Leverantörer av energiåterkopplingsenheter för frekvensomvandlare påminner er om att i och med implementeringen av policyer och den kraftfulla marknadsföringen av frekvensomvandlingsteknik, i kombination med den starka marknadsföringen av frekvensomvandlare, har vissa industriföretag omedvetet likställt användningen av frekvensomvandlare med energibesparing och elbesparing. Men i praktiken, på grund av olika situationer, inser många företag gradvis att inte alla platser där frekvensomvandlare används kan spara energi och el. Så vad är orsakerna till denna situation och vilka är de missuppfattningar som folk har om frekvensomvandlare?
Missuppfattning 1: Att använda en frekvensomvandlare kan spara el
En del litteratur hävdar att frekvensomvandlare är energibesparande styrprodukter, vilket ger intrycket att användning av frekvensomvandlare kan spara el.
Faktum är att anledningen till att frekvensomvandlare kan spara el är att de kan reglera hastigheten på elmotorer. Om frekvensomvandlare är energibesparande styrprodukter, kan all hastighetsregleringsutrustning också betraktas som energibesparande styrprodukter. Frekvensomvandlaren är bara något effektivare och har en något högre effektfaktor än andra hastighetsregleringsenheter.
Huruvida en frekvensomvandlare kan uppnå energibesparingar avgörs av lastens hastighetsregleringsegenskaper. För laster som centrifugalfläktar och centrifugalpumpar är vridmomentet proportionellt mot kvadraten på hastigheten och effekten är proportionell mot kuben på hastigheten. Så länge det ursprungliga ventilstyrflödet används och den inte arbetar med full belastning kan man uppnå energibesparingar genom att byta till hastighetsreglering. När hastigheten sjunker till 80 % av originalet är effekten endast 51,2 % av originalet. Det kan ses att tillämpningen av frekvensomvandlare i sådana laster har en betydande energibesparande effekt. För laster som Roots-fläktar är vridmomentet oberoende av hastigheten, dvs. konstant momentbelastning. Om den ursprungliga metoden att använda en avluftningsventil för att släppa ut överskottsluftvolym för att justera luftvolymen ändras till hastighetsreglering kan man också uppnå energibesparingar. När hastigheten sjunker till 80 % av sitt ursprungliga värde når effekten 80 % av sitt ursprungliga värde. Energibesparande effekten är mycket mindre än för tillämpningar i centrifugalfläktar och centrifugalpumpar. För belastningar med konstant effekt är effekten oberoende av hastigheten. En konstant effektbelastning i en cementfabrik, såsom en bandvåg för blandning, saktar ner bandhastigheten när materiallagret är tjockt under vissa flödesförhållanden; när materiallagret är tunt ökar bandhastigheten. Användningen av frekvensomvandlare i sådana belastningar kan inte spara el.
Jämfört med likströmsmotorer har likströmsmotorer högre verkningsgrad och effektfaktor än växelströmsmotorer. Verkningsgraden hos digitala likströmsregulatorer är jämförbar med frekvensomvandlare, och till och med något högre än frekvensomvandlare. Det är därför felaktigt att påstå att användning av asynkrona växelströmsmotorer och frekvensomvandlare sparar mer el än användning av likströmsmotorer och likströmsregulatorer, både teoretiskt och praktiskt.
Missuppfattning 2: Kapacitetsvalet för frekvensomvandlaren baseras på motorns nominella effekt.
Jämfört med elmotorer är frekvensomvandlare dyrare, så det är mycket meningsfullt att rimligen minska frekvensomvandlarnas kapacitet samtidigt som man säkerställer säker och tillförlitlig drift.
Effekten hos en frekvensomvandlare avser effekten hos den 4-poliga växelströms-asynkronmotor som den är lämplig för.
På grund av det olika antalet poler hos motorer med samma kapacitet varierar motorns märkström. När antalet poler i motorn ökar ökar även motorns märkström. Kapacitetsvalet för frekvensomvandlaren kan inte baseras på motorns nominella effekt. Samtidigt, för renoveringsprojekt som ursprungligen inte använde frekvensomvandlare, kan kapacitetsvalet för frekvensomvandlare inte baseras på motorns nominella ström. Detta beror på att kapacitetsvalet för elmotorer bör beakta faktorer som belastning, överskottskoefficient och motorspecifikationer. Ofta är överskottet stort, och industrimotorer arbetar med 50 % till 60 % av sin nominella belastning. Om frekvensomvandlarens kapacitet väljs baserat på motorns nominella ström, finns det för mycket marginal kvar, vilket resulterar i ekonomiskt slöseri och tillförlitligheten förbättras inte som ett resultat.
