Pokud dva identické motory pracují na síťové frekvenci 50 Hz, jeden používá frekvenční měnič a druhý ne, a otáčky i točivý moment jsou v jmenovitém stavu motoru, může frekvenční měnič ušetřit energii? Kolik lze ušetřit?
Odpověď: V tomto případě může frekvenční měnič pouze zlepšit účiník a nemůže šetřit elektřinu.
1. Frekvenční převod nemůže šetřit elektřinu všude a existuje mnoho případů, kdy frekvenční převod nemusí nutně šetřit elektřinu.
2. Jako elektronický obvod spotřebovává i samotný měnič kmitočtu energii (asi 2–5 % jmenovitého výkonu).
3. Je faktem, že frekvenční měniče pracují na síťové frekvenci a mají funkce úspory energie. Jeho předpokladem je však:
Za prvé, samotné zařízení má funkci úspory energie (softwarová podpora), která odpovídá požadavkům celého systému nebo procesu;
Za druhé, dlouhodobý nepřetržitý provoz.
Kromě toho nezáleží na tom, zda šetří elektřinu nebo ne, je to nesmyslné. Pokud se říká, že měnič kmitočtu pracuje energeticky úsporně bez jakýchkoli předběžných podmínek, je to přehnané nebo komerční spekulace. Pokud znáte celý příběh, chytře ho využijete ve své služby. Věnujte pozornost situaci a podmínkám použití, abyste jej mohli správně aplikovat, jinak budete slepě následovat, snadno uvěřit a nechat se oklamat.
Při používání frekvenčních měničů máme často následující mylné představy:
Mylná představa 1: Použití frekvenčního měniče může ušetřit elektřinu
V některé literatuře se uvádí, že frekvenční měniče jsou energeticky úsporné řídicí produkty, což vytváří dojem, že používání frekvenčních měničů může šetřit elektřinu.
Důvodem, proč mohou frekvenční měniče šetřit elektřinu, je ve skutečnosti to, že dokáží regulovat otáčky elektromotorů. Pokud jsou frekvenční měniče energeticky úspornými regulačními produkty, pak lze za energeticky úsporné regulační produkty považovat i všechna zařízení pro regulaci otáček. Frekvenční měnič je jen o něco účinnější a má vyšší účiník než jiná zařízení pro regulaci otáček.
Zda může frekvenční měnič dosáhnout úspory energie, je určeno charakteristikami regulace otáček jeho zátěže. U zátěží, jako jsou odstředivé ventilátory a odstředivá čerpadla, je točivý moment úměrný druhé mocnině otáček a výkon je úměrný třetí mocnině otáček. Pokud se používá původní regulační průtok ventilu a zařízení nepracuje s plným zatížením, může změna na provoz s regulací otáček dosáhnout úspory energie. Když otáčky klesou na 80 % původní hodnoty, výkon je pouze 51,2 % původní hodnoty. Je zřejmé, že použití frekvenčních měničů u takových zátěží má nejvýznamnější účinek na úsporu energie. U zátěží, jako jsou Rootsova dmychadla, je točivý moment nezávislý na otáčkách, tj. zatížení s konstantním točivým momentem. Pokud se původní metoda použití odvzdušňovacího ventilu k uvolnění přebytečného objemu vzduchu pro úpravu objemu vzduchu změní na provoz s regulací otáček, lze také dosáhnout úspory energie. Když otáčky klesnou na 80 % původní hodnoty, výkon dosáhne 80 % původní hodnoty. Úsporný efekt je mnohem menší než u aplikací u odstředivých ventilátorů a odstředivých čerpadel. U zátěží s konstantním výkonem je výkon nezávislý na otáčkách. Konstantní zatížení v cementárně, například dávkovací pásová váha, zpomaluje rychlost pásu, když je vrstva materiálu za určitých podmínek proudění silná; když je vrstva materiálu tenká, rychlost pásu se zvyšuje. Použití frekvenčních měničů u takového zatížení nemůže šetřit elektřinu.
