, kedy frekvenčná konverzia nemusí nevyhnutne šetriť elektrinu.
2. Ako elektronický obvod, aj samotný frekvenčný menič spotrebúva energiu (približne 2 – 5 % menovitého výkonu).
3. Je faktom, že frekvenčné meniče pracujú na sieťovej frekvencii a majú funkcie úspory energie. Jeho predpokladom je však:
Po prvé, samotné zariadenie má funkciu úspory energie (softvérová podpora), ktorá zodpovedá požiadavkám celého systému alebo procesu;
Po druhé, dlhodobá nepretržitá prevádzka.
Okrem toho, nezáleží na tom, či šetrí elektrinu alebo nie, je to nezmyselné. Ak sa hovorí, že frekvenčný menič pracuje energeticky úsporne bez akýchkoľvek predbežných podmienok, je to preháňanie alebo obchodná špekulácia. Ak poznáte celý príbeh, šikovne ho využijete vo svoje služby. Uistite sa, že venujete pozornosť situácii a podmienkam používania, aby ste ich správne aplikovali, inak budete slepo nasledovať, ľahko uveriť a nechať sa oklamať.
Pri používaní frekvenčných meničov máme často nasledujúce mylné predstavy:
Mylná predstava 1: Používanie frekvenčného meniča môže ušetriť elektrinu
V niektorej literatúre sa uvádza, že frekvenčné meniče sú energeticky úsporné regulačné produkty, čo vytvára dojem, že používanie frekvenčných meničov môže ušetriť elektrinu.
V skutočnosti je dôvodom, prečo frekvenčné meniče dokážu šetriť elektrinu, to, že dokážu regulovať rýchlosť elektromotorov. Ak sú frekvenčné meniče energeticky úsporné regulačné produkty, potom možno všetky zariadenia na reguláciu otáčok tiež považovať za energeticky úsporné regulačné produkty. Frekvenčný menič je len o niečo účinnejší a má len o niečo vyšší účinník ako iné zariadenia na reguláciu otáčok.
To, či frekvenčný menič dokáže dosiahnuť úsporu energie, závisí od charakteristík regulácie otáčok jeho záťaže. Pri záťažiach, ako sú odstredivé ventilátory a odstredivé čerpadlá, je krútiaci moment úmerný druhej mocnine otáčok a výkon je úmerný tretej mocnine otáčok. Pokiaľ sa používa pôvodný regulačný prietok ventilu a nepracuje pri plnom zaťažení, prechod na reguláciu otáčok môže dosiahnuť úsporu energie. Keď rýchlosť klesne na 80 % pôvodnej hodnoty, výkon je iba 51,2 % pôvodnej hodnoty. Je zrejmé, že použitie frekvenčných meničov pri takýchto záťažiach má najvýznamnejší efekt úspory energie. Pri záťažiach, ako sú Rootsove dúchadlá, je krútiaci moment nezávislý od otáčok, t. j. pri zaťažení s konštantným krútiacim momentom. Ak sa pôvodná metóda použitia odvzdušňovacieho ventilu na uvoľňovanie prebytočného objemu vzduchu na úpravu objemu vzduchu zmení na reguláciu otáčok, môže sa dosiahnuť aj úspora energie. Keď rýchlosť klesne na 80 % pôvodnej hodnoty, výkon dosiahne 80 % pôvodnej hodnoty. Efekt úspory energie je oveľa menší ako pri aplikáciách v odstredivých ventilátoroch a odstredivých čerpadlách. Pri záťažiach s konštantným výkonom je výkon nezávislý od otáčok. Konštantné zaťaženie v cementárni, ako napríklad dávkovacia pásová váha, spomaľuje rýchlosť pásu, keď je vrstva materiálu za určitých podmienok prúdenia hrubá; keď je vrstva materiálu tenká, rýchlosť pásu sa zvyšuje. Použitie frekvenčných meničov pri takomto zaťažení nemôže šetriť elektrinu.
V porovnaní so systémami regulácie otáčok jednosmerným prúdom majú jednosmerné motory vyššiu účinnosť a účinník ako striedavé motory. Účinnosť digitálnych jednosmerných regulátorov otáčok je porovnateľná s účinnosťou frekvenčných meničov a dokonca o niečo vyššia ako účinnosť frekvenčných meničov. Preto je nesprávne tvrdiť, že používanie asynchrónnych striedavých motorov a frekvenčných meničov šetrí viac elektriny ako používanie jednosmerných motorov a jednosmerných regulátorov, a to teoreticky aj prakticky.
