Якщо два однакові двигуни працюють на частоті 50 Гц, один використовує перетворювач частоти, а інший ні, і швидкість і крутний момент відповідають номінальному стану двигуна, чи може перетворювач частоти заощадити енергію? Скільки можна заощадити?
Відповідь: У цьому випадку перетворювач частоти може лише покращити коефіцієнт потужності та не може заощадити електроенергію.
1. Перетворення частоти не може економити електроенергію скрізь, і є багато випадків, коли перетворення частоти не обов'язково економить електроенергію.
2. Як електронна схема, перетворювач частоти також споживає потужність (близько 2-5% від номінальної потужності)
3. Це факт, що перетворювачі частоти працюють на промисловій частоті та мають функції енергозбереження. Але їх обов'язковою умовою є:
По-перше, сам пристрій має функцію енергозбереження (програмна підтримка), яка відповідає вимогам усієї системи або процесу;
По-друге, тривала безперервна експлуатація.
Крім того, неважливо, економить він електроенергію чи ні, це безглуздо. Якщо кажуть, що перетворювач частоти працює енергозберігаючим способом без будь-яких попередніх умов, це перебільшення або комерційна спекуляція. Знаючи всю історію, ви вміло використаєте його на свою користь. Обов'язково звертайте увагу на ситуацію та умови використання, щоб правильно їх застосовувати, інакше ви будете сліпо слідувати, легко вірити та бути обманутим.
Ми часто маємо такі помилкові уявлення щодо використання перетворювачів частоти:
Помилка 1: Використання перетворювача частоти може заощаджувати електроенергію
У деяких літературних джерелах стверджується, що перетворювачі частоти є енергозберігаючими продуктами керування, що створює враження, що використання перетворювачів частоти може заощаджувати електроенергію.
Фактично, причина, чому перетворювачі частоти можуть економити електроенергію, полягає в тому, що вони можуть регулювати швидкість електродвигунів. Якщо перетворювачі частоти є енергозберігаючими продуктами керування, то все обладнання для регулювання швидкості також можна вважати енергозберігаючими продуктами керування. Перетворювач частоти лише трохи ефективніший та має коефіцієнт потужності, ніж інші пристрої керування швидкістю.
Чи може перетворювач частоти досягти економії енергії, визначається характеристиками регулювання швидкості його навантаження. Для таких навантажень, як відцентрові вентилятори та відцентрові насоси, крутний момент пропорційний квадрату швидкості, а потужність – кубу швидкості. Поки використовується оригінальний регулювальний клапан потоку і він не працює на повному навантаженні, перехід на регулювання швидкості може досягти економії енергії. Коли швидкість падає до 80% від початкової, потужність становить лише 51,2% від початкової. Можна побачити, що застосування перетворювачів частоти в таких навантаженнях має найбільш значний ефект економії енергії. Для таких навантажень, як повітродувки Рутса, крутний момент не залежить від швидкості, тобто навантаження з постійним крутним моментом. Якщо оригінальний метод використання вентиляційного клапана для випуску надлишкового об'єму повітря для регулювання об'єму повітря змінити на режим регулювання швидкості, це також може досягти економії енергії. Коли швидкість падає до 80% від початкового значення, потужність досягає 80% від початкового значення. Ефект економії енергії набагато менший, ніж при застосуванні у відцентрових вентиляторах та відцентрових насосах. Для навантажень з постійною потужністю потужність не залежить від швидкості. Постійне навантаження на цементному заводі, таке як конвеєрні ваги, уповільнює швидкість стрічки, коли шар матеріалу товстий за певних умов потоку; коли шар матеріалу тонкий, швидкість стрічки збільшується. Застосування перетворювачів частоти при таких навантаженнях не може забезпечити економію електроенергії.
Порівняно з системами регулювання швидкості постійного струму, двигуни постійного струму мають вищий ККД та коефіцієнт потужності, ніж двигуни змінного струму. ККД цифрових регуляторів швидкості постійного струму порівнянний з ККД перетворювачів частоти і навіть трохи вищий, ніж у перетворювачів частоти. Тому стверджувати, що використання асинхронних двигунів змінного струму та перетворювачів частоти економить більше електроенергії, ніж використання двигунів постійного струму та регуляторів постійного струму, як теоретично, так і практично, неправильно.
Помилка 2: Вибір потужності перетворювача частоти базується на номінальній потужності двигуна.
Порівняно з електродвигунами, ціна на перетворювачі частоти є відносно високою, тому дуже важливо розумно зменшити потужність перетворювачів частоти, забезпечуючи при цьому безпечну та надійну роботу.
Потужність перетворювача частоти стосується потужності 4-полюсного асинхронного двигуна змінного струму, для якого він підходить.
