Syv misoppfatninger om bruk av industrielle frekvensomformere

Leverandører av energitilbakemeldingsenheter for frekvensomformere minner om at med implementeringen av retningslinjer og den kraftige promoteringen av frekvensomformingsteknologi, kombinert med den sterke markedsføringen av frekvensomformerforhandlere, har noen industribedrifter ubevisst likestilt bruken av frekvensomformere med energisparing og strømsparing. I praksis, på grunn av ulike situasjoner, innser imidlertid mange bedrifter gradvis at ikke alle steder der frekvensomformere brukes, kan spare energi og strøm. Så hva er årsakene til denne situasjonen, og hva er misoppfatningene folk har om frekvensomformere?

Misforståelse 1: Bruk av frekvensomformer kan spare strøm

Noe litteratur hevder at frekvensomformere er energisparende kontrollprodukter, noe som gir inntrykk av at bruk av frekvensomformere kan spare strøm.

Faktisk er grunnen til at frekvensomformere kan spare strøm fordi de kan regulere hastigheten på elektriske motorer. Hvis frekvensomformere er energisparende kontrollprodukter, kan alt hastighetskontrollutstyr også betraktes som energisparende kontrollprodukter. Frekvensomformeren er bare litt mer effektiv og har en litt høyere effektfaktor enn andre hastighetskontrollenheter.

Om en frekvensomformer kan oppnå strømsparing bestemmes av lastens hastighetsreguleringsegenskaper. For laster som sentrifugalvifter og sentrifugalpumper er dreiemomentet proporsjonalt med kvadratet av hastigheten, og effekten er proporsjonal med kubikk av hastigheten. Så lenge den opprinnelige ventilkontrollstrømmen brukes og den ikke opererer med full belastning, kan det oppnås energisparing ved å bytte til hastighetsregulering. Når hastigheten synker til 80 % av originalen, er effekten bare 51,2 % av originalen. Det kan sees at bruken av frekvensomformere i slike laster har en betydelig energisparende effekt. For laster som Roots-blåsere er dreiemomentet uavhengig av hastigheten, dvs. konstant dreiemomentbelastning. Hvis den opprinnelige metoden med å bruke en lufteventil for å slippe ut overflødig luftvolum for å justere luftvolumet endres til hastighetsregulering, kan det også oppnås energisparing. Når hastigheten synker til 80 % av sin opprinnelige verdi, når effekten 80 % av sin opprinnelige verdi. Energisparingseffekten er mye mindre enn for applikasjoner i sentrifugalvifter og sentrifugalpumper. For belastninger med konstant effekt er effekten uavhengig av hastigheten. En konstant effektbelastning i et sementfabrikk, for eksempel en vekt for blandebånd, reduserer båndhastigheten når materiallaget er tykt under visse strømningsforhold. Når materiallaget er tynt, øker båndhastigheten. Bruk av frekvensomformere i slike belastninger kan ikke spare strøm.

Sammenlignet med likestrømshastighetskontrollsystemer har likestrømsmotorer høyere effektivitet og effektfaktor enn vekselstrømsmotorer. Effektiviteten til digitale likestrømshastighetskontrollere er sammenlignbar med frekvensomformere, og til og med litt høyere enn frekvensomformere. Det er derfor feil å hevde at bruk av asynkrone vekselstrømsmotorer og frekvensomformere sparer mer strøm enn bruk av likestrømsmotorer og likestrømskontrollere, både teoretisk og praktisk.

Misforståelse 2: Kapasitetsvalget til frekvensomformeren er basert på motorens nominelle effekt

Sammenlignet med elektriske motorer er frekvensomformere dyrere, så det er svært meningsfullt å redusere kapasiteten til frekvensomformere på en rimelig måte samtidig som man sikrer sikker og pålitelig drift.

Effekten til en frekvensomformer refererer til effekten til den 4-polede vekselstrøms asynkronmotoren den er egnet for.