Ve srovnání se systémy regulace otáček stejnosměrným proudem mají stejnosměrné motory vyšší účinnost a účiník než střídavé motory. Účinnost digitálních stejnosměrných regulátorů otáček je srovnatelná s účinností frekvenčních měničů a dokonce o něco vyšší než účinnost frekvenčních měničů. Proto je nesprávné tvrdit, že použití asynchronních střídavých motorů a frekvenčních měničů šetří více elektřiny než použití stejnosměrných motorů a stejnosměrných regulátorů, a to jak teoreticky, tak prakticky.
Mylná představa 2: Výběr výkonu frekvenčního měniče je založen na jmenovitém výkonu motoru
Ve srovnání s elektromotory je cena frekvenčních měničů relativně vysoká, takže je velmi smysluplné rozumně snížit výkon frekvenčních měničů a zároveň zajistit bezpečný a spolehlivý provoz.
Výkon frekvenčního měniče se vztahuje k výkonu čtyřpólového asynchronního motoru na střídavý proud, pro který je vhodný.
Vzhledem k různému počtu pólů motorů se stejnou kapacitou se mění jmenovitý proud motoru. S rostoucím počtem pólů motoru se zvyšuje i jmenovitý proud motoru. Výběr kapacity frekvenčního měniče nemůže být založen na jmenovitém výkonu motoru. Zároveň u rekonstrukčních projektů, které původně nepoužívaly frekvenční měniče, nemůže být výběr kapacity frekvenčních měničů založen na jmenovitém proudu motoru. Je to proto, že výběr kapacity elektromotoru by měl zohledňovat faktory, jako je maximální zatížení, koeficient přebytku a specifikace motoru. Přebytek je často velký a průmyslové motory často pracují s 50 % až 60 % jmenovitého zatížení. Pokud je kapacita frekvenčního měniče zvolena na základě jmenovitého proudu motoru, zbývá příliš velká rezerva, což vede k ekonomickému plýtvání a spolehlivost se tím nezlepší.
U motorů s kotvou nakrátko by měl být výběr výkonu frekvenčního měniče založen na principu, že jmenovitý proud frekvenčního měniče je větší nebo roven 1,1násobku maximálního normálního provozního proudu motoru, což může maximalizovat úspory nákladů. Pro podmínky, jako je rozběh při vysokém zatížení, prostředí s vysokou teplotou, motor s vinutím, synchronní motor atd., by měl být výkon frekvenčního měniče odpovídajícím způsobem zvýšen.
U konstrukcí, které od začátku používají frekvenční měniče, je pochopitelné volit kapacitu frekvenčního měniče na základě jmenovitého proudu motoru. Je to proto, že kapacitu frekvenčního měniče nelze v tuto chvíli zvolit na základě skutečných provozních podmínek. Samozřejmě, aby se snížily investice, může být v některých případech kapacita frekvenčního měniče zpočátku nejistá a po určité době provozu zařízení ji lze zvolit na základě skutečného proudu.
V systému sekundárního mletí cementového mlýna o průměru 2,4 m × 13 m v jisté cementárně ve Vnitřním Mongolsku se nachází jeden tuzemsky vyráběný vysoce účinný selektor prášku N-1500 O-Sepa, vybavený elektromotorem modelu Y2-315M-4 o výkonu 132 kW. Byl však zvolen frekvenční měnič FRN160-P9S-4E, který je vhodný pro 4pólové motory o výkonu 160 kW. Po uvedení do provozu je maximální pracovní frekvence 48 Hz a proud pouze 180 A, což je méně než 70 % jmenovitého proudu motoru. Samotný motor má značnou nadbytečnou kapacitu. Specifikace frekvenčního měniče jsou o úroveň vyšší než specifikace hnacího motoru, což způsobuje zbytečné plýtvání a nezlepšuje spolehlivost.
