Se due motori identici funzionano a una frequenza di rete di 50 Hz, uno utilizza un convertitore di frequenza e l'altro no, e sia la velocità che la coppia sono allo stato nominale del motore, il convertitore di frequenza può far risparmiare energia? Quanto si può risparmiare?
Risposta: In questo caso, il convertitore di frequenza può solo migliorare il fattore di potenza e non può risparmiare elettricità.
1. La conversione di frequenza non può far risparmiare elettricità ovunque e ci sono molte occasioni in cui la conversione di frequenza non necessariamente fa risparmiare elettricità.
2. In quanto circuito elettronico, anche il convertitore di frequenza consuma energia (circa il 2-5% della potenza nominale)
3. È un dato di fatto che i convertitori di frequenza funzionano alla frequenza di rete e hanno funzioni di risparmio energetico. Ma il prerequisito è:
In primo luogo, il dispositivo stesso ha una funzione di risparmio energetico (supporto software), che soddisfa i requisiti dell'intero sistema o processo;
In secondo luogo, il funzionamento continuo a lungo termine.
Inoltre, non importa se risparmi energia o meno, è inutile. Se si afferma che il convertitore di frequenza funziona a risparmio energetico senza precondizioni, si tratta di un'esagerazione o di una speculazione commerciale. Conoscendo tutta la storia, lo userete abilmente per i vostri scopi. Assicuratevi di prestare attenzione alla situazione e alle condizioni d'uso per applicarlo correttamente, altrimenti seguirete ciecamente, crederete facilmente e verrete ingannati.
Quando si utilizzano i convertitori di frequenza, spesso si hanno i seguenti equivoci:
Idea sbagliata 1: l'utilizzo di un convertitore di frequenza può far risparmiare elettricità
In alcuni testi si sostiene che i convertitori di frequenza siano prodotti di controllo a risparmio energetico, dando l'impressione che l'utilizzo di convertitori di frequenza possa far risparmiare elettricità.
In effetti, il motivo per cui i convertitori di frequenza consentono di risparmiare energia elettrica è la loro capacità di regolare la velocità dei motori elettrici. Se i convertitori di frequenza sono dispositivi di controllo a risparmio energetico, allora anche tutte le apparecchiature di controllo della velocità possono essere considerate dispositivi di controllo a risparmio energetico. Il convertitore di frequenza è solo leggermente più efficiente e con un fattore di potenza più elevato rispetto ad altri dispositivi di controllo della velocità.
La capacità di un convertitore di frequenza di ottenere un risparmio energetico è determinata dalle caratteristiche di regolazione della velocità del suo carico. Per carichi come ventilatori centrifughi e pompe centrifughe, la coppia è proporzionale al quadrato della velocità e la potenza è proporzionale al cubo della velocità. Finché si utilizza la portata di controllo della valvola originale e non si opera a pieno carico, il passaggio alla regolazione della velocità può portare a un risparmio energetico. Quando la velocità scende all'80% del valore originale, la potenza è solo il 51,2% del valore originale. Si può osservare che l'applicazione di convertitori di frequenza a tali carichi ha l'effetto di risparmio energetico più significativo. Per carichi come i ventilatori Roots, la coppia è indipendente dalla velocità, ovvero un carico a coppia costante. Se il metodo originale, che prevedeva l'utilizzo di una valvola di sfiato per rilasciare il volume d'aria in eccesso per regolare il volume d'aria, viene modificato in un funzionamento a regolazione di velocità, si può anche ottenere un risparmio energetico. Quando la velocità scende all'80% del suo valore originale, la potenza raggiunge l'80% del suo valore originale. L'effetto di risparmio energetico è molto inferiore a quello delle applicazioni in ventilatori centrifughi e pompe centrifughe. Per carichi a potenza costante, la potenza è indipendente dalla velocità. Un carico a potenza costante in un cementificio, come una bilancia a nastro per il dosaggio, rallenta la velocità del nastro quando lo strato di materiale è spesso in determinate condizioni di flusso; quando lo strato di materiale è sottile, la velocità del nastro aumenta. L'applicazione di convertitori di frequenza in tali carichi non può far risparmiare energia elettrica.