Mylná predstava 2: Výber výkonu frekvenčného meniča je založený na menovitom výkone motora
V porovnaní s elektromotormi je cena frekvenčných meničov relatívne vysoká, preto je veľmi dôležité primerane znížiť výkon frekvenčných meničov a zároveň zabezpečiť bezpečnú a spoľahlivú prevádzku.
Výkon frekvenčného meniča sa vzťahuje na výkon 4-pólového asynchrónneho motora na striedavý prúd, pre ktorý je vhodný.
V dôsledku rôzneho počtu pólov motorov s rovnakou kapacitou sa menovitý prúd motora mení. So zvyšujúcim sa počtom pólov motora sa zvyšuje aj menovitý prúd motora. Výber kapacity frekvenčného meniča nemôže byť založený na menovitom výkone motora. Zároveň pri renovačných projektoch, ktoré pôvodne nepoužívali frekvenčné meniče, nemôže byť výber kapacity frekvenčných meničov založený na menovitom prúde motora. Je to preto, že výber kapacity elektromotora by mal zohľadňovať faktory, ako je maximálne zaťaženie, koeficient prebytku a špecifikácie motora. Prebytok je často veľký a priemyselné motory často pracujú s 50 % až 60 % menovitého zaťaženia. Ak sa kapacita frekvenčného meniča vyberie na základe menovitého prúdu motora, zostáva príliš veľká rezerva, čo vedie k ekonomickému plytvaniu a spoľahlivosť sa tým nezlepší.
Pri motoroch s klietkou nakrátko by mal byť výber výkonu frekvenčného meniča založený na princípe, že menovitý prúd frekvenčného meniča je väčší alebo rovný 1,1-násobku maximálneho normálneho prevádzkového prúdu motora, čo môže maximalizovať úspory nákladov. V podmienkach, ako je rozbeh pri vysokom zaťažení, prostredie s vysokou teplotou, motor s vinutými vinutiami, synchrónny motor atď., by sa mal výkon frekvenčného meniča primerane zvýšiť.
Pri konštrukciách, ktoré od začiatku používajú frekvenčné meniče, je pochopiteľné zvoliť kapacitu frekvenčného meniča na základe menovitého prúdu motora. Je to preto, že kapacitu frekvenčného meniča nemožno v súčasnosti zvoliť na základe skutočných prevádzkových podmienok. Samozrejme, aby sa znížili investície, v niektorých prípadoch môže byť kapacita frekvenčného meniča spočiatku neistá a po určitom čase prevádzky zariadenia ju možno zvoliť na základe skutočného prúdu.
V systéme sekundárneho mletia cementového mlyna s priemerom 2,4 m × 13 m v istej cementárni vo Vnútornom Mongolsku sa nachádza jeden vysokoúčinný selektor prášku N-1500 O-Sepa domácej výroby, vybavený elektromotorom modelu Y2-315M-4 s výkonom 132 kW. Bol však zvolený frekvenčný menič FRN160-P9S-4E, ktorý je vhodný pre 4-pólové motory s výkonom 160 kW. Po uvedení do prevádzky je maximálna pracovná frekvencia 48 Hz a prúd je iba 180 A, čo je menej ako 70 % menovitého prúdu motora. Samotný motor má značnú prebytočnú kapacitu. A špecifikácie frekvenčného meniča sú o jednu úroveň vyššie ako špecifikácie hnacieho motora, čo spôsobuje zbytočné plytvanie a nezlepšuje spoľahlivosť.
Systém podávania drviča vápenca č. 3 v cementárni Anhui Chaohu využíva doskový podávač s rozmermi 1500 × 12000 a hnací motor využíva striedavý motor Y225M-4 s menovitým výkonom 45 kW a menovitým prúdom 84,6 A. Pred transformáciou frekvenčnej konverzie a reguláciou rýchlosti sa testovaním zistilo, že keď doskový podávač poháňa motor normálne, priemerný trojfázový prúd je iba 30 A, čo predstavuje iba 35,5 % menovitého prúdu motora. Aby sa ušetrila investícia, bol zvolený frekvenčný menič ACS601-0060-3 s menovitým výstupným prúdom 76 A, ktorý je vhodný pre 4-pólové motory s výkonom 37 kW a dosahuje dobrý výkon.