På grunn av det ulikt antall poler på motorer med samme kapasitet, varierer motorens nominelle strøm. Etter hvert som antallet poler i motoren øker, øker også motorens nominelle strøm. Kapasitetsvalget for frekvensomformeren kan ikke baseres på motorens nominelle effekt. Samtidig, for renoveringsprosjekter som opprinnelig ikke brukte frekvensomformere, kan ikke kapasitetsvalget for frekvensomformere baseres på motorens nominelle strøm. Dette er fordi kapasitetsvalget for elektriske motorer bør ta hensyn til faktorer som belastning, overskuddskoeffisient og motorspesifikasjoner. Ofte er overskuddet stort, og industrimotorer opererer med 50 % til 60 % av sin nominelle belastning. Hvis frekvensomformerens kapasitet velges basert på motorens nominelle strøm, blir det for mye margin igjen, noe som resulterer i økonomisk sløsing, og påliteligheten forbedres ikke som et resultat.

For kortslutningsmotorer bør kapasitetsvalget til frekvensomformeren baseres på prinsippet om at frekvensomformerens nominelle strøm er større enn eller lik 1,1 ganger motorens maksimale normale driftsstrøm, noe som kan maksimere kostnadsbesparelsene. For forhold som oppstart med høy belastning, høytemperaturmiljø, viklet motor, synkronmotor, osv., bør frekvensomformerens kapasitet økes tilsvarende.

For design som bruker frekvensomformere fra starten av, er det forståelig å velge frekvensomformerens kapasitet basert på motorens nominelle strøm. Dette er fordi frekvensomformerens kapasitet ikke kan velges basert på faktiske driftsforhold på dette tidspunktet. For å redusere investeringer kan frekvensomformerens kapasitet selvfølgelig i noen tilfeller være usikker først, og etter at utstyret har vært i drift en periode, kan den velges basert på den faktiske strømmen.

I det sekundære slipesystemet til en sementmølle med en diameter på 2,4 m × 13 m i et bestemt sementselskap i Indre Mongolia, finnes det en innenlandsprodusert N-1500 O-Sepa høyeffektiv pulvervelger, utstyrt med en elektrisk motormodell Y2-315M-4 med en effekt på 132 kW. Imidlertid er FRN160-P9S-4E frekvensomformer valgt, som er egnet for 4-polede motorer med en effekt på 160 kW. Etter idriftsetting er den maksimale arbeidsfrekvensen 48 Hz, og strømmen er bare 180 A, som er mindre enn 70 % av motorens nominelle strøm. Selve motoren har betydelig overkapasitet. Og spesifikasjonene til frekvensomformeren er ett nivå større enn drivmotorens, noe som forårsaker unødvendig svinn og ikke forbedrer påliteligheten.

Matesystemet til kalkknuser nr. 3 ved Anhui Chaohu sementverk bruker en 1500 × 12000 platemater, og drivmotoren bruker en Y225M-4 AC-motor med en nominell effekt på 45 kW og en nominell strøm på 84,6 A. Før transformasjonen av frekvensomformingshastighetsreguleringen ble det gjennom testing funnet at når platemateren driver motoren normalt, er den gjennomsnittlige trefasestrømmen bare 30 A, som bare er 35,5 % av motorens nominelle strøm. For å spare investeringer ble ACS601-0060-3 frekvensomformer valgt, som har en nominell utgangsstrøm på 76 A og er egnet for 4-polede motorer med en effekt på 37 kW, noe som gir god ytelse.

Disse to eksemplene illustrerer at for renoveringsprosjekter som opprinnelig ikke brukte frekvensomformere, kan valg av frekvensomformerens kapasitet basert på faktiske driftsforhold redusere investeringen betydelig.

