Jos kaksi identtistä moottoria toimii 50 Hz:n verkkotaajuudella, toinen käyttää taajuusmuuttajaa ja toinen ei, ja sekä nopeus että vääntömomentti ovat moottorin nimellistilassa, voiko taajuusmuuttaja säästää tehoa? Kuinka paljon voidaan säästää?
Vastaus: Tässä tapauksessa taajuusmuuttaja voi vain parantaa tehokerrointa eikä säästää sähköä.
1. Taajuusmuunnos ei voi säästää sähköä kaikkialla, ja on monia tilanteita, joissa taajuusmuunnos ei välttämättä säästä sähköä.
2. Elektronisena piirinä taajuusmuuttaja itsekin kuluttaa virtaa (noin 2–5 % nimellistehosta)
3. On tosiasia, että taajuusmuuttajat toimivat verkkotaajuudella ja niillä on energiansäästötoimintoja. Mutta tämän edellytyksenä on:
Ensinnäkin, laitteella itsellään on energiansäästötoiminto (ohjelmistotuki), joka vastaa koko järjestelmän tai prosessin vaatimuksia;
Toiseksi, pitkäaikainen jatkuva käyttö.
Sitä paitsi sillä ei ole väliä, säästääkö se sähköä vai ei, se on merkityksetöntä. Jos sanotaan, että taajuusmuuttaja toimii energiansäästöisesti ilman ennakkoehtoja, se on liioittelua tai kaupallista spekulaatiota. Tietäen koko tarinan, käytät sitä taitavasti palveluksessasi. Muista kiinnittää huomiota käyttötilanteeseen ja -olosuhteisiin, jotta voit soveltaa sitä oikein, muuten se on sokeaa seuraamista, helposti uskomista ja pettämistä.
Taajuusmuuttajia käytettäessä meillä on usein seuraavia väärinkäsityksiä:
Väärinkäsitys 1: Taajuusmuuttajan käyttö voi säästää sähköä
Joissakin julkaisuissa väitetään, että taajuusmuuttajat ovat energiaa säästäviä ohjauslaitteita, mikä antaa vaikutelman, että taajuusmuuttajien käyttö voi säästää sähköä.
Itse asiassa syy siihen, miksi taajuusmuuttajat voivat säästää sähköä, on se, että ne voivat säätää sähkömoottoreiden nopeutta. Jos taajuusmuuttajat ovat energiansäästöisiä säätölaitteita, niin kaikkia nopeudensäätölaitteita voidaan myös pitää energiansäästöisinä säätölaitteina. Taajuusmuuttaja on vain hieman tehokkaampi ja tehokertoimeltaan parempi kuin muut nopeudensäätölaitteet.
Taajuusmuuttajan energiansäästökyky määräytyy sen kuorman nopeussäätöominaisuuksien perusteella. Keskipakoispuhaltimien ja keskipakopumppujen kaltaisilla kuormilla vääntömomentti on verrannollinen nopeuden neliöön ja teho nopeuden kuutioon. Niin kauan kuin käytetään alkuperäistä venttiilin ohjausvirtausta eikä se toimi täydellä kuormalla, vaihtamalla nopeudensäätökäyttöön voidaan saavuttaa energiansäästöä. Kun nopeus laskee 80 prosenttiin alkuperäisestä, teho on vain 51,2 % alkuperäisestä. Voidaan nähdä, että taajuusmuuttajien käytöllä tällaisissa kuormissa on merkittävin energiansäästövaikutus. Roots-puhaltimien kaltaisilla kuormilla vääntömomentti on riippumaton nopeudesta, eli vääntömomenttikuorma on vakio. Jos alkuperäinen menetelmä, jossa ylimääräistä ilmamäärää säädetään ilmamäärän säädöllä käyttämällä ilmausventtiiliä, muutetaan nopeudensäätökäyttöön, sekin voi saavuttaa energiansäästöä. Kun nopeus laskee 80 prosenttiin alkuperäisestä arvostaan, teho saavuttaa 80 prosenttia alkuperäisestä arvostaan. Energiansäästövaikutus on paljon pienempi kuin keskipakoispuhaltimien ja keskipakopumppujen sovelluksissa. Vakiotehokuormilla teho on riippumaton nopeudesta. Jatkuva tehokuormitus sementtitehtaassa, kuten annosteluhihnavaa'assa, hidastaa hihnan nopeutta, kun materiaalikerros on paksu tietyissä virtausolosuhteissa. Kun materiaalikerros on ohut, hihnan nopeus kasvaa. Taajuusmuuttajien käyttö tällaisissa kuormissa ei voi säästää sähköä.