Systém dávkování drtiče vápence č. 3 v cementárně Anhui Chaohu využívá deskový podavač o rozměrech 1500 × 12000 a hnací motor využívá střídavý motor Y225M-4 s jmenovitým výkonem 45 kW a jmenovitým proudem 84,6 A. Před transformací regulace otáček s frekvenčním převodem bylo testováním zjištěno, že když deskový podavač pohání motor normálně, průměrný třífázový proud je pouze 30 A, což představuje pouze 35,5 % jmenovitého proudu motoru. Aby se ušetřily investice, byl zvolen frekvenční měnič ACS601-0060-3 s jmenovitým výstupním proudem 76 A, který je vhodný pro 4pólové motory s výkonem 37 kW a dosahuje dobrého výkonu.
Tyto dva příklady ilustrují, že u rekonstrukčních projektů, které původně nepoužívaly frekvenční měniče, může výběr výkonu frekvenčního měniče na základě skutečných provozních podmínek výrazně snížit investice.
Mylná představa 3: Obecné motory mohou pracovat pouze se sníženou rychlostí s použitím frekvenčních měničů pod jejich jmenovitou přenosovou rychlostí.
Klasická teorie tvrdí, že horní hranice frekvence univerzálního motoru je 55 Hz. Je to proto, že když je nutné pro provoz upravit otáčky motoru nad jmenovité otáčky, frekvence statoru se zvýší nad jmenovitou frekvenci (50 Hz). V tomto bodě, pokud je pro řízení stále dodržován princip konstantního momentu, se napětí statoru zvýší nad jmenovité napětí. Pokud je tedy rozsah otáček vyšší než jmenovité otáčky, musí být napětí statoru udržováno konstantní na jmenovitém napětí. V tomto bodě, s rostoucími otáčkami/frekvencí, se magnetický tok snižuje, což má za následek pokles točivého momentu při stejném proudu statoru, změkčení mechanických charakteristik a významné snížení přetížitelnosti motoru.
Z toho je patrné, že horní hranice frekvence univerzálního motoru je 55 Hz, což je předpoklad:
1. Napětí statoru nesmí překročit jmenovité napětí;
2. Motor pracuje na jmenovitý výkon;
3. Konstantní momentové zatížení.
Ve výše uvedené situaci teorie a experimenty prokázaly, že pokud frekvence překročí 55 Hz, sníží se točivý moment motoru, mechanické vlastnosti se změkčí, sníží se přetížitelnost, prudce se zvýší spotřeba železa a dojde k silnému zahřívání.
Autor se domnívá, že skutečné provozní podmínky elektromotorů naznačují, že univerzální motory lze zrychlit pomocí frekvenčních měničů. Lze zvýšit otáčky s proměnnou frekvencí? O kolik? To je určeno především zátěží taženou elektromotorem. Zaprvé je nutné určit, jaká je míra zatížení. Zadruhé je nutné pochopit charakteristiky zatížení a provést výpočty na základě specifické situace zátěže. Stručná analýza je následující:
1. Ve skutečnosti je možné univerzální motor na 380 V provozovat po dlouhou dobu, když napětí statoru překročí 10 % jmenovitého napětí, aniž by to ovlivnilo izolaci a životnost motoru. Napětí statoru se zvyšuje, točivý moment se výrazně zvyšuje, proud statoru se snižuje a teplota vinutí se snižuje.
2. Míra zatížení elektromotoru je obvykle 50 % až 60 %
Průmyslové motory obecně pracují na 50 % až 60 % svého jmenovitého výkonu. Výpočtem vyplývá, že když výstupní výkon motoru dosahuje 70 % jmenovitého výkonu a napětí statoru se zvýší o 7 %, statorový proud se sníží o 26,4 %. V tomto okamžiku, i při konstantní regulaci momentu a použití frekvenčního měniče ke zvýšení otáček motoru o 20 %, se statorový proud nejen nezvyšuje, ale dokonce se snižuje. Přestože ztráty v železe motoru po zvýšení frekvence prudce rostou, teplo generované tímto motorem je zanedbatelné ve srovnání s teplem sníženým snížením statorového proudu. Proto se výrazně sníží i teplota vinutí motoru.