Misforståelse 3: Bruk av visuell effekt til å beregne reaktiv effektkompensasjon og energibesparende fordeler

Beregn energisparingseffekten av reaktiv effektkompensasjon ved hjelp av tilsynelatende effekt. Når viften går med full belastning ved nettfrekvensen, er motorens driftsstrøm 289 A. Ved bruk av variabel frekvenshastighetsregulering er effektfaktoren ved full belastning ved 50 Hz omtrent 0,99, og strømmen er 257 A. Dette skyldes at den interne filterkondensatoren i frekvensomformeren forbedrer effektfaktoren. Energisparingsberegningen er som følger: ΔS=UI=× 380 × (289-257)=21 kVA

Derfor antas det at energisparingseffekten er omtrent 11 % av en enkelt maskins kapasitet.

Faktisk analyse: S representerer den tilsynelatende effekten, som er produktet av spenning og strøm. Når spenningen er den samme, er prosentandelen av tilsynelatende effektbesparelse og prosentandelen av strømbesparelse det samme. I en krets med reaktans gjenspeiler den tilsynelatende effekten bare den maksimalt tillatte utgangskapasiteten til distribusjonssystemet, og kan ikke gjenspeile den faktiske effekten som forbrukes av motoren. Den faktiske effekten som forbrukes av den elektriske motoren kan bare uttrykkes som aktiv effekt. I dette eksemplet, selv om den faktiske strømmen brukes til beregning, beregnes den tilsynelatende effekten i stedet for den aktive effekten. Vi vet at det faktiske strømforbruket til en elektrisk motor bestemmes av viften og dens belastning. Økningen i effektfaktor endret ikke viftens belastning, og forbedret heller ikke viftens effektivitet. Det faktiske strømforbruket til viften ble ikke redusert. Etter at effektfaktoren ble økt, endret ikke motorens driftstilstand seg, motorens statorstrøm ble ikke redusert, og den aktive og reaktive effekten som forbrukes av motoren endret seg ikke. Årsaken til økningen i effektfaktor er at den interne filterkondensatoren til frekvensomformeren genererer reaktiv effekt, som tilføres motoren for forbruk. Etter hvert som effektfaktoren øker, reduseres den faktiske inngangsstrømmen til frekvensomformeren, og dermed reduseres linjetapet mellom strømnettet og frekvensomformeren og kobbertapet til transformatoren. Samtidig som laststrømmen reduseres, kan distribusjonsutstyr som transformatorer, brytere, kontaktorer og ledninger som forsyner frekvensomformeren med strøm, bære mer last. Det bør påpekes at hvis vi ikke tar hensyn til besparelsene på linjetap og transformatorens kobbertap som i dette eksemplet, men tar hensyn til tapene til frekvensomformeren, vil frekvensomformeren ikke bare spare energi når den opererer med full belastning ved 50 Hz, men også forbruke strøm. Derfor er det feil å bruke tilsynelatende effekt for å beregne energisparende effekter.

Motormodellen for sentrifugalviften til et bestemt sementanlegg er Y280S-4, med en nominell effekt på 75 kW, nominell spenning på 380 V og nominell strøm på 140 A. Før frekvensomformingens hastighetsregulering var ventilen helt åpen. Gjennom testing ble det funnet at motorstrømmen var 70 A, med bare 50 % belastning, effektfaktor på 0,49, aktiv effekt på 22,6 kW og tilsynelatende effekt på 46,07 kVA. Etter å ha tatt i bruk variabel frekvenshastighetsregulering, når ventilen er helt åpen og nominell hastighet er i drift, er gjennomsnittsstrømmen til trefasestrømnettet 37 A. Det anses derfor at energibesparelse (70-37) ÷ 70 × 100 % = 44,28 %. Denne beregningen kan virke rimelig, men i hovedsak beregner den fortsatt energibesparelseseffekten basert på tilsynelatende effekt. Etter videre testing fant fabrikken ut at effektfaktoren var 0,94, den aktive effekten var 22,9 kW, og den tilsynelatende effekten var 24,4 kVA. Det kan sees at en økning i aktiv effekt ikke bare sparer strøm, men også forbruker strøm. Årsaken til økningen i aktiv effekt er at tapene til frekvensomformeren ble tatt i betraktning, uten å vurdere besparelsene i linjetap og transformatorkobbertap. Nøkkelen til denne feilen ligger i at man ikke tok hensyn til virkningen av økende effektfaktor på strømfallet, og standard effektfaktor forblir uendret, og dermed overdriver frekvensomformerens energisparende effekt. Derfor må aktiv effekt brukes i stedet for tilsynelatende effekt når man beregner energisparende effekt.