Verrattuna tasavirtamoottorien nopeudensäätöjärjestelmiin, tasavirtamoottoreilla on korkeampi hyötysuhde ja tehokerroin kuin vaihtovirtamoottoreilla. Digitaalisten tasavirtasäätimien hyötysuhde on verrattavissa taajuusmuuttajien hyötysuhteeseen ja jopa hieman korkeampi. Siksi on virheellistä väittää, että asynkronisten vaihtovirtamoottoreiden ja taajuusmuuttajien käyttö säästäisi enemmän sähköä kuin tasavirtamoottorien ja tasavirtasäätimien käyttö, sekä teoreettisesti että käytännössä.
Väärinkäsitys 2: Taajuusmuuttajan kapasiteetin valinta perustuu moottorin nimellistehoon
Sähkömoottoreihin verrattuna taajuusmuuttajien hinta on suhteellisen korkea, joten on erittäin tärkeää pienentää taajuusmuuttajien kapasiteettia kohtuullisesti samalla varmistaen turvallinen ja luotettava toiminta.
Taajuusmuuttajan teholla tarkoitetaan sen nelinapaisen asynkronisen AC-moottorin tehoa, jolle se soveltuu.
Saman kapasiteetin omaavien moottoreiden eri napalukujen vuoksi moottorin nimellisvirta vaihtelee. Moottorin napalukujen kasvaessa myös moottorin nimellisvirta kasvaa. Taajuusmuuttajan kapasiteetin valinta ei voi perustua moottorin nimellistehoon. Samaan aikaan saneerausprojekteissa, joissa ei alun perin käytetty taajuusmuuttajia, taajuusmuuttajien kapasiteetin valinta ei voi perustua moottorin nimellisvirtaan. Tämä johtuu siitä, että sähkömoottorin kapasiteetin valinnassa on otettava huomioon sellaiset tekijät kuin maksimikuorma, ylijäämäkerroin ja moottorin tekniset tiedot. Usein ylijäämä on suuri, ja teollisuusmoottorit toimivat usein 50–60 %:n nimelliskuormalla. Jos taajuusmuuttajan kapasiteetti valitaan moottorin nimellisvirran perusteella, jää liikaa pelivaraa, mikä johtaa taloudelliseen hukkaan eikä luotettavuus parane.
Oikosulkumoottorien taajuusmuuttajan kapasiteetin valinnan tulisi perustua periaatteeseen, että taajuusmuuttajan nimellisvirta on suurempi tai yhtä suuri kuin 1,1 kertaa moottorin normaali suurin käyttövirta, mikä voi maksimoida kustannussäästöt. Raskaan kuormituksen käynnistyksen, korkean lämpötilan, käämimoottorin, tahtimoottorin jne. kaltaisissa olosuhteissa taajuusmuuttajan kapasiteettia tulisi lisätä asianmukaisesti.
Suunnitelmissa, joissa taajuusmuuttajia käytetään alusta alkaen, on ymmärrettävää valita taajuusmuuttajan kapasiteetti moottorin nimellisvirran perusteella. Tämä johtuu siitä, että taajuusmuuttajan kapasiteettia ei voida valita todellisten käyttöolosuhteiden perusteella tässä vaiheessa. Tietenkin investointien vähentämiseksi taajuusmuuttajan kapasiteetti voi joissakin tapauksissa olla aluksi epävarma, ja kun laite on ollut käynnissä jonkin aikaa, se voidaan valita todellisen virran perusteella.
