Поставщики устройств обратной связи по энергии для преобразователей частоты напоминают, что с реализацией политики и активным продвижением технологии преобразования частоты, а также активной поддержкой продавцов преобразователей частоты, некоторые промышленные предприятия подсознательно отождествляют использование преобразователей частоты с энергосбережением и экономией электроэнергии. Однако на практике, в силу различных условий, многие предприятия постепенно осознают, что не везде, где применяются преобразователи частоты, можно экономить электроэнергию и электроэнергию. В чём же причины такой ситуации и какие заблуждения существуют в отношении преобразователей частоты?
Заблуждение 1: Использование преобразователя частоты может сэкономить электроэнергию
В некоторых литературных источниках утверждается, что преобразователи частоты являются энергосберегающими средствами управления, создавая впечатление, что использование преобразователей частоты позволяет экономить электроэнергию.
Фактически, преобразователи частоты позволяют экономить электроэнергию, поскольку они способны регулировать скорость электродвигателей. Если преобразователи частоты являются энергосберегающими устройствами управления, то и всё оборудование для регулирования скорости также можно считать энергосберегающими. Преобразователь частоты лишь немного превосходит другие устройства регулирования скорости по эффективности и коэффициенту мощности.
Может ли преобразователь частоты достичь экономии энергии, определяется характеристиками регулирования скорости его нагрузки. Для таких нагрузок, как центробежные вентиляторы и центробежные насосы, крутящий момент пропорционален квадрату скорости, а мощность пропорциональна кубу скорости. Пока используется исходный расход управления клапаном и он не работает на полной нагрузке, переход к режиму регулирования скорости может обеспечить экономию энергии. Когда скорость падает до 80% от исходной, мощность составляет всего 51,2% от исходной. Можно видеть, что применение преобразователей частоты в таких нагрузках имеет значительный эффект экономии энергии. Для таких нагрузок, как воздуходувки Рутса, крутящий момент не зависит от скорости, т. е. нагрузка с постоянным крутящим моментом. Если исходный метод использования выпускного клапана для выпуска избыточного объема воздуха для регулировки объема воздуха изменить на режим регулирования скорости, он также может обеспечить экономию энергии. Когда скорость падает до 80% от исходного значения, мощность достигает 80% от исходного значения. Энергосберегающий эффект значительно меньше, чем при использовании в центробежных вентиляторах и центробежных насосах. При постоянной нагрузке мощность не зависит от скорости. Постоянная нагрузка на цементном заводе, например, весы для дозирования, снижает скорость ленты при толстом слое материала при определённых условиях расхода; при тонком слое материала скорость ленты увеличивается. Применение преобразователей частоты в таких условиях не позволяет экономить электроэнергию.
По сравнению с системами управления скоростью постоянного тока, двигатели постоянного тока обладают более высоким КПД и коэффициентом мощности, чем двигатели переменного тока. КПД цифровых регуляторов скорости постоянного тока сопоставим с КПД преобразователей частоты, а иногда даже несколько превышает его. Таким образом, утверждение о том, что использование асинхронных двигателей переменного тока и преобразователей частоты экономит больше электроэнергии, чем использование двигателей постоянного тока и регуляторов постоянного тока, неверно как с теоретической, так и с практической точки зрения.
Заблуждение 2: Выбор мощности преобразователя частоты зависит от номинальной мощности двигателя.
По сравнению с электродвигателями преобразователи частоты стоят дороже, поэтому весьма целесообразно разумно снизить мощность преобразователей частоты, обеспечив при этом безопасную и надежную работу.
Мощность преобразователя частоты определяется мощностью 4-полюсного асинхронного двигателя переменного тока, для которого он подходит.