Misforståelse 4: Kontaktorer kan ikke installeres på utgangssiden av frekvensomformeren

Nesten alle brukermanualer for frekvensomformere indikerer at kontaktorer ikke kan installeres på utgangssiden av frekvensomformeren. Som det står i manualen til Yaskawa-frekvensomformeren i Japan, "Ikke koble til elektromagnetiske brytere eller elektromagnetiske kontaktorer i utgangskretsen".

Produsentens forskrifter er å forhindre at kontaktoren fungerer når frekvensomformeren har utgang. Når frekvensomformeren er koblet til en last under drift, vil overstrømsvernkretsen aktiveres på grunn av lekkasjestrøm. Så lenge nødvendige kontrollsperrer er lagt til mellom utgangen på frekvensomformeren og kontaktorens handling for å sikre at kontaktoren bare kan fungere når frekvensomformeren ikke har utgang, kan en kontaktor installeres på utgangssiden av frekvensomformeren. Denne ordningen er av stor betydning i situasjoner der det bare er én frekvensomformer og to motorer (én motor i drift og én motor som backup). Når den kjørende motoren ikke fungerer som den skal, kan frekvensomformeren enkelt byttes til backupmotoren, og etter en forsinkelse kan frekvensomformeren betjenes for automatisk å sette backupmotoren i frekvensomformingsdrift. Og den kan også enkelt oppnå gjensidig backup av to elektriske motorer.

Misforståelse 5: Bruk av frekvensomformere i sentrifugalvifter kan erstatte viftens reguleringsdør fullstendig.

Å bruke en frekvensomformer til å regulere hastigheten til en sentrifugalvifte for å kontrollere luftmengden har en betydelig energibesparende effekt sammenlignet med å kontrollere luftmengden gjennom reguleringsventiler. I noen tilfeller kan imidlertid ikke frekvensomformeren erstatte viftens ventil fullstendig, og det bør vies spesiell oppmerksomhet ved design. For å illustrere dette problemet, la oss starte med energibesparende prinsipp. Luftmengden til en sentrifugalvifte er proporsjonal med effekten av rotasjonshastigheten, lufttrykket er proporsjonalt med kvadratet av rotasjonshastigheten, og akseleffekten er proporsjonal med tredjegraden av rotasjonshastigheten.

Vindtrykk, luftvolum (HQ)-karakteristikk for viften ved konstant hastighet; Kurve (2) representerer vindmotstandskarakteristikkene til rørledningsnettet (ventilen er helt åpen). Når viften opererer ved punkt A, er utgangsluftvolumet Q1. På dette tidspunktet er akseleffekten N1 proporsjonal med produktarealet av Q1 og H1 (AH1OQ1). Når luftvolumet synker fra Q1 til Q2, og hvis ventiljusteringsmetoden brukes, vil motstandskarakteristikkene til rørledningsnettet endres til kurve (3). Systemet opererer fra det opprinnelige driftspunktet A til det nye driftspunktet B, og vindtrykket øker i stedet. Akseleffekten N2 er proporsjonal med arealet (BH2OQ2), og N1 er ikke mye forskjellig fra N2. Hvis hastighetskontrollmetoden brukes, reduseres viftehastigheten fra n1 til n2, og vindtrykk, luftvolum (HQ)-karakteristikkene vises i kurve (4). Under samme luftvolum Q2 synker vindtrykket H3 betydelig, og effekten N3 (tilsvarende arealet CH3OQ2) synker betydelig, noe som indikerer en betydelig energibesparende effekt.