Sisä-Mongoliassa sijaitsevan sementtiyhtiön halkaisijaltaan 2,4 m × 13 m olevan sementtimyllyn toissijaisessa jauhatusjärjestelmässä on yksi kotimaassa valmistettu N-1500 O-Sepa -tehokas jauheenvalitsin, jossa on 132 kW:n sähkömoottori Y2-315M-4. Valittuna on kuitenkin FRN160-P9S-4E-taajuusmuuttaja, joka sopii 160 kW:n tehoisille 4-napaisille moottoreille. Käyttöönoton jälkeen suurin toimintataajuus on 48 Hz ja virta vain 180 A, mikä on alle 70 % moottorin nimellisvirrasta. Itse moottorissa on huomattavaa ylimääräistä kapasiteettia. Taajuusmuuttajan tekniset tiedot ovat yhden tason suuremmat kuin käyttömoottorin, mikä aiheuttaa tarpeetonta hukkaa eikä paranna luotettavuutta.
Anhui Chaohun sementtitehtaan nro 3 kalkkikivimurskaimen syöttöjärjestelmässä on 1500 × 12000 levysyötin, ja käyttömoottorina on Y225M-4-vaihtovirtamoottori, jonka nimellisteho on 45 kW ja nimellisvirta 84,6 A. Ennen taajuusmuunnosnopeuden säätömuunnosta testauksessa havaittiin, että levysyöttimen normaalisti käyttämässä moottorissa keskimääräinen kolmivaihevirta on vain 30 A, mikä on vain 35,5 % moottorin nimellisvirrasta. Investointien säästämiseksi valittiin ACS601-0060-3-taajuusmuuttaja, jonka nimellislähtövirta on 76 A ja joka soveltuu 37 kW:n tehoisille 4-napaisille moottoreille hyvän suorituskyvyn saavuttamiseksi.
Nämä kaksi esimerkkiä havainnollistavat, että saneeraushankkeissa, joissa alun perin ei käytetty taajuusmuuttajia, taajuusmuuttajan kapasiteetin valitseminen todellisten käyttöolosuhteiden perusteella voi merkittävästi vähentää investointeja.
Väärinkäsitys 3: Yleismoottorit voivat toimia vain alennetulla nopeudella taajuusmuuttajilla, jotka ovat nimellisnopeuttaan alhaisempia.
Klassisen teorian mukaan yleismoottorin taajuuden yläraja on 55 Hz. Tämä johtuu siitä, että kun moottorin nopeutta on säädettävä nimellisnopeuden yläpuolelle toiminnan varmistamiseksi, staattorin taajuus kasvaa nimellistaajuuden (50 Hz) yläpuolelle. Tässä vaiheessa, jos vakiomomenttiperiaatetta noudatetaan edelleen ohjauksessa, staattorin jännite nousee nimellisjännitteen yläpuolelle. Joten kun nopeusalue on nimellisnopeutta suurempi, staattorin jännite on pidettävä vakiona nimellisjännitteessä. Tässä vaiheessa, kun nopeus/taajuus kasvaa, magneettivuo pienenee, mikä johtaa vääntömomentin pienenemiseen samalla staattorivirralla, mekaanisten ominaisuuksien pehmenemiseen ja moottorin ylikuormituskapasiteetin merkittävään pienenemiseen.
Tästä voidaan nähdä, että yleismoottorin taajuuden yläraja on 55 Hz, mikä on edellytys:
1. Staattorin jännite ei saa ylittää nimellisjännitettä;
2. Moottori toimii nimellisteholla;
3. Vakiomomenttikuorma.
Yllä olevassa tilanteessa teoria ja kokeet ovat osoittaneet, että jos taajuus ylittää 55 Hz, moottorin vääntömomentti pienenee, mekaaniset ominaisuudet pehmenevät, ylikuormituskapasiteetti pienenee, raudankulutus kasvaa nopeasti ja kuumeneminen on voimakasta.
