Als twee identieke motoren werken op een netfrequentie van 50 Hz, de ene een frequentieomvormer gebruikt en de andere niet, en zowel het toerental als het koppel zich in de nominale toestand van de motor bevinden, kan de frequentieomvormer dan energie besparen? Hoeveel kan er bespaard worden?
Antwoord: In dit geval kan de frequentieomvormer alleen de vermogensfactor verbeteren en kan er geen elektriciteit worden bespaard.
1. Frequentieomzetting kan niet overal elektriciteit besparen, en er zijn veel situaties waarin frequentieomzetting niet noodzakelijkerwijs elektriciteit bespaart.
2. Als elektronisch circuit verbruikt de frequentieomvormer zelf ook stroom (ongeveer 2-5% van het nominale vermogen)
3. Het is een feit dat frequentieregelaars werken op de netfrequentie en energiebesparende functies hebben. Maar de voorwaarde is:
Ten eerste beschikt het apparaat zelf over een energiebesparende functie (softwareondersteuning), die aansluit bij de eisen van het gehele systeem of proces;
Ten tweede, een langdurige, continue werking.
Bovendien maakt het niet uit of het elektriciteit bespaart of niet, het is zinloos. Als er wordt gezegd dat de frequentieomvormer energiebesparend werkt zonder enige voorwaarden, is dat overdrijving of commerciële speculatie. Als u het hele verhaal kent, zult u hem slim inzetten om u van dienst te zijn. Let wel op de gebruikssituatie en -omstandigheden om het correct toe te passen, anders is het een kwestie van blindelings volgen, te gemakkelijk geloven en misleid worden.
Bij het gebruik van frequentieregelaars bestaan vaak de volgende misverstanden:
Misvatting 1: Door een frequentieomvormer te gebruiken, kunt u elektriciteit besparen
In sommige literatuur wordt beweerd dat frequentieregelaars energiebesparende regelproducten zijn. Daarmee wordt de indruk gewekt dat met het gebruik van frequentieregelaars elektriciteit kan worden bespaard.
Frequentieomvormers kunnen elektriciteit besparen omdat ze de snelheid van elektromotoren kunnen regelen. Als frequentieomvormers energiebesparende regelproducten zijn, dan kunnen alle snelheidsregelapparatuur ook als energiebesparende regelproducten worden beschouwd. De frequentieomvormer is slechts iets efficiënter en heeft een hogere arbeidsfactor dan andere snelheidsregelapparatuur.
Of een frequentieomvormer energie kan besparen, hangt af van de snelheidsregeling van de belasting. Voor belastingen zoals centrifugaalventilatoren en centrifugaalpompen is het koppel evenredig met het kwadraat van de snelheid en het vermogen evenredig met de derde macht van de snelheid. Zolang de oorspronkelijke klepregeling wordt gebruikt en deze niet op volle belasting draait, kan overschakelen naar snelheidsregeling energie besparen. Wanneer de snelheid daalt tot 80% van de oorspronkelijke waarde, bedraagt het vermogen slechts 51,2% van de oorspronkelijke waarde. Het is duidelijk dat de toepassing van frequentieomvormers bij dergelijke belastingen het meest significante energiebesparende effect heeft. Voor belastingen zoals Roots-blowers is het koppel onafhankelijk van de snelheid, d.w.z. een constante koppelbelasting. Als de oorspronkelijke methode, waarbij een ontluchtingsklep wordt gebruikt om overtollig luchtvolume af te voeren om het luchtvolume aan te passen, wordt overgeschakeld naar snelheidsregeling, kan dit ook energie besparen. Wanneer de snelheid daalt tot 80% van de oorspronkelijke waarde, bereikt het vermogen 80% van de oorspronkelijke waarde. Het energiebesparende effect is veel kleiner dan bij toepassingen in centrifugaalventilatoren en centrifugaalpompen. Bij constante vermogensbelastingen is het vermogen onafhankelijk van de snelheid. Een constante vermogensbelasting in een cementfabriek, zoals een doseerbandweegschaal, vertraagt de bandsnelheid wanneer de materiaallaag dik is onder bepaalde stromingsomstandigheden; wanneer de materiaallaag dun is, neemt de bandsnelheid toe. Het gebruik van frequentieomvormers bij dergelijke belastingen kan geen elektriciteit besparen.