Rispetto ai sistemi di controllo della velocità in corrente continua, i motori in corrente continua presentano un'efficienza e un fattore di potenza più elevati rispetto ai motori in corrente alternata. L'efficienza dei regolatori di velocità digitali in corrente continua è paragonabile a quella dei convertitori di frequenza, e persino leggermente superiore. Pertanto, è errato affermare che l'utilizzo di motori asincroni in corrente alternata e convertitori di frequenza consenta di risparmiare più energia elettrica rispetto all'utilizzo di motori e regolatori in corrente continua, sia in teoria che in pratica.
Idea sbagliata 2: la selezione della capacità del convertitore di frequenza si basa sulla potenza nominale del motore
Rispetto ai motori elettrici, il prezzo dei convertitori di frequenza è relativamente elevato, quindi è molto importante ridurre ragionevolmente la capacità dei convertitori di frequenza garantendone al contempo un funzionamento sicuro e affidabile.
La potenza di un convertitore di frequenza si riferisce alla potenza del motore asincrono CA a 4 poli per cui è adatto.
A causa del diverso numero di poli dei motori a parità di potenza, la corrente nominale del motore varia. All'aumentare del numero di poli del motore, aumenta anche la corrente nominale del motore. La selezione della potenza del convertitore di frequenza non può essere basata sulla potenza nominale del motore. Allo stesso tempo, per i progetti di ristrutturazione che originariamente non utilizzavano convertitori di frequenza, la selezione della potenza dei convertitori di frequenza non può essere basata sulla corrente nominale del motore. Questo perché la selezione della potenza del motore elettrico dovrebbe considerare fattori quali il carico massimo, il coefficiente di surplus e le specifiche del motore. Spesso, il surplus è elevato e i motori industriali funzionano spesso al 50-60% del carico nominale. Se la potenza del convertitore di frequenza viene selezionata in base alla corrente nominale del motore, il margine rimanente è eccessivo, con conseguente spreco economico e mancato miglioramento dell'affidabilità.
Per i motori a gabbia di scoiattolo, la selezione della capacità del convertitore di frequenza dovrebbe basarsi sul principio che la corrente nominale del convertitore di frequenza sia maggiore o uguale a 1,1 volte la corrente massima di funzionamento normale del motore, il che può massimizzare il risparmio sui costi. In condizioni quali avviamento con carichi pesanti, ambienti ad alta temperatura, motori avvolti, motori sincroni, ecc., la capacità del convertitore di frequenza dovrebbe essere opportunamente aumentata.
Per i progetti che utilizzano convertitori di frequenza fin dall'inizio, è comprensibile scegliere la capacità del convertitore di frequenza in base alla corrente nominale del motore. Questo perché la capacità del convertitore di frequenza non può essere selezionata in base alle condizioni operative effettive in questo momento. Naturalmente, per ridurre gli investimenti, in alcuni casi, la capacità del convertitore di frequenza può essere inizialmente incerta e, dopo che l'apparecchiatura è stata in funzione per un certo periodo di tempo, può essere selezionata in base alla corrente effettiva.
Nel sistema di macinazione secondaria di un mulino per cemento con un diametro di 2,4 m × 13 m, presso un'azienda cementiera della Mongolia Interna, è presente un selettore di polveri ad alta efficienza N-1500 O-Sepa di produzione nazionale, dotato di un motore elettrico modello Y2-315M-4 con una potenza di 132 kW. Tuttavia, è stato selezionato il convertitore di frequenza FRN160-P9S-4E, adatto per motori a 4 poli con una potenza di 160 kW. Dopo la messa in funzione, la frequenza di lavoro massima è di 48 Hz e la corrente è di soli 180 A, ovvero meno del 70% della corrente nominale del motore. Il motore stesso ha una notevole capacità in eccesso. Inoltre, le specifiche del convertitore di frequenza sono di un livello superiore a quelle del motore di azionamento, il che causa inutili sprechi e non ne migliora l'affidabilità.