Kirjoittaja uskoo, että sähkömoottoreiden todelliset käyttöolosuhteet osoittavat, että yleiskäyttöisiä moottoreita voidaan kiihdyttää taajuusmuuttajien avulla. Voidaanko muuttuvaa taajuusnopeutta lisätä? Kuinka paljon sitä voidaan nostaa? Se määräytyy pääasiassa sähkömoottorin vetävän kuorman mukaan. Ensinnäkin on tarpeen määrittää kuormitusnopeus. Toiseksi on tarpeen ymmärtää kuormitusominaisuudet ja tehdä laskelmat kuorman erityistilanteen perusteella. Lyhyt analyysi on seuraava:
1. Itse asiassa 380 V:n yleismoottoria on mahdollista käyttää pitkään, kun staattorijännite ylittää 10 % nimellisjännitteestä, vaikuttamatta moottorin eristykseen ja käyttöikään. Staattorijännite kasvaa, vääntömomentti kasvaa merkittävästi, staattorivirta laskee ja käämityksen lämpötila laskee.
2. Sähkömoottorin kuormitusnopeus on yleensä 50–60 %
Yleensä teollisuusmoottorit toimivat 50–60 %:n nimellisteholla. Laskelmien mukaan staattorivirta pienenee 26,4 %, kun moottorin lähtöteho on 70 % nimellistehosta ja staattorijännite kasvaa 7 %. Tällöin staattorivirta ei ainoastaan kasva, vaan jopa pienenee, vaikka vääntömomenttia säädetään jatkuvasti ja moottorin nopeutta nostetaan 20 % taajuusmuuttajalla. Vaikka moottorin rautahäviö kasvaa jyrkästi taajuuden nostamisen jälkeen, sen tuottama lämpö on merkityksetön verrattuna staattorivirran laskun aiheuttamaan lämpöön. Siksi myös moottorin käämityksen lämpötila laskee merkittävästi.
3. Kuormaominaisuuksia on erilaisia
Sähkömoottorikäyttöjärjestelmä palvelee kuormaa, ja eri kuormilla on erilaiset mekaaniset ominaisuudet. Sähkömoottoreiden on täytettävä kuorman mekaanisten ominaisuuksien vaatimukset kiihdytyksen jälkeen. Laskelmien mukaan vakiomomenttikuormien suurin sallittu käyttötaajuus (fmax) eri kuormitusnopeuksilla (k) on kääntäen verrannollinen kuormitusnopeuteen eli fmax=fe/k, jossa fe on nimellistehotaajuus. Vakiotehokuormilla yleismoottoreiden suurinta sallittua käyttötaajuutta rajoittaa pääasiassa moottorin roottorin ja akselin mekaaninen lujuus. Kirjoittaja uskoo, että on yleensä suositeltavaa rajoittaa se 100 Hz:n taajuusalueelle.
Sovellusesimerkki:
Tietyssä tehtaassa ketjukauhakuljettimella on vakio vääntömomenttikuormitus, ja tuotannon kasvun vuoksi sen moottorin nopeutta on nostettava 20 %. Moottorimalli on Y180L-6, nimellisteho 15 kW, nimellisjännite 380 V, nimellisvirta 31,6 A, nimellisnopeus 980 r/min, hyötysuhde 89,5 %, tehokerroin 0,81, käyttövirta 18–20 A, suurin käyttöteho normaaleissa olosuhteissa 7,5 kW ja kuormitusaste 50 %. CIMR-G5A4015-taajuusmuuttajan asennuksen jälkeen käyttötaajuus on 60 Hz, nopeus kasvaa 20 %, taajuusmuuttajan suurin lähtöjännite on 410 V, moottorin käyttövirta on 12–15 A, mikä laskee noin 30 %, ja moottorin käämityksen lämpötila laskee merkittävästi.