För kortslutningsmotorer bör frekvensomvandlarens kapacitetsval baseras på principen att frekvensomvandlarens märkström är större än eller lika med 1,1 gånger motorns maximala normala driftsström, vilket kan maximera kostnadsbesparingarna. För förhållanden som start vid hög belastning, högtemperaturmiljö, lindningsmotor, synkronmotor etc. bör frekvensomvandlarens kapacitet ökas på lämpligt sätt.
För konstruktioner som använder frekvensomvandlare från början är det förståeligt att välja frekvensomvandlarens kapacitet baserat på motorns märkström. Detta beror på att frekvensomvandlarens kapacitet inte kan väljas baserat på faktiska driftsförhållanden just nu. För att minska investeringar kan frekvensomvandlarens kapacitet naturligtvis i vissa fall vara osäker först, och efter att utrustningen har varit igång en tid kan den väljas baserat på den faktiska strömmen.
I det sekundära malningssystemet i en cementkvarn med en diameter på 2,4 m × 13 m i ett visst cementföretag i Inre Mongoliet finns en inhemskt producerad N-1500 O-Sepa högeffektiv pulverväljare, utrustad med en elmotormodell Y2-315M-4 med en effekt på 132 kW. Emellertid är frekvensomvandlaren FRN160-P9S-4E vald, vilken är lämplig för 4-poliga motorer med en effekt på 160 kW. Efter driftsättning är den maximala arbetsfrekvensen 48 Hz, och strömmen är endast 180 A, vilket är mindre än 70 % av motorns märkström. Själva motorn har en betydande överkapacitet. Och frekvensomvandlarens specifikationer är en nivå högre än drivmotorns, vilket orsakar onödigt slöseri och inte förbättrar tillförlitligheten.
Matningssystemet för kalkstenskross nr 3 vid Anhui Chaohu cementfabrik använder en 1500 × 12000 plattmatare, och drivmotorn använder en Y225M-4 växelströmsmotor med en nominell effekt på 45 kW och en nominell ström på 84,6 A. Innan frekvensomvandlingens hastighetsregleringstransformation konstaterades det genom tester att när plattmataren driver motorn normalt är den genomsnittliga trefasströmmen endast 30 A, vilket endast är 35,5 % av motorns nominella ström. För att spara investeringar valdes frekvensomvandlaren ACS601-0060-3, som har en nominell utgångsström på 76 A och är lämplig för 4-poliga motorer med en effekt på 37 kW, vilket ger god prestanda.
Dessa två exempel illustrerar att för renoveringsprojekt som ursprungligen inte använde frekvensomvandlare, kan val av frekvensomvandlarens kapacitet baserat på faktiska driftsförhållanden minska investeringen avsevärt.
Missuppfattning 3: Användning av visuell effekt för att beräkna reaktiv effektkompensation och energibesparande fördelar
Beräkna energibesparande effekten av reaktiv effektkompensation med hjälp av skenbar effekt. När fläkten arbetar med full belastning vid nätfrekvensen är motorns driftsström 289 A. Vid variabel frekvensreglering är effektfaktorn vid full belastning vid 50 Hz cirka 0,99 och strömmen 257 A. Detta beror på att frekvensomvandlarens interna filterkondensator förbättrar effektfaktorn. Energibesparande beräkningen är som följer: ΔS=UI=× 380 × (289-257)=21 kVA
Därför tros det att dess energibesparande effekt är cirka 11 % av en enda maskins kapacitet.