Через різну кількість полюсів двигунів з однаковою потужністю номінальний струм двигуна змінюється. Зі збільшенням кількості полюсів двигуна також збільшується номінальний струм двигуна. Вибір потужності перетворювача частоти не може базуватися на номінальній потужності двигуна. Водночас, для проектів реконструкції, в яких спочатку не використовувалися перетворювачі частоти, вибір потужності перетворювачів частоти не може базуватися на номінальному струмі двигуна. Це пояснюється тим, що вибір потужності електродвигуна повинен враховувати такі фактори, як максимальне навантаження, коефіцієнт надлишку та технічні характеристики двигуна. Часто надлишок великий, і промислові двигуни часто працюють на 50%-60% від номінального навантаження. Якщо потужність перетворювача частоти вибирається на основі номінального струму двигуна, залишається занадто великий запас, що призводить до економічних втрат, і надійність не покращується.
Для двигунів з короткозамкненим ротором вибір потужності перетворювача частоти повинен базуватися на принципі, що номінальний струм перетворювача частоти має бути більшим або дорівнювати 1,1-кратному максимальному нормальному робочому струму двигуна, що може максимізувати економію коштів. Для таких умов, як пуск під великим навантаженням, висока температура середовища, двигун з обмоткою, синхронний двигун тощо, потужність перетворювача частоти слід відповідно збільшити.
Для конструкцій, які з самого початку використовують перетворювачі частоти, зрозуміло, що потужність перетворювача частоти вибирається на основі номінального струму двигуна. Це пояснюється тим, що потужність перетворювача частоти на даний момент не може бути вибрана на основі фактичних умов експлуатації. Звичайно, щоб зменшити інвестиції, у деяких випадках потужність перетворювача частоти спочатку може бути невизначеною, а після певного часу роботи обладнання її можна вибрати на основі фактичного струму.
У системі вторинного подрібнення цементного млина діаметром 2,4 м × 13 м на одній цементній компанії у Внутрішній Монголії встановлено один високоефективний селектор порошку N-1500 O-Sepa вітчизняного виробництва, оснащений електродвигуном моделі Y2-315M-4 потужністю 132 кВт. Однак було обрано перетворювач частоти FRN160-P9S-4E, який підходить для 4-полюсних двигунів потужністю 160 кВт. Після введення в експлуатацію максимальна робоча частота становить 48 Гц, а струм – лише 180 А, що становить менше 70% від номінального струму двигуна. Сам двигун має значну надлишкову потужність. А характеристики перетворювача частоти на один рівень вищі, ніж у приводного двигуна, що призводить до непотрібних втрат і не підвищує надійність.
Система подачі вапнякової дробарки №3 на цементному заводі Anhui Chaohu використовує пластинчастий живильник 1500 × 12000, а приводний двигун використовує двигун змінного струму Y225M-4 з номінальною потужністю 45 кВт та номінальним струмом 84,6 А. Перед перетворенням частоти та регулюванням швидкості випробуваннями було виявлено, що коли пластинчастий живильник приводить двигун у нормальний режим, середній трифазний струм становить лише 30 А, що становить лише 35,5% від номінального струму двигуна. З метою економії інвестицій було обрано перетворювач частоти ACS601-0060-3 з номінальним вихідним струмом 76 А, який підходить для 4-полюсних двигунів потужністю 37 кВт, забезпечуючи хороші характеристики.
Ці два приклади ілюструють, що для проектів реконструкції, в яких спочатку не використовувалися перетворювачі частоти, вибір потужності перетворювача частоти на основі фактичних умов експлуатації може значно зменшити інвестиції.
Помилка 3: Загальні двигуни можуть працювати лише зі зниженою швидкістю, використовуючи перетворювачі частоти нижче їхньої номінальної швидкості передачі.
Класична теорія стверджує, що верхня межа частоти універсального двигуна становить 55 Гц. Це пояснюється тим, що коли для роботи потрібно регулювати швидкість двигуна вище номінальної, частота статора зросте вище номінальної частоти (50 Гц). У цьому випадку, якщо для керування все ще дотримується принципу постійного крутного моменту, напруга статора зросте вище номінальної напруги. Отже, коли діапазон швидкості вищий за номінальну швидкість, напруга статора повинна підтримуватися постійною на рівні номінальної напруги. У цьому випадку, зі збільшенням швидкості/частоти, магнітний потік зменшиться, що призведе до зменшення крутного моменту при тому ж струмі статора, пом'якшення механічних характеристик та значного зниження перевантажувальної здатності двигуна.
З цього видно, що верхня межа частоти універсального двигуна становить 55 Гц, що є обов'язковою умовою:
1. Напруга статора не може перевищувати номінальну напругу;
2. Двигун працює на номінальній потужності;
3. Постійне навантаження з крутним моментом.