Из-за разного количества полюсов двигателей одинаковой мощности номинальный ток двигателя различается. С увеличением количества полюсов двигателя номинальный ток двигателя также увеличивается. Выбор мощности преобразователя частоты не может основываться на номинальной мощности двигателя. В то же время, для проектов реконструкции, в которых изначально не использовались преобразователи частоты, выбор мощности преобразователей частоты не может основываться на номинальном токе двигателя. Это связано с тем, что при выборе мощности электродвигателей следует учитывать такие факторы, как нагрузка, коэффициент избытка и технические характеристики двигателя. Зачастую избыток велик, и промышленные двигатели работают с нагрузкой от 50% до 60% от своей номинальной. Если мощность преобразователя частоты выбирается на основе номинального тока двигателя, остается слишком большой запас, что приводит к экономическим потерям, а надежность в результате не повышается.
Для двигателей с короткозамкнутым ротором выбор мощности преобразователя частоты следует осуществлять исходя из того, что номинальный ток преобразователя частоты должен быть не менее 1,1 от максимального рабочего тока двигателя, что может обеспечить максимальную экономию средств. В таких условиях, как пуск под большой нагрузкой, высокая температура окружающей среды, двигатель с обмотками возбуждения, синхронный двигатель и т. д., мощность преобразователя частоты следует соответствующим образом увеличить.
Для проектов, изначально использующих преобразователи частоты, вполне понятно, что мощность преобразователя частоты следует выбирать исходя из номинального тока двигателя. Это связано с тем, что мощность преобразователя частоты невозможно определить исходя из фактических условий эксплуатации в данный момент. Конечно, в некоторых случаях, чтобы сократить инвестиции, мощность преобразователя частоты может быть изначально не определена, а после определённого периода эксплуатации оборудования её можно выбрать, исходя из фактического тока.
В системе вторичного помола цементной мельницы диаметром 2,4 м × 13 м на одном цементном предприятии во Внутренней Монголии имеется один высокоэффективный порошковый селектор N-1500 O-Sepa отечественного производства, оснащенный электродвигателем модели Y2-315M-4 мощностью 132 кВт. Однако выбран преобразователь частоты FRN160-P9S-4E, который подходит для 4-полюсных двигателей мощностью 160 кВт. После ввода в эксплуатацию максимальная рабочая частота составляет 48 Гц, а ток - всего 180 А, что составляет менее 70% от номинального тока двигателя. Сам двигатель имеет значительный избыточный потенциал. А характеристики преобразователя частоты на одну ступень выше, чем у приводного двигателя, что приводит к ненужным потерям и не повышает надежность.
Система подачи известняковой дробилки № 3 на цементном заводе Аньхой Чаоху оснащена пластинчатым питателем 1500 × 12000, а приводной двигатель – двигателем переменного тока Y225M-4 номинальной мощностью 45 кВт и номинальным током 84,6 А. Перед преобразованием частоты в систему регулирования скорости в ходе испытаний было установлено, что при нормальном режиме работы пластинчатого питателя средний трехфазный ток составляет всего 30 А, что составляет всего 35,5% от номинального тока двигателя. В целях экономии инвестиций был выбран преобразователь частоты ACS601-0060-3 с номинальным выходным током 76 А, подходящий для четырехполюсных двигателей мощностью 37 кВт, что обеспечивает хорошую производительность.
Эти два примера иллюстрируют, что для проектов реконструкции, в которых изначально не использовались преобразователи частоты, выбор мощности преобразователя частоты на основе фактических условий эксплуатации может значительно сократить инвестиции.
Заблуждение 3: использование визуальной мощности для расчета компенсации реактивной мощности и выгоды от энергосбережения
Рассчитайте энергосберегающий эффект компенсации реактивной мощности, используя полную мощность. При работе вентилятора с полной нагрузкой на промышленной частоте рабочий ток двигателя составляет 289 А. При использовании частотного регулирования скорости коэффициент мощности при полной нагрузке 50 Гц составляет около 0,99, а ток — 257 А. Это объясняется тем, что внутренний фильтрующий конденсатор преобразователя частоты повышает коэффициент мощности. Расчет энергосбережения выглядит следующим образом: Δ S = UI = × 380 × (289 - 257) = 21 кВА.
Поэтому считается, что его энергосберегающий эффект составляет около 11% от мощности отдельной машины.