Faktisk analys: S representerar den skenbara effekten, som är produkten av spänning och ström. När spänningen är densamma är procentandelen skenbar effektbesparing och procentandelen strömbesparing samma sak. I en krets med reaktans återspeglar den skenbara effekten endast distributionssystemets maximalt tillåtna uteffekt och kan inte återspegla den faktiska effekten som förbrukas av motorn. Den faktiska effekten som förbrukas av elmotorn kan endast uttryckas som aktiv effekt. I det här exemplet, även om den faktiska strömmen används för beräkningen, beräknas den skenbara effekten istället för den aktiva effekten. Vi vet att den faktiska effektförbrukningen för en elmotor bestäms av fläkten och dess belastning. Ökningen av effektfaktorn förändrade inte fläktens belastning och förbättrade inte heller fläktens effektivitet. Fläktens faktiska effektförbrukning minskade inte. Efter att effektfaktorn ökades förändrades inte motorns drifttillstånd, motorns statorström minskade inte och den aktiva och reaktiva effekten som förbrukas av motorn förändrades inte. Anledningen till ökningen av effektfaktorn är att frekvensomvandlarens interna filterkondensator genererar reaktiv effekt, som tillförs motorn för förbrukning. När effektfaktorn ökar minskar frekvensomvandlarens faktiska inström, vilket minskar ledningsförlusten mellan elnätet och frekvensomvandlaren och transformatorns kopparförlust. Samtidigt som lastströmmen minskar kan distributionsutrustning som transformatorer, brytare, kontaktorer och ledningar som förser frekvensomvandlaren med ström bära mer last. Det bör påpekas att om vi inte tar hänsyn till besparingarna av ledningsförlust och transformatorns kopparförlust som i detta exempel, utan betraktar frekvensomvandlarens förluster, så sparar frekvensomvandlaren inte bara inte energi utan förbrukar även el när den arbetar med full belastning vid 50 Hz. Därför är det felaktigt att använda skenbar effekt för att beräkna energibesparingseffekter.
Motormodellen för centrifugalfläkten i en viss cementfabrik är Y280S-4, med en nominell effekt på 75 kW, nominell spänning på 380 V och nominell ström på 140 A. Före frekvensomvandlingens hastighetsreglering var ventilen helt öppen. Genom tester konstaterades att motorströmmen var 70 A, med endast 50 % belastning, effektfaktor på 0,49, aktiv effekt på 22,6 kW och skenbar effekt på 46,07 kVA. Efter att ha använt variabel frekvenshastighetsreglering, när ventilen är helt öppen och nominell hastighet är igång, är den genomsnittliga strömmen för trefasnätet 37 A, vilket innebär att energibesparingen (70-37) ÷ 70 × 100 % = 44,28 %. Denna beräkning kan verka rimlig, men i huvudsak beräknar den fortfarande energibesparingseffekten baserat på skenbar effekt. Efter ytterligare tester fann fabriken att effektfaktorn var 0,94, den aktiva effekten var 22,9 kW och den skenbara effekten var 24,4 kVA. Det kan ses att en ökning av aktiv effekt inte bara sparar el, utan också förbrukar el. Anledningen till ökningen av aktiv effekt är att frekvensomvandlarens förluster togs med i beräkningen, utan att beakta besparingarna av nätförluster och transformatorns kopparförluster. Nyckeln till detta fel ligger i att man inte beaktade effekten av ökande effektfaktor på strömfallet, och standardeffektfaktorn förblir oförändrad, vilket överdriver frekvensomvandlarens energibesparande effekt. Därför måste aktiv effekt användas istället för skenbar effekt vid beräkning av energibesparande effekt.
Missuppfattning 4: Kontaktorer kan inte installeras på frekvensomvandlarens utgångssida
Nästan alla användarmanualer för frekvensomvandlare anger att kontaktorer inte kan installeras på frekvensomvandlarens utgångssida. Som anges i manualen för Yaskawa-frekvensomvandlare i Japan, "Anslut inte elektromagnetiska brytare eller elektromagnetiska kontaktorer i utgångskretsen".
Tillverkarens föreskrifter är att förhindra att kontaktorn fungerar när frekvensomvandlaren har utgång. När frekvensomvandlaren är ansluten till en last under drift aktiveras överströmsskyddskretsen på grund av läckström. Så länge nödvändiga styrspärrar läggs till mellan frekvensomvandlarens utgång och kontaktorns funktion för att säkerställa att kontaktorn endast kan fungera när frekvensomvandlaren inte har någon utgång, kan en kontaktor installeras på frekvensomvandlarens utgångssida. Detta schema är av stor betydelse i situationer där det bara finns en frekvensomvandlare och två motorer (en motor i drift och en motor som backup). När den igånggående motorn inte fungerar kan frekvensomvandlaren enkelt växlas till backupmotorn, och efter en fördröjning kan frekvensomvandlaren manövreras för att automatiskt sätta backupmotorn i frekvensomvandlingsdrift. Och den kan också enkelt uppnå ömsesidig backup av två elmotorer.