3. Existují různé charakteristiky zatížení
Systém pohonu elektromotoru slouží k obsluze zátěže a různé zátěže mají různé mechanické vlastnosti. Elektromotory musí po zrychlení splňovat požadavky na mechanické vlastnosti zátěže. Podle výpočtů je maximální přípustná provozní frekvence (fmax) pro zatížení s konstantním momentem při různých rychlostech zatížení (k) nepřímo úměrná rychlosti zatížení, tj. fmax=fe/k, kde fe je jmenovitá výkonová frekvence. Pro zatížení s konstantním výkonem je maximální přípustná provozní frekvence běžných motorů omezena především mechanickou pevností rotoru a hřídele motoru. Autor se domnívá, že je obecně vhodné omezit ji na 100 Hz.
Příklad aplikace:
Řetězový korečkový dopravník v určité továrně má konstantní krouticí moment a vzhledem ke zvýšení výroby je třeba zvýšit otáčky jeho motoru o 20 %. Model motoru je Y180L-6 s jmenovitým výkonem 15 kW, jmenovitým napětím 380 V, jmenovitým proudem 31,6 A, jmenovitými otáčkami 980 ot./min, účinností 89,5 %, účiníkem 0,81, provozním proudem 18–20 A, maximálním provozním výkonem 7,5 kW za normálních podmínek a mírou zatížení 50 %. Po instalaci frekvenčního měniče CIMR-G5A4015 je provozní frekvence 60 Hz, otáčky se zvýší o 20 %, maximální výstupní napětí frekvenčního měniče je nastaveno na 410 V, provozní proud motoru je 12–15 A, což se sníží přibližně o 30 %, a teplota vinutí motoru se výrazně sníží.
Mylná představa 4: Zanedbávání inherentních vlastností frekvenčních měničů
Ladění frekvenčního měniče obvykle provádí distributor a nevznikají s ním žádné problémy. Instalace frekvenčního měniče je relativně jednoduchá a obvykle ji provádí uživatel. Někteří uživatelé si pečlivě nepřečtou uživatelskou příručku k frekvenčnímu měniči, nedodržují striktně technické požadavky na konstrukci, ignorují vlastnosti samotného frekvenčního měniče, srovnávají ho s obecnými elektrickými součástkami a jednají na základě předpokladů a zkušeností, čímž skrývají skrytá nebezpečí poruch a nehod.
Podle uživatelské příručky k frekvenčnímu měniči by měl být kabel připojený k motoru stíněný nebo pancéřovaný, nejlépe uložený v kovové trubce. Konce uříznutého kabelu by měly být co nejčistší, nestíněné segmenty by měly být co nejkratší a délka kabelu by neměla překročit určitou vzdálenost (obvykle 50 m). Pokud je vzdálenost kabelu mezi frekvenčním měničem a motorem velká, bude mít svodový proud s vysokými harmonickými z kabelu nepříznivý vliv na frekvenční měnič a okolní zařízení. Zemnící vodič vracející se z motoru ovládaného frekvenčním měničem by měl být přímo připojen k odpovídající zemnící svorce frekvenčního měniče. Zemnící vodič frekvenčního měniče by neměl být sdílen se svářečkami a výkonovými zařízeními a měl by být co nejkratší. Vzhledem ke svodovému proudu generovanému frekvenčním měničem, pokud je příliš daleko od zemnícího bodu, bude potenciál zemnící svorky nestabilní. Minimální průřez zemnícího vodiče frekvenčního měniče musí být větší nebo roven průřezu napájecího kabelu. Aby se zabránilo nesprávnému provozu způsobenému rušením, měly by být ovládací kabely položeny kroucenými stíněnými vodiči nebo dvouvláknovými stíněnými vodiči. Zároveň dbejte na to, aby se stíněný síťový kabel nedotýkal jiných signálních vodičů a pouzder zařízení, a omotejte jej izolační páskou. Aby nedošlo k rušení rušením, délka ovládacího kabelu by neměla překročit 50 m. Ovládací kabel a kabel motoru musí být vedeny odděleně, pomocí samostatných kabelových žlabů a co nejdále od sebe. Pokud se musí oba kabely křížit, měly by být kříženy svisle. Nikdy je neumísťujte do stejného potrubí nebo kabelového žlabu. Někteří uživatelé však při pokládání kabelů striktně nedodržovali výše uvedené požadavky, což vedlo k tomu, že zařízení při individuálním ladění běželo normálně, ale při běžné výrobě způsobovalo vážné rušení, což znemožňovalo jeho provoz.