Фактический анализ: S представляет собой полную мощность, которая является произведением напряжения и тока. При одинаковом напряжении процент экономии полной мощности и процент экономии тока одинаковы. В цепи с реактивным сопротивлением полная мощность отражает только максимально допустимую выходную мощность распределительной системы и не может отражать фактическую мощность, потребляемую двигателем. Фактическая мощность, потребляемая электродвигателем, может быть выражена только как активная мощность. В этом примере, хотя для расчета используется фактический ток, вместо активной мощности рассчитывается полная мощность. Мы знаем, что фактическая потребляемая мощность электродвигателя определяется вентилятором и его нагрузкой. Увеличение коэффициента мощности не изменило нагрузку вентилятора и не повысило его КПД. Фактическая потребляемая мощность вентилятора не уменьшилась. После увеличения коэффициента мощности рабочее состояние двигателя не изменилось, ток статора двигателя не уменьшился, а активная и реактивная мощности, потребляемые двигателем, не изменились. Причина увеличения коэффициента мощности заключается в том, что внутренний фильтрующий конденсатор преобразователя частоты генерирует реактивную мощность, которая подается на двигатель для потребления. С увеличением коэффициента мощности фактический входной ток преобразователя частоты уменьшается, тем самым уменьшая потери в линии между электросетью и преобразователем частоты и потери в меди трансформатора. В то же время, с уменьшением тока нагрузки распределительное оборудование, такое как трансформаторы, выключатели, контакторы и провода, подающие питание на преобразователь частоты, могут нести большую нагрузку. Следует отметить, что если мы не учитываем экономию потерь в линии и потерь в меди трансформатора, как в этом примере, а учитываем потери преобразователя частоты, то при работе преобразователя частоты с полной нагрузкой на частоте 50 Гц он не только не экономит энергию, но и потребляет электроэнергию. Поэтому использование полной мощности для расчета эффекта энергосбережения некорректно.
Модель двигателя центробежного вентилятора на одном из цементных заводов — Y280S-4, номинальная мощность 75 кВт, номинальное напряжение 380 В и номинальный ток 140 А. Перед преобразованием частоты в регулирование скорости клапан был полностью открыт. В ходе испытаний было установлено, что ток двигателя составил 70 А при нагрузке всего 50%, коэффициенте мощности 0,49, активной мощности 22,6 кВт и полной мощности 46,07 кВА. После внедрения регулирования скорости с переменной частотой, когда клапан полностью открыт и работает на номинальной скорости, средний ток трехфазной электросети составляет 37 А, таким образом, считается, что экономия энергии (70-37) ÷ 70 × 100% = 44,28%. Этот расчет может показаться разумным, но по сути он все еще рассчитывает эффект экономии энергии на основе полной мощности. После дополнительных испытаний на заводе было установлено, что коэффициент мощности составил 0,94, активная мощность – 22,9 кВт, а полная – 24,4 кВА. Видно, что увеличение активной мощности не только не экономит электроэнергию, но и потребляет её. Причина увеличения активной мощности заключается в том, что были учтены потери преобразователя частоты без учёта экономии потерь в линии и в трансформаторной меди. Ключ к этой ошибке кроется в неучете влияния увеличения коэффициента мощности на падение тока, и коэффициент мощности по умолчанию остаётся неизменным, что преувеличивает энергосберегающий эффект преобразователя частоты. Следовательно, при расчёте энергосберегающего эффекта необходимо использовать активную мощность вместо полной.
Заблуждение 4: Контакторы нельзя устанавливать на выходной стороне преобразователя частоты.
Практически во всех руководствах пользователя преобразователей частоты указано, что контакторы нельзя устанавливать на выходе преобразователя. В руководстве по преобразователям частоты Yaskawa в Японии указано: «Не подключайте электромагнитные выключатели или электромагнитные контакторы в выходную цепь».