Vergeleken met DC-toerentalregelsystemen hebben DC-motoren een hogere efficiëntie en arbeidsfactor dan AC-motoren. De efficiëntie van digitale DC-toerentalregelaars is vergelijkbaar met die van frequentieomvormers, en zelfs iets hoger dan die van frequentieomvormers. De bewering dat het gebruik van asynchrone AC-motoren en frequentieomvormers meer elektriciteit bespaart dan het gebruik van DC-motoren en DC-regelaars, is dus onjuist, zowel theoretisch als praktisch.
Misvatting 2: De capaciteitsselectie van de frequentieomvormer is gebaseerd op het nominale vermogen van de motor
Vergeleken met elektromotoren zijn frequentieregelaars relatief duur. Daarom is het zeer zinvol om de capaciteit van frequentieregelaars verstandig te verminderen en tegelijkertijd een veilige en betrouwbare werking te garanderen.
Het vermogen van een frequentieomvormer heeft betrekking op het vermogen van de 4-polige asynchrone AC-motor waarvoor deze geschikt is.
Door het verschillende aantal polen van motoren met dezelfde capaciteit varieert de nominale stroomsterkte van de motor. Naarmate het aantal polen in de motor toeneemt, neemt ook de nominale stroomsterkte van de motor toe. De capaciteitskeuze van de frequentieomvormer kan niet worden gebaseerd op het nominale vermogen van de motor. Tegelijkertijd kan bij renovatieprojecten waarbij oorspronkelijk geen frequentieomvormers werden gebruikt, de capaciteitskeuze van frequentieomvormers niet worden gebaseerd op de nominale stroomsterkte van de motor. Dit komt doordat bij de capaciteitskeuze van de elektromotor rekening moet worden gehouden met factoren zoals de maximale belasting, de surpluscoëfficiënt en de motorspecificaties. Vaak is de surpluscoëfficiënt groot en industriële motoren werken vaak op 50% tot 60% van de nominale belasting. Als de capaciteit van de frequentieomvormer wordt geselecteerd op basis van de nominale stroomsterkte van de motor, blijft er te veel marge over, wat resulteert in economische verspilling en de betrouwbaarheid niet verbetert.
Voor kooiankermotoren moet de capaciteitskeuze van de frequentieomvormer gebaseerd zijn op het principe dat de nominale stroom van de frequentieomvormer groter is dan of gelijk is aan 1,1 keer de maximale normale bedrijfsstroom van de motor, wat de kostenbesparingen kan maximaliseren. Voor omstandigheden zoals starten met zware belasting, hoge temperaturen, een wikkelmotor, een synchrone motor, enz., moet de capaciteit van de frequentieomvormer dienovereenkomstig worden verhoogd.
Bij ontwerpen die vanaf het begin frequentieomvormers gebruiken, is het logisch om de capaciteit van de frequentieomvormer te kiezen op basis van de nominale stroomsterkte van de motor. Dit komt doordat de capaciteit van de frequentieomvormer op dit moment niet kan worden geselecteerd op basis van de werkelijke bedrijfsomstandigheden. Om de investering te beperken, kan de capaciteit van de frequentieomvormer in sommige gevallen eerst onzeker zijn. Nadat de apparatuur enige tijd in bedrijf is geweest, kan deze worden geselecteerd op basis van de werkelijke stroomsterkte.
In het secundaire maalsysteem van een cementmolen met een diameter van 2,4 m × 13 m in een bepaald cementbedrijf in Binnen-Mongolië bevindt zich een in eigen land geproduceerde N-1500 O-Sepa hoogrendementspoederselector, uitgerust met een elektromotor van het model Y2-315M-4 met een vermogen van 132 kW. Er is echter gekozen voor een FRN160-P9S-4E frequentieomvormer, die geschikt is voor 4-polige motoren met een vermogen van 160 kW. Na ingebruikname bedraagt de maximale werkfrequentie 48 Hz en de stroomsterkte slechts 180 A, wat minder is dan 70% van de nominale stroomsterkte van de motor. De motor zelf heeft een aanzienlijke overcapaciteit. Bovendien zijn de specificaties van de frequentieomvormer één niveau hoger dan die van de aandrijfmotor, wat onnodige verspilling veroorzaakt en de betrouwbaarheid niet ten goede komt.
