تامینکنندگان دستگاههای بازخورد انرژی مبدل فرکانس به شما یادآوری میکنند که در تولید اتوماسیون صنعتی مدرن، دامنه کاربرد پمپها، فنها و سایر تجهیزات روز به روز گستردهتر میشود. مصرف انرژی الکتریکی آنها، تلفات ناشی از تنظیم فشار در بافلها، شیرها و سایر تجهیزات و همچنین هزینههای نگهداری و تعمیر روزانه، تقریباً 20٪ از هزینه را تشکیل میدهد. این یک هزینه تولید قابل توجه است. با توسعه اقتصاد، تعمیق اصلاحات و تشدید رقابت در بازار، صرفهجویی در مصرف انرژی و کاهش مصرف به تدریج به ابزاری مهم برای بهبود کیفیت محصول و کاهش هزینههای تولید تبدیل شده است.
۱. نظریه اساسی فناوری صرفهجویی در انرژی با فرکانس متغیر
اصل اساسی فناوری تبدیل فرکانس این است که فرکانس جریان متناوب مورد استفاده تجهیزات الکتریکی برای مدت طولانی در حالت ثابتی حفظ شود. کاربرد فناوری تبدیل فرکانس، تبدیل فرکانس به منبعی است که بتوان آن را آزادانه تنظیم و استفاده کرد. امروزه، فعالترین و سریعترین فناوری فرکانس متغیر، فناوری تنظیم سرعت فرکانس متغیر است.
فناوری تبدیل فرکانس شامل فناوری کامپیوتر، فناوری الکترونیک قدرت و فناوری انتقال کلیک است. این یک فناوری جامع است که تجهیزات مکانیکی و برق قوی و ضعیف را با هم ترکیب میکند. این فناوری به تبدیل سیگنال جریان فرکانس قدرت به فرکانسهای دیگر اشاره دارد که عمدتاً از طریق اجزای نیمههادی حاصل میشود. سپس، جریان متناوب به جریان مستقیم تبدیل میشود و اینورتر جریان و ولتاژ را تنظیم میکند و در عین حال به تنظیم سرعت بدون پله تجهیزات الکترومکانیکی دست مییابد. به طور خلاصه، فناوری تبدیل فرکانس، کنترل سرعت موتور با تغییر فرکانس جریان است و از این طریق تجهیزات موتور را به طور مؤثر کنترل میکند. همه اینها بر اساس افزایش سالانه فرکانس جریان و سرعت موتور حاصل میشود. ویژگی فناوری تبدیل فرکانس این است که میتواند عملکرد روان موتور را تضمین کند، شتاب و کاهش سرعت را به طور خودکار کنترل کند و مصرف انرژی را کاهش دهد و در عین حال راندمان کار را بهبود بخشد.
در استفاده روزانه از مبدلهای فرکانس، عمدتاً از کنترل مستقیم گشتاور و کنترل برداری استفاده میشود. در توسعه آینده مبدلهای فرکانس، از شبکههای عصبی مصنوعی و روشهای کنترل خود بهینهسازی فازی استفاده خواهد شد. علاوه بر این، با ادامه توسعه مبدلهای فرکانس، جامعیت آنها به طور فزایندهای افزایش خواهد یافت. آنها علاوه بر تکمیل توابع تنظیم سرعت اولیه، دارای توابع ارتباطی، قابل برنامهریزی و شناسایی پارامتر نیز هستند که به صورت داخلی تنظیم شدهاند.
2. اصل صرفه جویی در انرژی مبدل فرکانس
۲.۱ روشهای صرفهجویی در مصرف انرژی با فرکانس متغیر
طبق مکانیک سیالات، توان = فشار * دبی. دبی و سرعت به توان یک متناسب هستند، فشار متناسب با مجذور سرعت و توان متناسب با مکعب سرعت است. اگر راندمان پمپ آب ثابت باشد، وقتی دبی کاهش مییابد، سرعت نیز به همان نسبت کاهش مییابد و توان خروجی نیز به صورت مکعبی کاهش مییابد. بنابراین، سرعت پمپ آب تقریباً متناسب با مصرف برق موتور است. به عنوان مثال، وقتی یک موتور پمپ آب ۵۵ کیلوواتی به ۸۰٪ سرعت اولیه خود تبدیل میشود، مصرف برق آن ۲۸ کیلووات در ساعت است و نرخ صرفهجویی در مصرف برق ۴۸٪ است. اما اگر سرعت به ۵۰٪ سرعت اولیه تنظیم شود، مصرف برق ۶ کیلووات در ساعت میشود و نرخ صرفهجویی در مصرف برق به ۸۷٪ میرسد.
۲.۲ اتخاذ جبران ضریب توان برای صرفهجویی در مصرف انرژی
توان راکتیو نه تنها باعث گرم شدن تجهیزات و افزایش فرسودگی سیمها میشود، بلکه از همه مهمتر، کاهش ضریب توان منجر به کاهش توان اکتیو شبکه برق میشود. در نتیجه، مقدار زیادی انرژی راکتیو در خطوط برق مصرف میشود که منجر به کاهش راندمان تجهیزات و اتلاف جدی میشود. پس از استفاده از دستگاه تنظیم سرعت فرکانس متغیر، به دلیل وجود خازن فیلترکننده در داخل مبدل فرکانس، تلفات توان راکتیو بیشتر کاهش مییابد و این امر باعث افزایش توان اکتیو شبکه برق میشود.