Tieto dva príklady ilustrujú, že pri renovačných projektoch, ktoré pôvodne nepoužívali frekvenčné meniče, môže výber kapacity frekvenčného meniča na základe skutočných prevádzkových podmienok výrazne znížiť investície.
Mylná predstava 3: Všeobecné motory môžu pracovať iba so zníženou rýchlosťou s použitím frekvenčných meničov pod ich menovitou prenosovou rýchlosťou.
Klasická teória tvrdí, že horná hranica frekvencie univerzálneho motora je 55 Hz. Je to preto, že keď je potrebné nastaviť otáčky motora nad menovité otáčky pre prevádzku, frekvencia statora sa zvýši nad menovitú frekvenciu (50 Hz). V tomto bode, ak sa pri riadení stále dodržiava princíp konštantného krútiaceho momentu, napätie statora sa zvýši nad menovité napätie. Takže, keď je rozsah otáčok vyšší ako menovité otáčky, napätie statora sa musí udržiavať konštantné na menovitom napätí. V tomto bode, so zvyšujúcimi sa otáčkami/frekvenciou, sa magnetický tok zníži, čo vedie k zníženiu krútiaceho momentu pri rovnakom statorovom prúde, zmäkčeniu mechanických charakteristík a výraznému zníženiu preťažiteľnosti motora.
Z toho vyplýva, že horná hranica frekvencie univerzálneho motora je 55 Hz, čo je predpoklad:
1. Napätie statora nesmie prekročiť menovité napätie;
2. Motor pracuje na menovitý výkon;
3. Konštantné krútiace zaťaženie.
V uvedenej situácii teória a experimenty dokázali, že ak frekvencia prekročí 55 Hz, krútiaci moment motora sa zníži, mechanické vlastnosti sa zmäkčia, preťažiteľnosť sa zníži, spotreba železa sa rýchlo zvýši a zahrievanie bude silné.
Autor sa domnieva, že skutočné prevádzkové podmienky elektromotorov naznačujú, že univerzálne motory je možné zrýchliť pomocou frekvenčných meničov. Je možné zvýšiť rýchlosť s premenlivou frekvenciou? O koľko je možné ju zvýšiť? Je to určené hlavne záťažou ťahanou elektromotorom. Po prvé, je potrebné určiť, aká je miera zaťaženia. Po druhé, je potrebné pochopiť charakteristiky záťaže a vykonať výpočty na základe špecifickej situácie záťaže. Stručná analýza je nasledovná:
1. V skutočnosti je možné univerzálny motor s napätím 380 V prevádzkovať dlhodobo, keď napätie statora presiahne 10 % menovitého napätia, bez ovplyvnenia izolácie a životnosti motora. Napätie statora sa zvyšuje, krútiaci moment sa výrazne zvyšuje, prúd statora sa znižuje a teplota vinutia sa znižuje.
2. Miera zaťaženia elektromotora je zvyčajne 50 % až 60 %
Priemyselné motory vo všeobecnosti pracujú na 50 % až 60 % svojho menovitého výkonu. Výpočtom sa zistilo, že keď výstupný výkon motora dosahuje 70 % menovitého výkonu a napätie statora sa zvýši o 7 %, statorový prúd sa zníži o 26,4 %. V tomto čase, aj pri konštantnej regulácii krútiaceho momentu a použití frekvenčného meniča na zvýšenie otáčok motora o 20 %, sa statorový prúd nielen nezvyšuje, ale aj znižuje. Hoci straty v železe motora po zvýšení frekvencie prudko rastú, teplo generované týmto motorom je zanedbateľné v porovnaní s teplom zníženým znížením statorového prúdu. Preto sa výrazne zníži aj teplota vinutia motora.