Il sistema di alimentazione del frantoio per calcare n. 3 presso lo stabilimento di cemento Anhui Chaohu adotta un alimentatore a piastre da 1500 × 12000 mm e il motore di azionamento utilizza un motore CA Y225M-4 con una potenza nominale di 45 kW e una corrente nominale di 84,6 A. Prima della trasformazione della regolazione della velocità tramite conversione di frequenza, i test hanno dimostrato che quando l'alimentatore a piastre aziona il motore normalmente, la corrente trifase media è di soli 30 A, pari a solo il 35,5% della corrente nominale del motore. Per risparmiare sull'investimento, è stato selezionato il convertitore di frequenza ACS601-0060-3, che ha una corrente di uscita nominale di 76 A ed è adatto a motori a 4 poli con una potenza di 37 kW, garantendo buone prestazioni.
Questi due esempi dimostrano che, per i progetti di ristrutturazione che originariamente non prevedevano l'uso di convertitori di frequenza, la scelta della capacità del convertitore di frequenza in base alle effettive condizioni operative può ridurre significativamente gli investimenti.
Idea sbagliata 3: i motori generali possono funzionare solo a velocità ridotta utilizzando convertitori di frequenza al di sotto della loro velocità di trasmissione nominale
La teoria classica sostiene che il limite superiore della frequenza di un motore universale sia 55 Hz. Questo perché quando la velocità del motore deve essere regolata oltre la velocità nominale per il funzionamento, la frequenza dello statore aumenterà oltre la frequenza nominale (50 Hz). A questo punto, se si segue ancora il principio di coppia costante per il controllo, la tensione dello statore aumenterà oltre la tensione nominale. Pertanto, quando l'intervallo di velocità è superiore alla velocità nominale, la tensione dello statore deve essere mantenuta costante alla tensione nominale. A questo punto, all'aumentare della velocità/frequenza, il flusso magnetico diminuirà, con conseguente diminuzione della coppia a parità di corrente dello statore, ammorbidimento delle caratteristiche meccaniche e una significativa riduzione della capacità di sovraccarico del motore.
Da ciò si evince che il limite superiore della frequenza di un motore universale è 55 Hz, il che è un prerequisito:
1. La tensione dello statore non può superare la tensione nominale;
2. Il motore funziona alla potenza nominale;
3. Carico di coppia costante.
Nella situazione sopra descritta, la teoria e gli esperimenti hanno dimostrato che se la frequenza supera i 55 Hz, la coppia del motore diminuirà, le caratteristiche meccaniche diventeranno più morbide, la capacità di sovraccarico diminuirà, il consumo di ferro aumenterà rapidamente e il surriscaldamento sarà intenso.
L'autore ritiene che le reali condizioni operative dei motori elettrici indichino che i motori per uso generale possano essere accelerati tramite convertitori di frequenza. È possibile aumentare la velocità a frequenza variabile? Di quanto? Dipende principalmente dal carico trascinato dal motore elettrico. Innanzitutto, è necessario determinare qual è la portata del carico. In secondo luogo, è necessario comprendere le caratteristiche del carico ed effettuare calcoli basati sulla situazione specifica del carico. Di seguito una breve analisi:
1. Infatti, per un motore universale da 380 V, è possibile utilizzarlo a lungo quando la tensione dello statore supera il 10% della tensione nominale, senza compromettere l'isolamento e la durata del motore. La tensione dello statore aumenta, la coppia aumenta significativamente, la corrente dello statore diminuisce e la temperatura degli avvolgimenti diminuisce.
2. Il tasso di carico del motore elettrico è solitamente dal 50% al 60%
Generalmente, i motori industriali funzionano al 50-60% della loro potenza nominale. Calcolando, quando la potenza di uscita del motore è pari al 70% della potenza nominale e la tensione dello statore aumenta del 7%, la corrente dello statore diminuisce del 26,4%. In questo caso, anche con controllo di coppia costante e utilizzando un convertitore di frequenza per aumentare la velocità del motore del 20%, la corrente dello statore non solo non aumenta, ma addirittura diminuisce. Sebbene le perdite nel ferro del motore aumentino drasticamente dopo l'aumento della frequenza, il calore generato è trascurabile rispetto al calore ridotto dalla diminuzione della corrente dello statore. Pertanto, anche la temperatura dell'avvolgimento del motore diminuirà significativamente.