Правила производителя предотвращают срабатывание контактора при наличии выходного напряжения преобразователя частоты. При подключении преобразователя частоты к нагрузке во время работы, из-за тока утечки срабатывает схема защиты от перегрузки по току. Таким образом, при условии добавления необходимых блокировок управления между выходом преобразователя частоты и действием контактора, чтобы гарантировать, что контактор может работать только при отсутствии выходного напряжения преобразователя частоты, на выходе преобразователя частоты может быть установлен контактор. Такая схема имеет большое значение в ситуациях, когда имеется только один преобразователь частоты и два двигателя (один двигатель работает, а один является резервным). При неисправности работающего двигателя преобразователь частоты можно легко переключить на резервный двигатель, и после задержки преобразователь частоты может автоматически перевести резервный двигатель в режим преобразования частоты. Кроме того, это позволяет легко реализовать взаимное резервирование двух электродвигателей.
Заблуждение 5: Применение преобразователей частоты в центробежных вентиляторах может полностью заменить регулирующую заслонку вентилятора.
Использование преобразователя частоты для регулирования скорости центробежного вентилятора с целью управления расходом воздуха обеспечивает значительный энергосберегающий эффект по сравнению с регулированием расхода воздуха посредством регулирующих клапанов. Однако в некоторых случаях преобразователь частоты не может полностью заменить клапан вентилятора, и при проектировании следует уделить особое внимание этому вопросу. Чтобы проиллюстрировать этот вопрос, начнём с принципа энергосбережения. Расход воздуха центробежного вентилятора пропорционален мощности его частоты вращения, давление воздуха пропорционально квадрату его частоты вращения, а мощность на валу пропорциональна кубу его частоты вращения.
Характеристики давления ветра и объема воздуха (HQ) вентилятора при постоянной скорости; Кривая (2) представляет собой характеристики сопротивления воздуха трубопроводной сети (клапан полностью открыт). Когда вентилятор работает в точке A, объем выходного воздуха равен Q1. В это время мощность на валу N1 пропорциональна произведению площади Q1 и H1 (AH1OQ1). Когда объем воздуха уменьшается от Q1 до Q2, если используется метод регулировки клапана, характеристики сопротивления трубопроводной сети изменятся на кривую (3). Система работает от исходной рабочей точки A до новой рабочей точки B, а вместо этого увеличивается давление ветра. Мощность на валу N2 пропорциональна площади (BH2OQ2), и N1 не сильно отличается от N2. Если принят метод управления скоростью, скорость вентилятора уменьшается от n1 до n2, а характеристики давления ветра и объема воздуха (HQ) показаны на кривой (4). При том же объеме воздуха Q2 давление ветра H3 существенно уменьшается, а мощность N3 (эквивалентная площади CH3OQ2) существенно уменьшается, что свидетельствует о существенном эффекте экономии энергии.
Из вышеприведенного анализа также видно, что регулировка клапана для управления объемом воздуха, по мере уменьшения объема воздуха, фактически увеличивает давление воздуха; И использование преобразователя частоты для управления объемом воздуха, по мере уменьшения объема воздуха, давление воздуха значительно падает. Если давление ветра падает слишком сильно, оно может не соответствовать требованиям процесса. Если рабочая точка находится в пределах области, ограниченной кривой (1), кривой (2) и осью H, то опора исключительно на преобразователь частоты для регулирования скорости не будет соответствовать требованиям процесса. Его необходимо сочетать с регулированием клапана, чтобы соответствовать требованиям процесса. Преобразователь частоты, внедренный определенным заводом, при применении центробежных вентиляторов, сильно пострадал из-за отсутствия конструкции клапана и опоры исключительно на регулирование скорости преобразователя частоты для изменения рабочей точки вентилятора. Либо скорость слишком высока, либо объем воздуха слишком большой; При снижении скорости давление ветра не может удовлетворить требованиям технологического процесса, и воздух не может быть подан. Поэтому при использовании преобразователя частоты для регулирования скорости и экономии энергии в центробежных вентиляторах необходимо учитывать как показатели расхода воздуха, так и показатели давления воздуха, в противном случае это приведет к неблагоприятным последствиям.
Заблуждение 6: Двигатели общего назначения могут работать только на пониженной скорости при использовании преобразователя частоты ниже номинальной скорости передачи.