У вищезгаданій ситуації теорія та експерименти довели, що якщо частота перевищує 55 Гц, крутний момент двигуна зменшиться, механічні характеристики стануть м'якшими, перевантажувальна здатність зменшиться, витрата заліза швидко зросте, а нагрівання буде сильним.
Автор вважає, що фактичні умови експлуатації електродвигунів свідчать про те, що двигуни загального призначення можна прискорити за допомогою перетворювачів частоти. Чи можна збільшити швидкість зі змінною частотою? Наскільки це можна збільшити? Це головним чином визначається навантаженням, яке переносить електродвигун. По-перше, необхідно визначити, яка швидкість навантаження. По-друге, необхідно розуміти характеристики навантаження та проводити розрахунки на основі конкретної ситуації навантаження. Короткий аналіз виглядає наступним чином:
1. Фактично, універсальний двигун на 380 В може працювати тривалий час, коли напруга статора перевищує 10% від номінальної напруги, не впливаючи на ізоляцію та термін служби двигуна. Напруга статора збільшується, крутний момент значно збільшується, струм статора зменшується, а температура обмотки знижується.
2. Коефіцієнт навантаження електродвигуна зазвичай становить від 50% до 60%.
Зазвичай промислові двигуни працюють на 50%-60% від своєї номінальної потужності. Розрахунками показано, що коли вихідна потужність двигуна становить 70% від номінальної потужності, а напруга статора збільшується на 7%, струм статора зменшується на 26,4%. У цей час, навіть за умови постійного контролю крутного моменту та використання перетворювача частоти для збільшення швидкості двигуна на 20%, струм статора не тільки не збільшується, але й зменшується. Хоча втрати в сталі двигуна різко зростають після збільшення частоти, тепло, яке він генерує, є незначним порівняно з теплом, що зменшується внаслідок зменшення струму статора. Тому температура обмотки двигуна також значно знизиться.
3. Існують різні характеристики навантаження
Система приводу електродвигуна обслуговує навантаження, а різні навантаження мають різні механічні характеристики. Електродвигуни повинні відповідати вимогам до механічних характеристик навантаження після розгону. Згідно з розрахунками, максимально допустима робоча частота (fmax) для навантажень з постійним моментом при різних швидкостях навантаження (k) обернено пропорційна швидкостям навантаження, тобто fmax=fe/k, де fe - номінальна частота потужності. Для навантажень з постійним струмом максимально допустима робоча частота загальних двигунів головним чином обмежується механічною міцністю ротора та вала двигуна. Автор вважає, що загалом доцільно обмежувати її в межах 100 Гц.
Приклад застосування:
Ланцюговий ковшовий конвеєр на певному заводі має постійне крутне навантаження, і через збільшення виробництва швидкість його двигуна необхідно збільшити на 20%. Модель двигуна - Y180L-6, з номінальною потужністю 15 кВт, номінальною напругою 380 В, номінальним струмом 31,6 А, номінальною швидкістю 980 об/хв, ККД 89,5%, коефіцієнтом потужності 0,81, робочим струмом 18-20 А, максимальною робочою потужністю 7,5 кВт за нормальних умов та коефіцієнтом навантаження 50%. Після встановлення перетворювача частоти CIMR-G5A4015 робоча частота становить 60 Гц, швидкість збільшується на 20%, максимальна вихідна напруга перетворювача частоти встановлюється на 410 В, робочий струм двигуна становить 12-15 А, що зменшується приблизно на 30%, а температура обмотки двигуна значно знижується.
Помилка 4: Нехтування властивими характеристиками перетворювачів частоти
Налагодження перетворювача частоти зазвичай виконує дистриб'ютор, і з цим не виникне жодних проблем. Встановлення перетворювача частоти є відносно простим і зазвичай виконується користувачем. Деякі користувачі не уважно читають інструкцію користувача перетворювача частоти, не дотримуються суворо технічних вимог до конструкції, ігнорують характеристики самого перетворювача частоти, ототожнюють його із загальними електричними компонентами та діють на основі припущень та досвіду, приховуючи небезпеку несправностей та аварій.