۲.۳ استفاده از روش شروع نرم برای صرفهجویی در مصرف انرژی
با توجه به اینکه موتور از طریق Y/D یا استارت مستقیم راهاندازی میشود، جریان راهاندازی چهار تا هفت برابر جریان نامی است که میتواند تأثیر جدی بر شبکه برق و تجهیزات الکترومکانیکی داشته باشد. علاوه بر این، این امر نیاز به ظرفیت بسیار بالای شبکه برق دارد که در هنگام راهاندازی جریان نسبتاً زیادی تولید میکند و در هنگام لرزش باعث آسیب قابل توجهی به شیرها و بافلها میشود که برای عمر مفید خطوط لوله و تجهیزات نیز بسیار مضر است. استفاده از مبدلهای فرکانس از عملکرد شروع نرم مبدل فرکانس برای شروع جریان از صفر استفاده میکند و حداکثر مقدار از جریان نامی تجاوز نمیکند. بنابراین، تأثیر بر شبکه برق و الزامات مربوط به ظرفیت منبع تغذیه بسیار کاهش مییابد و عمر مفید شیرها و تجهیزات بسیار افزایش مییابد.
۳. نمونههای کاربردی از فناوری صرفهجویی در مصرف انرژی با فرکانس متغیر
ما از نصب یک کنترلکننده سرعت فرکانس متغیر بر روی یک پمپ آب در گردش ۱۶۰ کیلوواتی به عنوان نمونه برای مقاومسازی تجهیزات صرفهجویی در مصرف انرژی فرکانس متغیر استفاده کردیم. ما مصرف برق را قبل و بعد از مقاومسازی آزمایش کردیم و به نتایج بسیار رضایتبخشی دست یافتیم.
۳.۱ حالت کنترل قبل از تبدیل فرکانس
در عملکرد پمپ آب در گردش، هنگامی که دبی جریان به دلیل الزامات فرآیند تغییر میکند، لازم است میزان باز شدن خروجی و ورودی پمپ تنظیم شود تا دبی واقعی پمپ تغییر کند. این روش تنظیم، تنظیم دریچهای نامیده میشود. در این مثال، میزان باز شدن دریچه خروجی و ورودی حدود ۶۰٪ است. از دیدگاه مصرف انرژی، این یک روش تنظیم بسیار غیراقتصادی است.
۳.۲ حالت کنترل پس از تبدیل فرکانس
در عملکرد یک پمپ آب در گردش، هنگامی که دبی جریان به دلیل نیازهای فرآیند تغییر میکند، هر دو شیر ورودی و خروجی کاملاً باز میشوند. با تنظیم سرعت موتور، میتوان یک نقطه عملیاتی مناسب و جدید برای دستیابی به دبی مناسب پیدا کرد. با توجه به شرایط واقعی و نیازهای محل، میتوان کنترل دستی یا اتوماتیک را پیادهسازی کرد. در این مثال، از آنجا که نیازی به تنظیم مکرر دبی جریان نیست، فرکانس عملیاتی واقعی موتور بر اساس شرایط واقعی و نیازهای محل، 40 هرتز تعیین میشود و کنترل دستی عمدتاً برای صرفهجویی در انرژی اتخاذ میشود.
۴. تغییرات در عملکرد پس از استفاده از سیستم تنظیم سرعت فرکانس متغیر
شروع نرم کامل حاصل شده است. هنگامی که موتور شروع به کار میکند، سرعت روتور به تدریج با فرکانس منبع تغذیه ورودی افزایش مییابد و در نتیجه افزایش سرعت به صورت نرم و روان انجام میشود. زمان شروع به کار کل سیستم حدود 20 ثانیه تنظیم شده است که هیچ تاثیری بر سیستم نخواهد داشت و نسبت به روش شروع اولیه، نرمتر است.
جریان مورد استفاده در شبکه برق نیز به طور قابل توجهی کاهش یافته است و استفاده از تجهیزات الکتریکی را ایمنتر میکند. همزمان، با کاهش فرکانس، سرعت موتور نیز کاهش مییابد و سایش مکانیکی کاهش مییابد و احتمال خرابی و هزینههای نگهداری تا حد زیادی کاهش مییابد. ترانسفورماتوری که انرژی الکتریکی پمپ آب را تأمین میکند، بیشتر ظرفیت منبع تغذیه را صرفهجویی کرده است. با کاهش ساده بار فعال، ظرفیت صرفهجویی شده تقریباً 50 کیلووات است که راندمان استفاده از تجهیزات را بهبود میبخشد. ضریب توان موتور نیز به همین ترتیب بهبود یافته و عملکرد موتور را اقتصادیتر میکند.
استفاده از فناوری تبدیل فرکانس، کیفیت محصول را بهبود بخشیده، مصرف انرژی را کاهش داده، در مصرف انرژی صرفهجویی کرده و مزایای اقتصادی شرکتها را بیشتر کرده است. استفاده از فناوری تنظیم سرعت تبدیل فرکانس، مستلزم تغییر این تجهیزات برای دستیابی به صرفهجویی در مصرف انرژی است.