Классическая теория утверждает, что верхний предел частоты универсального двигателя составляет 55 Гц. Это связано с тем, что при необходимости регулирования скорости двигателя выше номинальной для работы частота статора возрастает выше номинальной (50 Гц). В этом случае, если для управления по-прежнему применяется принцип постоянного крутящего момента, напряжение статора превышает номинальное. Таким образом, когда диапазон скоростей превышает номинальную скорость, напряжение статора должно поддерживаться постоянным на уровне номинального напряжения. В этом случае, с ростом скорости/частоты, магнитный поток уменьшается, что приводит к снижению крутящего момента при том же токе статора, механические характеристики становятся более мягкими, а перегрузочная способность двигателя значительно снижается.
Отсюда видно, что верхний предел частоты универсального двигателя составляет 55 Гц, что является необходимым условием:
1. Напряжение статора не может превышать номинальное напряжение;
2. Двигатель работает на номинальной мощности;
3. Постоянная крутящая нагрузка.
В описанной выше ситуации теория и эксперименты доказали, что если частота превысит 55 Гц, крутящий момент двигателя уменьшится, механические характеристики станут мягче, перегрузочная способность снизится, расход железа быстро возрастет, а нагрев будет сильным.
В целом, реальные условия эксплуатации электродвигателей указывают на возможность ускорения двигателей общего назначения с помощью преобразователей частоты. Можно ли увеличить скорость вращения двигателя с помощью преобразователя частоты? Насколько? Это в основном определяется нагрузкой, передаваемой электродвигателю. Во-первых, необходимо определить величину нагрузки. Во-вторых, необходимо понимать характеристики нагрузки и выполнять расчёты, соответствующие конкретной ситуации. Краткий анализ выглядит следующим образом:
1. Фактически, универсальный двигатель 380 В может длительно работать при напряжении статора, превышающем 10% номинального, без ущерба для изоляции и срока службы двигателя. Напряжение статора увеличивается, крутящий момент значительно увеличивается, ток статора уменьшается, а температура обмотки снижается.
2. Коэффициент нагрузки электродвигателя обычно составляет 50–60%.
Как правило, промышленные двигатели работают на 50–60% от номинальной мощности. Расчёт показывает, что при выходной мощности двигателя 70% от номинальной и увеличении напряжения статора на 7% ток статора уменьшается на 26,4%. При этом, даже при постоянном регулировании момента и увеличении скорости двигателя на 20% с помощью преобразователя частоты, ток статора не только не увеличивается, но и уменьшается. Хотя потребление железа двигателем резко возрастает после повышения частоты, выделяемое им тепло пренебрежимо мало по сравнению с теплом, уменьшающимся при уменьшении тока статора. Следовательно, температура обмотки двигателя также значительно снижается.
3. Существуют различные характеристики нагрузки.
Система электропривода обслуживает нагрузку, а различные нагрузки имеют различные механические характеристики. Электродвигатели должны соответствовать требованиям к механическим характеристикам нагрузки после разгона. Согласно расчётам, максимально допустимая рабочая частота (fmax) для нагрузок с постоянным крутящим моментом при различных скоростях нагрузки (k) обратно пропорциональна скорости нагрузки, то есть fmax = fэ/k, где fэ — номинальная частота сети. При нагрузках с постоянной мощностью максимально допустимая рабочая частота двигателей общего назначения ограничивается главным образом механической прочностью ротора и вала двигателя. Автор считает, что, как правило, целесообразно ограничивать её значением в пределах 100 Гц.
Заблуждение 7: Пренебрежение собственными характеристиками преобразователей частоты
Наладка преобразователя частоты обычно выполняется дистрибьютором, и проблем не возникает. Установка преобразователя частоты относительно проста и обычно выполняется пользователем. Некоторые пользователи невнимательно читают руководство пользователя преобразователя частоты, не соблюдают строго технические требования к конструкции, игнорируют характеристики самого преобразователя частоты, приравнивают его к обычным электрическим компонентам и действуют, основываясь на предположениях и опыте, что создает скрытые риски неисправностей и аварий.