Missuppfattning 5: Användningen av frekvensomvandlare i centrifugalfläktar kan helt ersätta fläktens reglerdörr
Att använda en frekvensomvandlare för att reglera hastigheten på en centrifugalfläkt för att styra luftmängden har en betydande energibesparande effekt jämfört med att styra luftmängden med reglerventiler. I vissa fall kan dock inte frekvensomvandlaren helt ersätta fläktens ventil, och särskild uppmärksamhet bör ägnas vid konstruktionen. För att illustrera detta problem, låt oss börja med dess energibesparande princip. En centrifugalfläkts luftmängd är proportionell mot effekten av dess rotationshastighet, lufttrycket är proportionellt mot kvadraten av dess rotationshastighet och axeleffekten är proportionell mot kuben av dess rotationshastighet.
Vindtryck, luftvolym (HQ) hos fläkten vid konstant hastighet; Kurva (2) representerar vindmotståndsegenskaperna hos rörledningsnätet (ventilen helt öppen). När fläkten arbetar vid punkt A är den utgående luftvolymen Q1. Vid denna tidpunkt är axeleffekten N1 proportionell mot produktarean av Q1 och H1 (AH1OQ1). När luftvolymen minskar från Q1 till Q2, om ventiljusteringsmetoden används, kommer rörledningsnätets motståndsegenskaper att ändras till kurva (3). Systemet arbetar från den ursprungliga driftspunkten A till den nya driftspunkten B, och vindtrycket ökar istället. Axeleffekten N2 är proportionell mot arean (BH2OQ2), och N1 skiljer sig inte mycket från N2. Om hastighetsregleringsmetoden används minskar fläkthastigheten från n1 till n2, och vindtryck, luftvolym (HQ) egenskaperna visas i kurva (4). Vid samma luftvolym Q2 minskar vindtrycket H3 avsevärt, och effekten N3 (motsvarande arean CH3OQ2) minskar avsevärt, vilket indikerar en betydande energibesparande effekt.
Av ovanstående analys kan man också se att justering av ventilen för att styra luftvolymen, allt eftersom luftvolymen minskar, faktiskt ökar lufttrycket. Och genom att använda en frekvensomvandlare för att styra luftvolymen, sjunker lufttrycket avsevärt allt eftersom luftvolymen minskar. Om vindtrycket sjunker för mycket kanske det inte uppfyller processkraven. Om driftspunkten ligger inom området som omges av kurva (1), kurva (2) och H-axeln, kommer det inte att uppfylla processkraven att enbart förlita sig på en frekvensomvandlare för hastighetsreglering. Det måste kombineras med ventilreglering för att uppfylla processkraven. Frekvensomvandlaren som introducerades av en viss fabrik, i tillämpningen av centrifugalfläktar, har lidit mycket på grund av bristande ventildesign och att enbart förlita sig på frekvensomvandlarens hastighetsreglering för att ändra fläktens driftspunkt. Antingen är hastigheten för hög eller så är luftvolymen för stor. Om hastigheten minskas kan vindtrycket inte uppfylla processkraven och luften kan inte blåsas in. Därför är det nödvändigt att beakta både luftvolym- och lufttrycksindikatorer när man använder en frekvensomvandlare för hastighetsreglering och energibesparing i centrifugalfläktar, annars kommer det att få negativa konsekvenser.
Missuppfattning 6: Generalmotorer kan bara arbeta med reducerad hastighet med en frekvensomvandlare under deras nominella överföringshastighet.