Väärinkäsitys 4: Taajuusmuuttajien luontaisten ominaisuuksien laiminlyönti
Taajuusmuuttajan virheenkorjaustyöt suorittaa yleensä jakelija, eikä ongelmia ilmene. Taajuusmuuttajan asennus on suhteellisen yksinkertaista ja yleensä käyttäjän itsensä suorittama. Jotkut käyttäjät eivät lue taajuusmuuttajan käyttöohjetta huolellisesti, eivät noudata tarkasti rakennetta koskevia teknisiä vaatimuksia, jättävät huomiotta itse taajuusmuuttajan ominaisuudet, rinnastavat sen yleisiin sähkökomponentteihin ja toimivat oletusten ja kokemuksen perusteella, mikä asettaa piileviä vaaroja vioille ja onnettomuuksille.
Taajuusmuuttajan käyttöoppaan mukaan moottoriin kytkettävän kaapelin tulee olla suojattu kaapeli tai panssaroitu kaapeli, mieluiten metalliputkeen asennettuna. Katkaistun kaapelin päiden tulee olla mahdollisimman siististi, suojaamattomien osien tulee olla mahdollisimman lyhyitä, eikä kaapelin pituus saa ylittää tiettyä etäisyyttä (yleensä 50 m). Kun taajuusmuuttajan ja moottorin välinen johdotusmatka on pitkä, kaapelin korkea harmoninen vuotovirta vaikuttaa haitallisesti taajuusmuuttajaan ja ympäröiviin laitteisiin. Taajuusmuuttajan ohjaamasta moottorista palaava maadoitusjohdin tulee kytkeä suoraan taajuusmuuttajan vastaavaan maadoitusliittimeen. Taajuusmuuttajan maadoitusjohtoa ei tule jakaa hitsauskoneiden ja teholaitteiden kanssa, ja sen tulee olla mahdollisimman lyhyt. Taajuusmuuttajan tuottaman vuotovirran vuoksi maadoitusliittimen potentiaali on epävakaa, jos se on liian kaukana maadoituspisteestä. Taajuusmuuttajan maadoitusjohtimen vähimmäispoikkileikkauspinta-alan on oltava suurempi tai yhtä suuri kuin virtalähteen kaapelin poikkileikkauspinta-ala. Häiriöiden aiheuttamien toimintahäiriöiden estämiseksi ohjauskaapeleissa tulee käyttää kierrettyjä suojattuja johtimia tai kaksisäikeisiä suojattuja johtimia. Samalla on varottava koskettamasta suojattua verkkokaapelia muiden signaalijohtojen ja laitteiden koteloiden kanssa, ja se on kiedottava eristysteipillä. Kohinan välttämiseksi ohjauskaapelin pituus ei saa ylittää 50 metriä. Ohjauskaapeli ja moottorikaapeli on asennettava erikseen erillisiin kaapelikouruihin ja pidettävä mahdollisimman kaukana toisistaan. Jos niiden on risteävä, ne on risteävä pystysuunnassa. Niitä ei saa koskaan asettaa samaan putkistoon tai kaapelikouruun. Jotkut käyttäjät eivät kuitenkaan noudattaneet tarkasti yllä olevia vaatimuksia kaapeleita asentaessaan, minkä seurauksena laite toimi normaalisti yksittäisen virheenkorjauksen aikana, mutta normaalin tuotannon aikana se aiheutti vakavia häiriöitä, mikä teki siitä toimintakyvyttömän.