Згідно з інструкцією користувача перетворювача частоти, кабель, підключений до двигуна, повинен бути екранованим або броньованим, бажано прокладеним у металевій трубці. Кінці обрізаного кабелю повинні бути якомога акуратнішими, неекрановані сегменти повинні бути якомога коротшими, а довжина кабелю не повинна перевищувати певну відстань (зазвичай 50 м). Коли відстань між перетворювачем частоти та двигуном велика, струм витоку високих гармонік з кабелю матиме негативний вплив на перетворювач частоти та навколишнє обладнання. Заземлювальний провід, що повертається від двигуна, керованого перетворювачем частоти, повинен бути безпосередньо підключений до відповідної заземлювальної клеми перетворювача частоти. Заземлювальний провід перетворювача частоти не повинен використовуватись спільно зі зварювальними апаратами та силовим обладнанням і повинен бути якомога коротшим. Через струм витоку, що генерується перетворювачем частоти, якщо він знаходиться занадто далеко від точки заземлення, потенціал заземлювальної клеми буде нестабільним. Мінімальна площа поперечного перерізу заземлювального дроту перетворювача частоти повинна бути більшою або дорівнювати площі поперечного перерізу кабелю живлення. Щоб запобігти неправильній роботі, спричиненій перешкодами, кабелі керування повинні використовувати скручені екрановані дроти або двожильні екрановані дроти. Водночас слідкуйте за тим, щоб екранований мережевий кабель не торкався інших сигнальних ліній та корпусів обладнання, і обмотайте його ізоляційною стрічкою. Щоб уникнути впливу перешкод, довжина кабелю керування не повинна перевищувати 50 м. Кабель керування та кабель двигуна повинні прокладатися окремо, використовуючи окремі кабельні лотки, і триматися якомога далі один від одного. Якщо вони мають перетинатися, їх слід перетинати вертикально. Ніколи не розміщуйте їх в одному трубопроводі або кабельному лотку. Однак деякі користувачі не дотримувалися суворо вищезазначених вимог під час прокладання кабелів, що призводило до нормальної роботи обладнання під час окремого налагодження, але спричиняло серйозні перешкоди під час нормального виробництва, що унеможливлювало його роботу.
Якщо датчик температури вторинного повітря цементного заводу раптово показує аномальні показники: зазначене значення значно занижене та сильно коливається. До цього він працював дуже добре. Перевірено термопари, датчики температури та вторинні прилади, жодних проблем не виявлено. Які з них мають значення? Коли прилад було перенесено до іншої точки вимірювання, він працював абсолютно нормально. Однак, коли тут були замінені аналогічні прилади з інших точок вимірювання, те саме явище також спостерігалося. Пізніше було виявлено, що на двигуні вентилятора охолодження № 3 у решітчастому охолоджувачі встановлено новий перетворювач частоти, і лише після введення перетворювача частоти в експлуатацію датчик температури вторинного повітря показав аномальні показники. Зупиніть перетворювач частоти та негайно відновіть нормальний стан датчика температури вторинного повітря; Після перезапуску перетворювача частоти датчик температури вторинного повітря знову показав аномальні показники. Після багаторазового тестування було встановлено, що перешкоди від перетворювача частоти були безпосередньою причиною аномального відображення на датчику температури вторинного повітря. Вентилятор - це відцентровий вентилятор, який спочатку використовував клапани для регулювання об'єму повітря, але пізніше був переведений на регулювання швидкості зі змінною частотою для регулювання об'єму повітря. Через велику кількість пилу та суворі умови на об'єкті, перетворювач частоти встановлено в диспетчерській MCC (центру керування двигуном). Для зручності будівництва перетворювач частоти підключено до нижньої сторони головного контактора вентилятора, а вихідний кабель перетворювача частоти використовує кабель живлення двигуна вентилятора. Кабель живлення двигуна вентилятора являє собою кабель з ПВХ-ізоляцією та несталевою броньованою оболонкою, який прокладається паралельно сигнальному кабелю вимірювача температури вторинного повітря в різних шарах мосту однієї кабельної траншеї. Видно, що саме тому, що вихідний кабель перетворювача частоти не використовує броньовані кабелі або не прокладається через залізні труби, виникають явища перешкод. Особливу увагу слід приділити проектам реконструкції, в яких спочатку не використовувалися перетворювачі частоти.
Також слід бути особливо обережним під час щоденного обслуговування перетворювачів частоти. Деякі електрики негайно вмикають перетворювач частоти для технічного обслуговування, щойно виявляють несправність, і вимикають його. Це дуже небезпечно і може призвести до ураження електричним струмом. Це пояснюється тим, що навіть якщо перетворювач частоти не працює або живлення було відключено, на вхідній лінії живлення, клемі постійного струму та клемі двигуна перетворювача частоти все ще може бути напруга через наявність конденсаторів. Після відключення вимикача необхідно почекати кілька хвилин, щоб перетворювач частоти повністю розрядився, перш ніж розпочати роботу. Деякі електрики звикли негайно проводити випробування ізоляції двигуна, що керується системою частотного приводу, за допомогою трясовика, коли помічають відключення системи, щоб визначити, чи не згорів двигун. Це також дуже небезпечно, оскільки може легко призвести до згоряння перетворювача частоти. Тому перед відключенням кабелю між двигуном і перетворювачем частоти не можна проводити випробування ізоляції ні на двигуні, ні на кабелі, який вже підключено до перетворювача частоти.