Het toevoersysteem van kalksteenbreker nr. 3 in de Anhui Chaohu Cementfabriek maakt gebruik van een 1500 × 12000 plateninvoer en de aandrijfmotor is een Y225M-4 AC-motor met een nominaal vermogen van 45 kW en een nominale stroomsterkte van 84,6 A. Vóór de transformatie met frequentieomzetting en snelheidsregeling werd door middel van testen vastgesteld dat bij normale aandrijving van de plateninvoer de motor gemiddeld slechts 30 A bedraagt, wat slechts 35,5% is van de nominale stroomsterkte van de motor. Om kosten te besparen, werd gekozen voor een ACS601-0060-3 frequentieomvormer, die een nominale uitgangsstroom van 76 A heeft en geschikt is voor 4-polige motoren met een vermogen van 37 kW, wat goede prestaties levert.
Deze twee voorbeelden illustreren dat bij renovatieprojecten waarbij oorspronkelijk geen frequentieregelaars werden gebruikt, de selectie van de capaciteit van de frequentieregelaar op basis van de werkelijke bedrijfsomstandigheden de investering aanzienlijk kan verlagen.
Misvatting 3: Algemene motoren kunnen alleen op een lagere snelheid werken met behulp van frequentieomvormers die lager zijn dan hun nominale transmissiesnelheid.
De klassieke theorie stelt dat de bovengrens van de frequentie van een universele motor 55 Hz is. Dit komt doordat wanneer het motortoerental boven het nominale toerental moet worden ingesteld, de statorfrequentie boven de nominale frequentie (50 Hz) zal stijgen. Indien het principe van constant koppel nog steeds wordt gevolgd voor de regeling, zal de statorspanning op dit punt stijgen tot boven de nominale spanning. Wanneer het toerentalbereik hoger is dan het nominale toerental, moet de statorspanning dus constant op de nominale spanning worden gehouden. Naarmate het toerental/de frequentie toeneemt, zal de magnetische flux afnemen, wat resulteert in een afname van het koppel bij dezelfde statorstroom, verzwakking van de mechanische eigenschappen en een aanzienlijke vermindering van de overbelastbaarheid van de motor.
Hieruit blijkt dat de bovengrens van de frequentie van een universeelmotor 55 Hz bedraagt, wat een voorwaarde is:
1. De statorspanning mag de nominale spanning niet overschrijden;
2. De motor werkt op nominaal vermogen;
3. Constante koppelbelasting.
In de bovenstaande situatie hebben theorie en experimenten aangetoond dat als de frequentie 55 Hz overschrijdt, het motorkoppel afneemt, de mechanische eigenschappen zachter worden, de overbelastbaarheid afneemt, het ijzerverbruik snel toeneemt en er sprake is van ernstige verhitting.
De auteur is van mening dat de werkelijke bedrijfsomstandigheden van elektromotoren erop wijzen dat universele motoren versneld kunnen worden met behulp van frequentieregelaars. Kan de variabele frequentie worden verhoogd? Hoeveel kan er worden opgetild? Dit wordt voornamelijk bepaald door de belasting die de elektromotor trekt. Ten eerste is het noodzakelijk om de belastingssnelheid te bepalen. Ten tweede is het noodzakelijk om de belastingskarakteristieken te begrijpen en berekeningen te maken op basis van de specifieke situatie van de belasting. Een korte analyse is als volgt:
1. Een universele 380V-motor kan zelfs langdurig worden gebruikt wanneer de statorspanning hoger is dan 10% van de nominale spanning, zonder dat dit de isolatie en levensduur van de motor aantast. De statorspanning neemt toe, het koppel neemt aanzienlijk toe, de statorstroom neemt af en de wikkelingstemperatuur daalt.
2. De belasting van de elektromotor bedraagt doorgaans 50% tot 60%
Industriële motoren werken over het algemeen op 50% tot 60% van hun nominale vermogen. Berekend wordt dat wanneer het uitgangsvermogen van de motor 70% van het nominale vermogen bedraagt en de statorspanning met 7% stijgt, de statorstroom met 26,4% afneemt. Zelfs bij constante koppelregeling en het gebruik van een frequentieomvormer om het motortoerental met 20% te verhogen, neemt de statorstroom niet alleen niet toe, maar zelfs af. Hoewel het ijzerverlies van de motor sterk toeneemt na het verhogen van de frequentie, is de warmteontwikkeling verwaarloosbaar vergeleken met de warmteafname door de afname van de statorstroom. De temperatuur van de motorwikkeling zal daarom ook aanzienlijk dalen.