3. Esistono varie caratteristiche di carico
Il sistema di azionamento del motore elettrico è al servizio del carico, e carichi diversi presentano caratteristiche meccaniche diverse. I motori elettrici devono soddisfare i requisiti delle caratteristiche meccaniche del carico dopo l'accelerazione. Secondo i calcoli, la frequenza operativa massima consentita (fmax) per carichi a coppia costante a diverse velocità di carico (k) è inversamente proporzionale alla velocità di carico, ovvero fmax = f e/k, dove f e è la frequenza di potenza nominale. Per carichi a potenza costante, la frequenza operativa massima consentita dei motori elettrici è limitata principalmente dalla resistenza meccanica del rotore e dell'albero del motore. L'autore ritiene che sia generalmente consigliabile limitarla entro 100 Hz.
Esempio di applicazione:
Il trasportatore a catena a tazze di una determinata fabbrica ha un carico di coppia costante e, a causa dell'aumento della produzione, la velocità del motore deve essere aumentata del 20%. Il modello del motore è Y180L-6, con una potenza nominale di 15 kW, una tensione nominale di 380 V, una corrente nominale di 31,6 A, una velocità nominale di 980 giri/min, un'efficienza dell'89,5%, un fattore di potenza di 0,81, una corrente di esercizio di 18-20 A, una potenza di esercizio massima di 7,5 kW in condizioni normali e un tasso di carico del 50%. Dopo aver installato il convertitore di frequenza CIMR-G5A4015, la frequenza di esercizio è di 60 Hz, la velocità viene aumentata del 20%, la tensione di uscita massima del convertitore di frequenza viene impostata a 410 V, la corrente di esercizio del motore è di 12-15 A, che diminuisce di circa il 30% e la temperatura dell'avvolgimento del motore diminuisce significativamente.
Idea sbagliata 4: Trascurare le caratteristiche intrinseche dei convertitori di frequenza
Il lavoro di debug del convertitore di frequenza viene solitamente eseguito dal distributore e non si verificheranno problemi. L'installazione di un convertitore di frequenza è relativamente semplice e solitamente eseguita dall'utente. Alcuni utenti non leggono attentamente il manuale d'uso del convertitore di frequenza, non seguono scrupolosamente i requisiti tecnici di costruzione, ignorano le caratteristiche del convertitore di frequenza stesso, lo equiparano a componenti elettrici generali e agiscono basandosi su ipotesi ed esperienza, nascondendo rischi di guasti e incidenti.
Secondo il manuale utente del convertitore di frequenza, il cavo collegato al motore deve essere schermato o armato, preferibilmente posato in un tubo metallico. Le estremità del cavo devono essere tagliate il più possibile in modo ordinato, i segmenti non schermati devono essere il più corti possibile e la lunghezza del cavo non deve superare una certa distanza (solitamente 50 m). Quando la distanza di cablaggio tra il convertitore di frequenza e il motore è elevata, l'elevata corrente di dispersione armonica dal cavo avrà effetti negativi sul convertitore di frequenza e sulle apparecchiature circostanti. Il filo di terra di ritorno dal motore controllato dal convertitore di frequenza deve essere collegato direttamente al corrispondente morsetto di terra del convertitore di frequenza. Il filo di terra del convertitore di frequenza non deve essere condiviso con saldatrici e apparecchiature elettriche e deve essere il più corto possibile. A causa della corrente di dispersione generata dal convertitore di frequenza, se questo è troppo lontano dal punto di terra, il potenziale del morsetto di terra sarà instabile. La sezione minima del filo di terra del convertitore di frequenza deve essere maggiore o uguale alla sezione del cavo di alimentazione. Per evitare malfunzionamenti causati da interferenze, i cavi di controllo devono utilizzare fili schermati intrecciati o fili schermati a doppio filamento. Allo stesso tempo, fare attenzione a non toccare il cavo di rete schermato con altre linee di segnale e involucri delle apparecchiature e avvolgerlo con nastro isolante. Per evitare interferenze, la lunghezza del cavo di controllo non deve superare i 50 m. Il cavo di controllo e il cavo motore devono essere posati separatamente, utilizzando canaline portacavi separate, e tenuti il più lontano possibile. Quando i due devono incrociarsi, devono essere incrociati verticalmente. Non posizionarli mai nella stessa tubazione o canalina portacavi. Tuttavia, alcuni utenti non hanno seguito rigorosamente i requisiti di cui sopra durante la posa dei cavi, con il risultato che l'apparecchiatura funzionava normalmente durante il debug individuale ma causava gravi interferenze durante la normale produzione, rendendola incapace di funzionare.