Den klassiska teorin menar att den övre gränsen för frekvensen för en universalmotor är 55 Hz. Detta beror på att när motorvarvtalet behöver justeras över nominell hastighet för drift, kommer statorfrekvensen att öka över nominell frekvens (50 Hz). Vid denna tidpunkt, om principen om konstant vridmoment fortfarande följs för styrning, kommer statorspänningen att öka utöver nominell spänning. Så när hastighetsområdet är högre än nominell hastighet måste statorspänningen hållas konstant vid nominell spänning. Vid denna tidpunkt, när hastigheten/frekvensen ökar, kommer det magnetiska flödet att minska, så vridmomentet vid samma statorström kommer att minska, de mekaniska egenskaperna kommer att bli mjukare och motorns överbelastningskapacitet kommer att minskas kraftigt.
Av detta framgår att den övre gränsen för frekvensen för en universalmotor är 55 Hz, vilket är en förutsättning:
1. Statorspänningen får inte överstiga märkspänningen;
2. Motorn arbetar med nominell effekt;
3. Konstant momentbelastning.
I ovanstående situation har teori och experiment visat att om frekvensen överstiger 55 Hz, kommer motorns vridmoment att minska, de mekaniska egenskaperna att bli mjukare, överbelastningskapaciteten att minska, järnförbrukningen att öka snabbt och uppvärmningen att bli allvarlig.
Generellt sett indikerar de faktiska driftsförhållandena för elmotorer att universalmotorer kan accelereras med frekvensomvandlare. Kan variabel frekvenshastighet ökas? Hur mycket kan den ökas? Det bestäms huvudsakligen av lasten som elmotorn drar. För det första är det nödvändigt att bestämma lasthastigheten? För det andra är det nödvändigt att förstå lastegenskaperna och göra beräkningar baserade på lastens specifika situation. En kort analys är följande:
1. Faktum är att det för en 380V universalmotor är möjligt att använda den under lång tid när statorspänningen överstiger 10% av märkspänningen, utan att motorns isolering och livslängd påverkas. Statorspänningen ökar, vridmomentet ökar avsevärt, statorströmmen minskar och lindningstemperaturen minskar.
2. Elmotorns belastningsgrad är vanligtvis 50 % till 60 %.
Generellt sett arbetar industrimotorer med 50 % till 60 % av sin nominella effekt. Enligt beräkningar minskar statorströmmen med 26,4 % när motorns uteffekt är 70 % av nominell effekt och statorspänningen ökar med 7 %. Vid denna tidpunkt, även med konstant momentreglering och användning av en frekvensomvandlare för att öka motorhastigheten med 20 %. Även om motorns järnförbrukning ökar kraftigt efter att frekvensen ökat, är den genererade värmen försumbar jämfört med den värme som minskar genom minskningen av statorströmmen. Därför kommer temperaturen på motorlindningen också att minska avsevärt.
3. Det finns olika lastegenskaper
Elmotorns drivsystem betjänar lasten, och olika laster har olika mekaniska egenskaper. Elmotorer måste uppfylla kraven på lastens mekaniska egenskaper efter acceleration. Enligt beräkningar är den maximalt tillåtna driftsfrekvensen (fmax) för konstanta momentbelastningar vid olika belastningshastigheter (k) omvänt proportionell mot belastningshastigheten, dvs. fmax = fe/k, där fe är den nominella effektfrekvensen. För konstanta effektbelastningar begränsas den maximalt tillåtna driftsfrekvensen för General Motors huvudsakligen av motorrotorns och axelns mekaniska hållfasthet. Författaren anser att det generellt är lämpligt att begränsa den till inom 100 Hz.
Missuppfattning 7: Att försumma frekvensomvandlarens inneboende egenskaper
Felsökningsarbetet för frekvensomvandlaren utförs vanligtvis av distributören, och det kommer inte att uppstå några problem. Installationen av en frekvensomvandlare är relativt enkel och utförs vanligtvis av användaren. Vissa användare läser inte noggrant igenom bruksanvisningen för frekvensomvandlaren, följer inte strikt de tekniska kraven för konstruktionen, ignorerar frekvensomvandlarens egenskaper, likställer den med allmänna elektriska komponenter och agerar utifrån antaganden och erfarenhet, vilket lägger dolda risker för fel och olyckor.