3. Er zijn verschillende belastingskarakteristieken
De aandrijflijn van de elektromotor bedient de belasting, en verschillende belastingen hebben verschillende mechanische eigenschappen. Elektromotoren moeten voldoen aan de eisen voor mechanische eigenschappen van de belasting na acceleratie. Volgens berekeningen is de maximaal toegestane bedrijfsfrequentie (fmax) voor belastingen met een constant koppel bij verschillende belastingsfrequenties (k) omgekeerd evenredig met de belastingsfrequentie, d.w.z. fmax = fe/k, waarbij fe de nominale netfrequentie is. Bij belastingen met een constant vermogen wordt de maximaal toegestane bedrijfsfrequentie van algemene motoren voornamelijk beperkt door de mechanische sterkte van de motorrotor en -as. De auteur is van mening dat het over het algemeen raadzaam is om deze te beperken tot 100 Hz.
Toepassingsvoorbeeld:
De kettingbaktransporteur in een bepaalde fabriek heeft een constante koppelbelasting en vanwege de productietoename moet het motortoerental met 20% worden verhoogd. Het motormodel is Y180L-6, met een nominaal vermogen van 15 kW, een nominale spanning van 380 V, een nominale stroomsterkte van 31,6 A, een nominaal toerental van 980 tpm, een rendement van 89,5%, een arbeidsfactor van 0,81, een bedrijfsstroom van 18-20 A, een maximaal bedrijfsvermogen van 7,5 kW onder normale omstandigheden en een belasting van 50%. Na installatie van de CIMR-G5A4015 frequentieomvormer bedraagt de bedrijfsfrequentie 60 Hz, neemt het toerental met 20% toe, wordt de maximale uitgangsspanning van de frequentieomvormer ingesteld op 410 V, bedraagt de bedrijfsstroom van de motor 12-15 A, wat neerkomt op een afname van ongeveer 30%, en daalt de temperatuur van de motorwikkeling aanzienlijk.
Misvatting 4: Het negeren van de inherente eigenschappen van frequentieomvormers
Het debuggen van de frequentieomvormer wordt doorgaans door de distributeur uitgevoerd en zal geen problemen opleveren. De installatie van een frequentieomvormer is relatief eenvoudig en wordt meestal door de gebruiker zelf uitgevoerd. Sommige gebruikers lezen de gebruikershandleiding van de frequentieomvormer niet zorgvuldig door, houden zich niet strikt aan de technische constructievoorschriften, negeren de kenmerken van de frequentieomvormer zelf, vergelijken deze met gewone elektrische componenten en handelen op basis van aannames en ervaring, waardoor er verborgen gevaren voor storingen en ongevallen ontstaan.
Volgens de gebruikershandleiding van de frequentieomvormer moet de kabel die op de motor wordt aangesloten een afgeschermde of gepantserde kabel zijn, bij voorkeur gelegd in een metalen buis. De uiteinden van de afgeknipte kabel moeten zo netjes mogelijk zijn, de onafgeschermde segmenten moeten zo kort mogelijk zijn en de kabellengte mag niet langer zijn dan een bepaalde afstand (meestal 50 m). Wanneer de bedradingsafstand tussen de frequentieomvormer en de motor lang is, zal de hoge harmonische lekstroom van de kabel nadelige effecten hebben op de frequentieomvormer en de omliggende apparatuur. De aarddraad die terugkomt van de motor en die door de frequentieomvormer wordt aangestuurd, moet rechtstreeks worden aangesloten op de bijbehorende aardingsaansluiting van de frequentieomvormer. De aarddraad van de frequentieomvormer mag niet worden gedeeld met lasapparaten en elektrische apparatuur en moet zo kort mogelijk zijn. Vanwege de lekstroom die door de frequentieomvormer wordt gegenereerd, zal het potentiaal van de aardingsaansluiting onstabiel zijn als deze te ver van het aardingspunt ligt. De minimale doorsnede van de aarddraad van de frequentieomvormer moet groter zijn dan of gelijk zijn aan de doorsnede van de voedingskabel. Om storingen te voorkomen, moeten besturingskabels getwiste, afgeschermde draden of dubbelstrengs afgeschermde draden gebruiken. Zorg er tegelijkertijd voor dat de afgeschermde netwerkkabel niet in aanraking komt met andere signaalkabels en behuizingen van apparatuur en wikkel deze om met isolatietape. Om ruis te voorkomen, mag de besturingskabel niet langer zijn dan 50 meter. De besturingskabel en de motorkabel moeten apart worden gelegd, in aparte kabelgoten, en moeten zo ver mogelijk uit elkaar liggen. Wanneer de twee elkaar moeten kruisen, moeten ze verticaal worden gekruist. Plaats ze nooit in dezelfde leiding of kabelgoot. Sommige gebruikers hebben bovenstaande vereisten echter niet strikt nageleefd bij het leggen van kabels, waardoor de apparatuur normaal functioneerde tijdens individuele debug-sessies, maar ernstige interferentie veroorzaakte tijdens normale productie, waardoor deze niet kon functioneren.