Se l'indicatore della temperatura dell'aria secondaria di un cementificio mostra improvvisamente letture anomale: il valore indicato è significativamente basso e oscilla notevolmente. In precedenza funzionava molto bene. Sono state controllate termocoppie, trasmettitori di temperatura e strumenti secondari, ma non sono stati riscontrati problemi. Quali sono i problemi rilevanti? Quando lo strumento è stato spostato in un altro punto di misurazione, ha funzionato perfettamente normalmente. Tuttavia, quando strumenti simili provenienti da altri punti di misurazione sono stati sostituiti qui, si è verificato lo stesso fenomeno. Successivamente, si è scoperto che un nuovo convertitore di frequenza era stato installato sul motore della ventola di raffreddamento n. 3 nel raffreddatore a griglia, e solo dopo la messa in funzione del convertitore di frequenza l'indicatore della temperatura dell'aria secondaria ha mostrato letture anomale. Arrestare il convertitore di frequenza e ripristinare immediatamente l'indicatore della temperatura dell'aria secondaria alla normalità; riavviando il convertitore di frequenza, l'indicatore della temperatura dell'aria secondaria ha mostrato nuovamente letture anomale. Dopo ripetuti test, è stato determinato che l'interferenza del convertitore di frequenza era la causa diretta della visualizzazione anomala sull'indicatore della temperatura dell'aria secondaria. Il ventilatore è un ventilatore centrifugo, che originariamente utilizzava valvole per regolare il volume d'aria, ma in seguito è stato sostituito con un regolatore di velocità a frequenza variabile per regolare il volume d'aria. A causa dell'elevata quantità di polvere e dell'ambiente ostile del sito, il convertitore di frequenza è installato nella sala controllo MCC (Motor Control Center). Per praticità costruttiva, il convertitore di frequenza è collegato al lato inferiore del contattore principale del ventilatore e il cavo di uscita del convertitore di frequenza utilizza il cavo di alimentazione del motore del ventilatore. Il cavo di alimentazione del motore del ventilatore è un cavo con guaina non in acciaio e isolamento in PVC, ed è posato parallelamente al cavo del segnale del misuratore di temperatura dell'aria secondaria in diversi strati a ponte della stessa trincea. Si può notare che è proprio perché il cavo di uscita del convertitore di frequenza non utilizza cavi armati né viene posato attraverso tubi di ferro che si verificano fenomeni di interferenza. Questa lezione dovrebbe essere prestata particolare attenzione ai progetti di ristrutturazione che originariamente non utilizzavano convertitori di frequenza.
Particolare attenzione deve essere prestata anche alla manutenzione quotidiana dei convertitori di frequenza. Alcuni elettricisti accendono immediatamente il convertitore di frequenza per la manutenzione non appena rilevano un guasto e lo fanno scattare. Questa operazione è molto pericolosa e può causare scosse elettriche. Questo perché, anche se il convertitore di frequenza non è in funzione o l'alimentazione è stata interrotta, potrebbe esserci ancora tensione sulla linea di ingresso, sul terminale CC e sul terminale del motore del convertitore di frequenza a causa della presenza di condensatori. Dopo aver scollegato l'interruttore, è necessario attendere alcuni minuti affinché il convertitore di frequenza si scarichi completamente prima di iniziare a lavorare. Alcuni elettricisti sono soliti eseguire immediatamente test di isolamento sul motore azionato dal sistema di azionamento a frequenza variabile utilizzando una tavola vibrante quando notano lo scatto del sistema, per determinare se il motore è bruciato. Anche questa operazione è molto pericolosa, in quanto può facilmente causare la bruciatura del convertitore di frequenza. Pertanto, prima di scollegare il cavo tra il motore e il convertitore di frequenza, non è necessario eseguire test di isolamento sul motore, né sul cavo già collegato al convertitore di frequenza.