Pokud teploměr sekundárního vzduchu v cementárně náhle ukazuje abnormální hodnoty: zobrazená hodnota je výrazně nízká a značně kolísá. Předtím fungoval velmi dobře. Zkontrolovány byly termočlánky, teplotní vysílače a sekundární přístroje, nebyly zjištěny žádné problémy. Které jsou relevantní? Když byl přístroj přesunut na jiné měřicí místo, fungoval zcela normálně. Když však byly zde vyměněny podobné přístroje z jiných měřicích míst, došlo ke stejnému jevu. Později se zjistilo, že na motoru chladicího ventilátoru č. 3 v roštovém chladiči byl nainstalován nový frekvenční měnič a teprve po uvedení frekvenčního měniče do provozu teploměr sekundárního vzduchu vykazoval abnormální hodnoty. Vypněte frekvenční měnič a okamžitě obnovte normální nastavení teploměru sekundárního vzduchu. Po restartování frekvenčního měniče teploměr sekundárního vzduchu opět vykazoval abnormální hodnoty. Po několika opakovaných testech bylo zjištěno, že přímou příčinou abnormálního zobrazení na teploměru sekundárního vzduchu bylo rušení z frekvenčního měniče. Ventilátor je odstředivý ventilátor, který původně používal ventily k nastavení objemu vzduchu, ale později byl změněn na regulaci otáček s proměnnou frekvencí pro nastavení objemu vzduchu. Vzhledem k velkému množství prachu a drsnému prostředí na místě je frekvenční měnič instalován v řídicí místnosti MCC (Motor Control Center). Pro usnadnění konstrukce je frekvenční měnič připojen ke spodní straně hlavního stykače ventilátoru a výstupní kabel frekvenčního měniče využívá napájecí kabel motoru ventilátoru. Napájecí kabel motoru ventilátoru je kabel s PVC izolací a nepancéřovaným pláštěm a je veden paralelně se signálním kabelem měřiče teploty sekundárního vzduchu v různých můstkových vrstvách stejného kabelového výkopu. Je zřejmé, že právě proto, že výstupní kabel frekvenčního měniče nepoužívá pancéřované kabely ani není veden železnými trubkami, dochází k rušení. Této lekci je třeba věnovat zvláštní pozornost u rekonstrukčních projektů, které původně nepoužívaly frekvenční měniče.
Zvláštní pozornost je třeba věnovat i každodenní údržbě frekvenčních měničů. Někteří elektrikáři ihned po zjištění poruchy zapnou frekvenční měnič kvůli údržbě a vypnou ho. To je velmi nebezpečné a může to vést k úrazu elektrickým proudem. Je to proto, že i když frekvenční měnič není v provozu nebo je napájení přerušeno, na vstupním napájecím vedení, stejnosměrné svorce a svorce motoru frekvenčního měniče může být stále napětí v důsledku přítomnosti kondenzátorů. Po odpojení spínače je nutné před zahájením práce několik minut počkat, aby se frekvenční měnič zcela vybil. Někteří elektrikáři jsou zvyklí ihned po zjištění vypnutí systému provádět izolační zkoušky motoru poháněného systémem frekvenčního měniče pomocí vibračního stolu, aby zjistili, zda motor neshořel. To je také velmi nebezpečné, protože to může snadno způsobit spálení frekvenčního měniče. Proto se před odpojením kabelu mezi motorem a frekvenčním měničem nesmí provádět izolační zkoušky motoru ani kabelu, který je již k frekvenčnímu měniči připojen.