Jos sementtitehtaan toisioilman lämpötilamittari näyttää yhtäkkiä poikkeavia lukemia: ilmoitettu arvo on merkittävästi alhainen ja vaihtelee suuresti. Se on toiminut erittäin hyvin ennen tätä. Termoelementit, lämpötilalähettimet ja toisioilman mittalaitteet tarkastettiin, eikä ongelmia löytynyt. Mitkä ovat olennaisia? Kun laite siirrettiin toiseen mittauspisteeseen, se toimi täysin normaalisti. Kuitenkin, kun vastaavia laitteita muista mittauspisteistä vaihdettiin täällä, sama ilmiö tapahtui myös. Myöhemmin havaittiin, että arinan jäähdyttimen jäähdytyspuhaltimen nro 3 moottoriin oli asennettu uusi taajuusmuuttaja, ja vasta taajuusmuuttajan käyttöönoton jälkeen toisioilman lämpötilamittari näytti poikkeavia lukemia. Pysäytä taajuusmuuttaja ja palauta toisioilman lämpötilamittari välittömästi normaaliksi. Käynnistämällä taajuusmuuttajan uudelleen toisioilman lämpötilamittari näytti jälleen poikkeavia lukemia. Useiden toistuvien testien jälkeen todettiin, että taajuusmuuttajan aiheuttama häiriö oli suora syy toisioilman lämpötilamittarin poikkeavaan näyttöön. Puhallin on keskipakoispuhallin, joka alun perin käytti venttiilejä ilmamäärän säätämiseen, mutta myöhemmin se muutettiin muuttuvataajuiseen nopeussäätöön ilmamäärän säätämiseksi. Työmaan suuren pölymäärän ja ankaran ympäristön vuoksi taajuusmuuttaja on asennettu MCC:n (Motor Control Center) valvomoon. Rakenteen helpottamiseksi taajuusmuuttaja on kytketty puhaltimen pääkontaktorin alapuolelle, ja taajuusmuuttajan lähtökaapeli käyttää puhaltimen moottorin virtakaapelia. Puhallinmoottorin virtakaapeli on PVC-eristetty, ei-teräksestä valmistettu panssaroidun vaippakaapeli, ja se on asennettu rinnakkain toisioilman lämpötilamittarin signaalikaapelin kanssa saman kaapelikourun eri siltakerroksiin. Voidaan nähdä, että juuri siksi, että taajuusmuuttajan lähtökaapelissa ei käytetä panssaroiduilla kaapeleilla tai sitä ei ole vedetty rautaputkien läpi, esiintyy interferenssi-ilmiöitä. Tähän oppituntiin tulisi kiinnittää erityistä huomiota saneerausprojekteissa, joissa ei alun perin käytetty taajuusmuuttajia.
Taajuusmuuttajien päivittäisessä huollossa on myös noudatettava erityistä huolellisuutta. Jotkut sähköasentajat käynnistävät taajuusmuuttajan välittömästi huoltoa varten heti, kun he havaitsevat vian ja laukaisevat sen. Tämä on erittäin vaarallista ja voi johtaa henkilökohtaisiin sähköiskuihin. Tämä johtuu siitä, että vaikka taajuusmuuttaja ei olisi toiminnassa tai virransyöttö olisi katkaistu, taajuusmuuttajan syöttöjohdossa, tasavirtaliittimessä ja moottoriliittimessä voi silti olla jännitettä kondensaattoreiden vuoksi. Kytkimen irrottamisen jälkeen on odotettava muutama minuutti, jotta taajuusmuuttaja purkautuu kokonaan ennen töiden aloittamista. Jotkut sähköasentajat ovat tottuneet suorittamaan välittömästi eristystestejä taajuusmuuttajan käyttämälle moottorille ravistelupöydällä, kun he havaitsevat järjestelmän laukeamisen, jotta voidaan määrittää, onko moottori palanut. Tämä on myös erittäin vaarallista, koska se voi helposti aiheuttaa taajuusmuuttajan palamisen. Siksi ennen moottorin ja taajuusmuuttajan välisen kaapelin irrottamista eristystestiä ei saa suorittaa moottorille eikä taajuusmuuttajaan jo kytketylle kaapelille.