Fra analysen ovenfor kan man også se at når man justerer ventilen for å kontrollere luftvolumet, øker lufttrykket faktisk når luftvolumet synker. Og når man bruker en frekvensomformer til å kontrollere luftvolumet, synker lufttrykket betydelig når luftvolumet synker. Hvis vindtrykket synker for mye, kan det hende at det ikke oppfyller prosesskravene. Hvis driftspunktet er innenfor området som er omsluttet av kurve (1), kurve (2) og H-aksen, vil det å kun stole på en frekvensomformer for hastighetsregulering ikke oppfylle prosesskravene. Det må kombineres med ventilregulering for å oppfylle prosesskravene. Frekvensomformeren som ble introdusert av en bestemt fabrikk i forbindelse med sentrifugalvifter, led mye på grunn av manglende ventildesign og at man kun stoler på frekvensomformerens hastighetsregulering for å endre viftens driftspunkt. Enten er hastigheten for høy, eller så er luftvolumet for stort. Hvis hastigheten reduseres, kan ikke vindtrykket oppfylle prosesskravene, og luften kan ikke blåses inn. Derfor, når man bruker en frekvensomformer for hastighetsregulering og energisparing i sentrifugalvifter, er det nødvendig å vurdere både luftvolum- og lufttrykkindikatorer, ellers vil det føre til negative konsekvenser.

Misforståelse 6: Generalmotorer kan bare operere med redusert hastighet ved bruk av en frekvensomformer under nominell girhastighet.

Den klassiske teorien hevder at den øvre grensen for frekvensen til en universalmotor er 55 Hz. Dette er fordi når motorhastigheten må justeres over nominell hastighet for drift, vil statorfrekvensen øke over nominell frekvens (50 Hz). På dette tidspunktet, hvis prinsippet om konstant dreiemoment fortsatt følges for styring, vil statorspenningen øke utover nominell spenning. Så når hastighetsområdet er høyere enn nominell hastighet, må statorspenningen holdes konstant ved nominell spenning. På dette tidspunktet, når hastigheten/frekvensen øker, vil den magnetiske fluksen avta, slik at dreiemomentet ved samme statorstrøm vil avta, de mekaniske egenskapene vil bli mykere, og motorens overbelastningskapasitet vil bli kraftig redusert.

Fra dette kan man se at den øvre grensen for frekvensen til en universalmotor er 55 Hz, noe som er en forutsetning:

1. Statorspenningen kan ikke overstige nominell spenning;

2. Motoren går med nominell effekt;

3. Konstant momentbelastning.

I situasjonen ovenfor har teori og eksperimenter vist at hvis frekvensen overstiger 55 Hz, vil motormomentet avta, de mekaniske egenskapene bli mykere, overbelastningskapasiteten avta, jernforbruket øke raskt, og oppvarmingen vil være alvorlig.

Generelt sett indikerer de faktiske driftsforholdene til elektriske motorer at universalmotorer kan akselereres med frekvensomformere. Kan variabel frekvenshastighet økes? Hvor mye kan den økes? Dette bestemmes hovedsakelig av lasten som dras av den elektriske motoren. For det første er det nødvendig å bestemme hva lasthastigheten er? For det andre er det nødvendig å forstå lastegenskapene og gjøre beregninger basert på den spesifikke situasjonen for lasten. En kort analyse er som følger:

1. Faktisk er det mulig å bruke en 380V universalmotor over lengre tid når statorspenningen overstiger 10 % av nominell spenning, uten at det påvirker motorens isolasjon og levetid. Statorspenningen øker, dreiemomentet øker betydelig, statorstrømmen synker, og viklingstemperaturen synker.