Enligt frekvensomvandlarens användarmanual ska kabeln som ansluts till motorn vara en skärmad kabel eller armerad kabel, helst dragna i ett metallrör. Ändarna på den kapade kabeln ska vara så snygga som möjligt, de oskärmade segmenten ska vara så korta som möjligt och kabellängden ska inte överstiga ett visst avstånd (vanligtvis 50 m). När ledningsavståndet mellan frekvensomvandlaren och motorn är långt kommer den höga harmoniska läckströmmen från kabeln att ha negativa effekter på frekvensomvandlaren och omgivande utrustning. Jordningskabeln som återförs från motorn som styrs av frekvensomvandlaren ska anslutas direkt till motsvarande jordningsterminal på frekvensomvandlaren. Frekvensomvandlarens jordningskabel ska inte delas med svetsmaskiner och kraftutrustning, och bör vara så kort som möjligt. På grund av läckströmmen som genereras av frekvensomvandlaren, om den är för långt från jordningspunkten, kommer jordningsterminalens potential att vara instabil. Frekvensomvandlarens jordningskabels minsta tvärsnittsarea måste vara större än eller lika med tvärsnittsarean på strömförsörjningskabeln. För att förhindra felaktig drift orsakad av störningar bör styrkablar använda tvinnade skärmade ledningar eller dubbeltrådiga skärmade ledningar. Var samtidigt noga med att inte vidröra den skärmade nätverkskabeln med andra signalledningar och utrustningshöljen, och linda in den med isoleringstejp. För att undvika störningar bör styrkabelns längd inte överstiga 50 m. Styrkabeln och motorkabeln måste dras separat med hjälp av separata kabelstegar och hållas så långt ifrån varandra som möjligt. När de två måste korsas bör de korsas vertikalt. Placera dem aldrig i samma rörledning eller kabelstege. Vissa användare följde dock inte strikt ovanstående krav vid kabeldragning, vilket resulterade i att utrustningen fungerade normalt under individuell felsökning men orsakade allvarliga störningar under normal produktion, vilket gjorde att den inte kunde fungera.
Särskild försiktighet bör också iakttas vid det dagliga underhållet av frekvensomvandlare. Vissa elektriker slår omedelbart på frekvensomvandlaren för underhåll så snart de upptäcker ett fel och löser ut den. Detta är mycket farligt och kan leda till personliga elstötar. Detta beror på att även om frekvensomvandlaren inte är i drift eller om strömförsörjningen har brutits, kan det fortfarande finnas spänning på strömförsörjningsledningen, likströmsterminalen och motorterminalen på frekvensomvandlaren på grund av närvaron av kondensatorer. Efter att brytaren har kopplats bort är det nödvändigt att vänta några minuter tills frekvensomvandlaren har urladdats helt innan arbetet påbörjas. Vissa elektriker är vana vid att omedelbart utföra isolationstester på motorn som drivs av frekvensomvandlarsystemet med hjälp av ett skakbord när de märker att systemet löser ut, för att avgöra om motorn har brunnit ut. Detta är också mycket farligt, eftersom det lätt kan orsaka att frekvensomvandlaren bränns. Därför får isolationstester inte utföras på motorn eller på kabeln som redan är ansluten till frekvensomvandlaren innan kabeln mellan motorn och frekvensomvandlaren kopplas bort.
Särskild uppmärksamhet bör också ägnas vid mätning av frekvensomvandlarens utgångsparametrar. Eftersom frekvensomvandlarens utgång är en PWM-vågform som innehåller hög ordningens övertoner, och motormomentet huvudsakligen beror på grundspänningens effektivvärde, mäts grundspänningsvärdet huvudsakligen med en likriktarvoltmeter vid mätning av utgångsspänningen. Mätresultaten är närmast de som mäts med en digital spektrumanalysator och har ett utmärkt linjärt förhållande till frekvensomvandlarens utgångsfrekvens. Om ytterligare förbättring av mätnoggrannheten behövs kan ett resistivt kapacitivt filter användas. Digitala multimetrar är benägna att störas och har betydande mätfel. Utströmmen måste mäta det totala effektivvärdet inklusive grundvågen och andra hög ordningens övertoner, så det vanligaste instrumentet är en rörlig spolamperemeter (när motorn är belastad är skillnaden mellan grundströmmens effektivvärde och det totala strömmens effektivvärde inte signifikant). Med tanke på mätningens bekvämlighet och användning av en strömtransformator kan strömtransformatorn mättas vid låga frekvenser, så det är nödvändigt att välja en strömtransformator med lämplig kapacitet.