Согласно руководству пользователя преобразователя частоты, кабель, подключаемый к двигателю, должен быть экранированным или бронированным, предпочтительно проложенным в металлической трубке. Концы обрезанного кабеля должны быть максимально аккуратными, неэкранированные участки должны быть как можно короче, а длина кабеля не должна превышать определённого расстояния (обычно 50 м). При большом расстоянии между преобразователем частоты и двигателем ток утечки высших гармоник кабеля будет оказывать неблагоприятное воздействие на преобразователь частоты и окружающее оборудование. Заземляющий провод, возвращаемый от двигателя, управляемого преобразователем частоты, должен быть непосредственно подключён к соответствующей клемме заземления преобразователя частоты. Заземляющий провод преобразователя частоты не должен использоваться совместно со сварочными аппаратами и силовым оборудованием и должен быть как можно короче. Из-за тока утечки, генерируемого преобразователем частоты, если он находится слишком далеко от точки заземления, потенциал клеммы заземления будет нестабильным. Минимальная площадь поперечного сечения заземляющего провода преобразователя частоты должна быть больше или равна площади поперечного сечения кабеля питания. Чтобы предотвратить сбои в работе, вызванные помехами, кабели управления должны использовать витые экранированные провода или двухжильные экранированные провода. При этом будьте осторожны, чтобы не касаться экранированного сетевого кабеля других сигнальных линий и корпусов оборудования, и обмотайте его изоляционной лентой. Во избежание воздействия помех длина кабеля управления не должна превышать 50 м. Кабель управления и кабель двигателя должны быть проложены отдельно, в отдельных кабельных лотках, и как можно дальше друг от друга. Если два кабеля должны пересекаться, они должны пересекаться вертикально. Никогда не прокладывайте их в одном трубопроводе или кабельном лотке. Однако некоторые пользователи не строго соблюдали вышеуказанные требования при прокладке кабелей, в результате чего оборудование работало нормально во время индивидуальной отладки, но вызывало серьезные помехи во время обычного производства, делая его неработоспособным.
Особую осторожность следует проявлять при ежедневном обслуживании преобразователей частоты. Некоторые электрики сразу же после обнаружения неисправности включают преобразователь частоты для проведения технического обслуживания и отключают его. Это очень опасно и может привести к поражению электрическим током. Это связано с тем, что даже если преобразователь частоты не работает или питание отключено, на входной линии питания, клеммах постоянного тока и клеммах двигателя преобразователя частоты может оставаться напряжение из-за наличия конденсаторов. После отключения выключателя необходимо подождать несколько минут, чтобы преобразователь частоты полностью разрядился, прежде чем приступать к работе. Некоторые электрики привыкли сразу же после срабатывания системы проводить испытания изоляции двигателя, приводимого в действие преобразователем частоты, на вибростенде, чтобы определить, не перегорел ли двигатель. Это также очень опасно, так как может легко привести к перегоранию преобразователя частоты. Поэтому перед отсоединением кабеля между двигателем и преобразователем частоты нельзя проводить испытания изоляции двигателя, а также кабеля, уже подключенного к преобразователю частоты.
Особое внимание следует уделять измерению выходных параметров преобразователя частоты. Поскольку выходной сигнал преобразователя частоты представляет собой ШИМ-сигнал, содержащий высшие гармоники, а крутящий момент двигателя в основном зависит от действующего значения основной гармоники, при измерении выходного напряжения значение основной гармоники обычно измеряется выпрямительным вольтметром. Результаты измерений наиболее близки к результатам, полученным цифровым анализатором спектра, и имеют отличную линейную зависимость от выходной частоты преобразователя частоты. При необходимости повышения точности измерений можно использовать резистивно-емкостный фильтр. Цифровые мультиметры подвержены помехам и имеют значительную погрешность измерения. Необходимо измерять полное действующее значение выходного тока, включая основную гармонику и другие высшие гармоники, поэтому обычно используется амперметр с подвижной катушкой (при нагрузке двигателя разница между действующим значением основной гармоники и полным действующим значением тока незначительна). Принимая во внимание удобство измерения и использование трансформатора тока, следует учитывать, что трансформатор тока может насыщаться на низких частотах, поэтому необходимо выбирать трансформатор тока соответствующей мощности.