2. Belastningshastigheten til den elektriske motoren er vanligvis 50 % til 60 %.

Generelt sett opererer industrimotorer med 50 % til 60 % av nominell effekt. Ved beregning, når motorens utgangseffekt er 70 % av nominell effekt og statorspenningen øker med 7 %, synker statorstrømmen med 26,4 %. Selv med konstant momentkontroll og bruk av en frekvensomformer for å øke motorhastigheten med 20 %, øker ikke bare ikke statorstrømmen, men synker også. Selv om motorens jernforbruk øker kraftig etter at frekvensen økes, er varmen som genereres av den ubetydelig sammenlignet med varmen som reduseres ved reduksjonen i statorstrømmen. Derfor vil temperaturen på motorviklingen også synke betydelig.

3. Det finnes ulike lastegenskaper

Det elektriske motorens drivsystem betjener lasten, og forskjellige laster har forskjellige mekaniske egenskaper. Elektriske motorer må oppfylle kravene til lastens mekaniske egenskaper etter akselerasjon. I følge beregninger er den maksimalt tillatte driftsfrekvensen (fmax) for konstante momentbelastninger ved forskjellige belastningshastigheter (k) omvendt proporsjonal med belastningshastigheten, dvs. fmax = fe/k, hvor fe er den nominelle effektfrekvensen. For konstante effektbelastninger er den maksimalt tillatte driftsfrekvensen for General Motors hovedsakelig begrenset av den mekaniske styrken til motorrotoren og akselen. Forfatteren mener at det generelt er tilrådelig å begrense den til innenfor 100 Hz.

Misforståelse 7: Neglisjering av de iboende egenskapene til frekvensomformere

Feilsøkingsarbeidet til frekvensomformeren utføres vanligvis av distributøren, og det vil ikke være noen problemer. Installasjonen av en frekvensomformer er relativt enkel og utføres vanligvis av brukeren. Noen brukere leser ikke brukerhåndboken til frekvensomformeren nøye, følger ikke de tekniske kravene til konstruksjonen strengt, ignorerer egenskapene til selve frekvensomformeren, sidestiller den med generelle elektriske komponenter og handler basert på antagelser og erfaring, og legger skjulte farer for feil og ulykker.

I følge brukerhåndboken til frekvensomformeren skal kabelen som er koblet til motoren være en skjermet kabel eller armert kabel, helst lagt i et metallrør. Endene på den kuttede kabelen skal være så pene som mulig, de uskjermede segmentene skal være så korte som mulig, og kabellengden skal ikke overstige en viss avstand (vanligvis 50 m). Når ledningsavstanden mellom frekvensomformeren og motoren er lang, vil den høye harmoniske lekkasjestrømmen fra kabelen ha negative effekter på frekvensomformeren og omkringliggende utstyr. Jordledningen som returneres fra motoren som styres av frekvensomformeren, skal kobles direkte til den tilsvarende jordingsterminalen på frekvensomformeren. Jordledningen til frekvensomformeren skal ikke deles med sveisemaskiner og kraftutstyr, og skal være så kort som mulig. På grunn av lekkasjestrømmen som genereres av frekvensomformeren, vil potensialet til jordingsterminalen være ustabilt hvis den er for langt fra jordingspunktet. Minimumstverrsnittsarealet til jordledningen til frekvensomformeren må være større enn eller lik tverrsnittsarealet til strømforsyningskabelen. For å forhindre feilfunksjon forårsaket av interferens, bør kontrollkabler bruke tvinnede skjermede ledninger eller dobbelttrådete skjermede ledninger. Samtidig må du være forsiktig så du ikke berører den skjermede nettverkskabelen med andre signallinjer og utstyrshus, og pakk den inn med isolerende tape. For å unngå å bli påvirket av støy, bør ikke lengden på kontrollkabelen overstige 50 m. Kontrollkabelen og motorkabelen må legges separat, ved hjelp av separate kabelrenner, og holdes så langt unna som mulig. Når de to må krysses, bør de krysses vertikalt. Plasser dem aldri i samme rørledning eller kabelrenne. Noen brukere fulgte imidlertid ikke kravene ovenfor strengt når de la kabler, noe som resulterte i at utstyret fungerte normalt under individuell feilsøking, men forårsaket alvorlig interferens under normal produksjon, slik at det ikke kunne fungere.