3. Existujú rôzne charakteristiky zaťaženia
Systém pohonu elektromotora slúži na spracovanie záťaže a rôzne záťaže majú rôzne mechanické vlastnosti. Elektromotory musia po zrýchlení spĺňať požiadavky na mechanické vlastnosti záťaže. Podľa výpočtov je maximálna povolená prevádzková frekvencia (fmax) pre zaťaženie konštantným krútiacim momentom pri rôznych rýchlostiach zaťaženia (k) nepriamo úmerná rýchlosti zaťaženia, t. j. fmax=fe/k, kde fe je menovitá výkonová frekvencia. Pre zaťaženie konštantným výkonom je maximálna povolená prevádzková frekvencia všeobecných motorov obmedzená najmä mechanickou pevnosťou rotora a hriadeľa motora. Autor sa domnieva, že je vo všeobecnosti vhodné obmedziť ju na 100 Hz.
Príklad aplikácie:
Reťazový korečkový dopravník v určitej továrni má konštantné krútiace zaťaženie a kvôli zvýšeniu výroby je potrebné zvýšiť otáčky jeho motora o 20 %. Model motora je Y180L-6 s menovitým výkonom 15 kW, menovitým napätím 380 V, menovitým prúdom 31,6 A, menovitými otáčkami 980 ot./min, účinnosťou 89,5 %, účinníkom 0,81, prevádzkovým prúdom 18 – 20 A, maximálnym prevádzkovým výkonom 7,5 kW za normálnych podmienok a mierou zaťaženia 50 %. Po inštalácii frekvenčného meniča CIMR-G5A4015 je prevádzková frekvencia 60 Hz, otáčky sa zvýšia o 20 %, maximálne výstupné napätie frekvenčného meniča je nastavené na 410 V, prevádzkový prúd motora je 12 – 15 A, čo sa znižuje približne o 30 % a teplota vinutia motora sa výrazne znižuje.
Mylná predstava 4: Zanedbávanie inherentných charakteristík frekvenčných meničov
Ladenie frekvenčného meniča zvyčajne vykonáva distribútor a nevzniknú s ním žiadne problémy. Inštalácia frekvenčného meniča je relatívne jednoduchá a zvyčajne ju vykonáva používateľ. Niektorí používatelia si pozorne neprečítajú návod na obsluhu frekvenčného meniča, nedodržiavajú prísne technické požiadavky na konštrukciu, ignorujú vlastnosti samotného frekvenčného meniča, stotožňujú ho s bežnými elektrickými komponentmi a konajú na základe predpokladov a skúseností, čím vytvárajú skryté nebezpečenstvo porúch a nehôd.
Podľa návodu na obsluhu frekvenčného meniča by mal byť kábel pripojený k motoru tienený alebo pancierový kábel, najlepšie uložený v kovovej rúrke. Konce odrezaného kábla by mali byť čo najčistejšie, netienené segmenty by mali byť čo najkratšie a dĺžka kábla by nemala presiahnuť určitú vzdialenosť (zvyčajne 50 m). Ak je vzdialenosť medzi frekvenčným meničom a motorom dlhá, vysokoharmonický zvodový prúd z kábla bude mať nepriaznivý vplyv na frekvenčný menič a okolité zariadenia. Uzemňovací vodič vracajúci sa z motora riadeného frekvenčným meničom by mal byť priamo pripojený k príslušnej uzemňovacej svorke frekvenčného meniča. Uzemňovací vodič frekvenčného meniča by nemal byť zdieľaný so zváracími strojmi a výkonovými zariadeniami a mal by byť čo najkratší. V dôsledku zvodového prúdu generovaného frekvenčným meničom, ak je príliš ďaleko od uzemňovacieho bodu, bude potenciál uzemňovacej svorky nestabilný. Minimálna plocha prierezu uzemňovacieho vodiča frekvenčného meniča musí byť väčšia alebo rovnaká ako plocha prierezu napájacieho kábla. Aby sa predišlo nesprávnej prevádzke spôsobenej rušením, riadiace káble by mali používať tienené skrútené vodiče alebo dvojžilové tienené vodiče. Zároveň dávajte pozor, aby ste sa nedotýkali tieneného sieťového kábla inými signálnymi vodičmi a krytmi zariadení, a omotajte ho izolačnou páskou. Aby ste predišli rušeniu, dĺžka riadiaceho kábla by nemala presiahnuť 50 m. Riadiaci kábel a kábel motora musia byť položené oddelene, pomocou samostatných káblových žľabov a čo najďalej od seba. Ak sa musia krížiť, mali by byť krížené vertikálne. Nikdy ich neumiestňujte do toho istého potrubia alebo káblového žľabu. Niektorí používatelia však pri kladení káblov prísne nedodržiavali vyššie uvedené požiadavky, čo malo za následok, že zariadenie počas individuálneho ladenia bežalo normálne, ale počas bežnej výroby spôsobovalo vážne rušenie, čo znemožňovalo jeho prevádzku.