Als de secundaire luchttemperatuurmeter van een cementfabriek plotseling abnormale waarden aangeeft: de aangegeven waarde is aanzienlijk laag en fluctueert sterk. De fabriek heeft hiervoor uitstekend gedraaid. Thermokoppels, temperatuurtransmitters en secundaire instrumenten zijn gecontroleerd, maar er zijn geen problemen gevonden. Wat zijn de relevante punten? Toen het instrument naar een ander meetpunt werd verplaatst, functioneerde het volledig normaal. Toen echter vergelijkbare instrumenten van andere meetpunten hier werden vervangen, deed zich hetzelfde fenomeen voor. Later werd ontdekt dat er een nieuwe frequentieomvormer was geïnstalleerd op de motor van koelventilator nr. 3 in de roosterkoeler, en pas nadat de frequentieomvormer in gebruik was genomen, gaf de secundaire luchttemperatuurmeter abnormale waarden aan. Stop de frequentieomvormer en herstel de normale status van de secundaire luchttemperatuurmeter onmiddellijk; na het herstarten van de frequentieomvormer gaf de secundaire luchttemperatuurmeter opnieuw abnormale waarden aan. Na herhaalde tests werd vastgesteld dat de storing van de frequentieomvormer de directe oorzaak was van de abnormale weergave op de secundaire luchttemperatuurmeter. De ventilator is een centrifugaalventilator, die oorspronkelijk kleppen gebruikte om het luchtvolume te regelen, maar later overschakelde op een variabele frequentieregeling om het luchtvolume te regelen. Vanwege de grote hoeveelheid stof en de zware omstandigheden op de locatie is de frequentieomvormer geïnstalleerd in de controlekamer van het MCC (Motor Control Center). Voor het gemak van de constructie is de frequentieomvormer aangesloten op de onderkant van de hoofdschakelaar van de ventilator en maakt de uitgangskabel van de frequentieomvormer gebruik van de voedingskabel van de ventilatormotor. De voedingskabel van de ventilatormotor is een PVC-geïsoleerde, niet-stalen, gepantserde kabel en wordt parallel aan de signaalkabel van de secundaire luchttemperatuurmeter gelegd in verschillende bruglagen van dezelfde kabelsleuf. Het is duidelijk dat juist omdat de uitgangskabel van de frequentieomvormer geen gepantserde kabels gebruikt of door ijzeren buizen loopt, er interferentieverschijnselen optreden. Deze les verdient speciale aandacht voor renovatieprojecten die oorspronkelijk geen frequentieomvormers gebruikten.
Ook het dagelijks onderhoud van frequentieomvormers verdient speciale aandacht. Sommige elektriciens schakelen de frequentieomvormer direct in voor onderhoud zodra ze een storing detecteren en deze uitschakelen. Dit is zeer gevaarlijk en kan leiden tot elektrische schokken. Dit komt doordat, zelfs als de frequentieomvormer niet in bedrijf is of de stroomtoevoer is afgesloten, er nog steeds spanning kan staan op de netvoeding, de DC-aansluiting en de motoraansluiting van de frequentieomvormer vanwege de aanwezigheid van condensatoren. Na het loskoppelen van de schakelaar moet u enkele minuten wachten tot de frequentieomvormer volledig is ontladen voordat u aan de slag kunt. Sommige elektriciens zijn gewend om direct isolatietests uit te voeren op de motor die wordt aangestuurd door het frequentieregelaarsysteem met behulp van een schudtafel wanneer ze merken dat het systeem uitschakelt, om te bepalen of de motor is doorgebrand. Dit is ook zeer gevaarlijk, omdat het gemakkelijk kan leiden tot doorbranden van de frequentieomvormer. Voer daarom geen isolatietests uit op de motor, noch op de kabel die al op de frequentieomvormer is aangesloten, voordat u de kabel tussen de motor en de frequentieomvormer loskoppelt.