Ak ukazovateľ teploty sekundárneho vzduchu v cementárni náhle ukazuje abnormálne hodnoty: zobrazená hodnota je výrazne nízka a značne kolíše. Predtým fungoval veľmi dobre. Skontrolovali sme termočlánky, teplotné vysielače a sekundárne prístroje, nezistili sme žiadne problémy. Aké sú relevantné? Keď bol prístroj presunutý na iné meracie miesto, fungoval úplne normálne. Keď však boli podobné prístroje z iných meracích miest vymenené aj tu, vyskytol sa rovnaký jav. Neskôr sa zistilo, že na motore chladiaceho ventilátora č. 3 v roštovom chladiči bol nainštalovaný nový frekvenčný menič a až po uvedení frekvenčného meniča do prevádzky ukazovateľ teploty sekundárneho vzduchu vykazoval abnormálne hodnoty. Zastavte frekvenčný menič a okamžite obnovte normálnu hodnotu ukazovateľa teploty sekundárneho vzduchu. Po reštartovaní meniča frekvencie ukazovateľ teploty sekundárneho vzduchu opäť vykazoval abnormálne hodnoty. Po niekoľkonásobnom opakovanom testovaní sa zistilo, že priamou príčinou abnormálneho zobrazenia na ukazovateli teploty sekundárneho vzduchu bolo rušenie z frekvenčného meniča. Ventilátor je odstredivý ventilátor, ktorý pôvodne používal ventily na nastavenie objemu vzduchu, ale neskôr sa zmenil na reguláciu otáčok s premenlivou frekvenciou na nastavenie objemu vzduchu. Vzhľadom na veľké množstvo prachu a drsné prostredie na mieste je frekvenčný menič nainštalovaný v riadiacej miestnosti MCC (Motor Control Center). Pre pohodlie konštrukcie je frekvenčný menič pripojený k spodnej strane hlavného stýkača ventilátora a výstupný kábel frekvenčného meniča používa napájací kábel motora ventilátora. Napájací kábel motora ventilátora je kábel s PVC izoláciou a neoceľovým pancierovým plášťom a je položený paralelne so signálnym káblom sekundárneho merača teploty vzduchu v rôznych mostových vrstvách toho istého káblového výkopu. Je zrejmé, že práve preto, že výstupný kábel frekvenčného meniča nepoužíva pancierové káble ani nie je položený cez železné rúry, dochádza k rušivým javom. Tejto lekcii by sa mala venovať osobitná pozornosť pri renovačných projektoch, ktoré pôvodne nepoužívali frekvenčné meniče.
Zvláštnu pozornosť treba venovať aj dennej údržbe frekvenčných meničov. Niektorí elektrikári okamžite zapnú frekvenčný menič na údržbu hneď, ako zistia poruchu a vypnú ho. To je veľmi nebezpečné a môže to viesť k úrazu elektrickým prúdom. Je to preto, že aj keď frekvenčný menič nie je v prevádzke alebo bolo prerušené napájanie, na vstupnom napájacom vedení, jednosmernej svorke a svorke motora frekvenčného meniča môže byť stále napätie v dôsledku prítomnosti kondenzátorov. Po odpojení spínača je potrebné pred začatím práce počkať niekoľko minút, kým sa frekvenčný menič úplne vybije. Niektorí elektrikári sú zvyknutí okamžite vykonávať testy izolácie motora poháňaného systémom frekvenčného meniča pomocou trasiaceho stola, keď si všimnú vypnutie systému, aby zistili, či motor nespálil. To je tiež veľmi nebezpečné, pretože to môže ľahko spôsobiť spálenie frekvenčného meniča. Preto sa pred odpojením kábla medzi motorom a frekvenčným meničom nesmie vykonávať test izolácie na motore ani na kábli, ktorý je už pripojený k frekvenčnému meniču.