Če dva identična motorja delujeta pri omrežni frekvenci 50 Hz, eden uporablja frekvenčni pretvornik, drugi pa ne, in sta hitrost in navor oba v nazivnem stanju motorja, ali lahko frekvenčni pretvornik prihrani energijo? Koliko je mogoče prihraniti?
Odgovor: V tem primeru lahko frekvenčni pretvornik le izboljša faktor moči in ne more prihraniti električne energije.
1. Frekvenčna pretvorba ne more povsod prihraniti električne energije in obstaja veliko primerov, ko frekvenčna pretvorba ne nujno prihrani električne energije.
2. Kot elektronsko vezje tudi frekvenčni pretvornik porablja energijo (približno 2–5 % nazivne moči).
3. Dejstvo je, da frekvenčni pretvorniki delujejo na omrežni frekvenci in imajo funkcije varčevanja z energijo. Vendar je njihov predpogoj:
Prvič, naprava sama ima funkcijo varčevanja z energijo (programska podpora), ki ustreza zahtevam celotnega sistema ali procesa;
Drugič, dolgotrajno neprekinjeno delovanje.
Poleg tega ni pomembno, ali varčuje z elektriko ali ne, to je nesmiselno. Če se reče, da frekvenčni pretvornik deluje varčno brez kakršnih koli predpogojev, je to pretiravanje ali komercialna špekulacija. Če poznate celotno zgodbo, ga boste pametno uporabili v svojo korist. Bodite pozorni na situacijo in pogoje uporabe, da jo pravilno uporabite, sicer boste slepo sledili, zlahka verjeli in se pustili prevarati.
Pri uporabi frekvenčnih pretvornikov imamo pogosto naslednje zmotne predstave:
Zmota 1: Uporaba frekvenčnega pretvornika lahko prihrani elektriko
V nekateri literaturi se trdi, da so frekvenčni pretvorniki energetsko varčni krmilni izdelki, kar daje vtis, da lahko uporaba frekvenčnih pretvornikov prihrani električno energijo.
Pravzaprav je razlog, zakaj lahko frekvenčni pretvorniki prihranijo elektriko, ta, da lahko uravnavajo hitrost elektromotorjev. Če so frekvenčni pretvorniki energetsko varčni krmilni izdelki, potem lahko tudi vso opremo za regulacijo hitrosti štejemo za energetsko varčne krmilne izdelke. Frekvenčni pretvornik je le nekoliko učinkovitejši in ima le nekoliko večji faktor moči kot druge naprave za regulacijo hitrosti.
Ali lahko frekvenčni pretvornik doseže prihranek energije, je odvisno od karakteristik regulacije hitrosti obremenitve. Pri obremenitvah, kot so centrifugalni ventilatorji in centrifugalne črpalke, je navor sorazmeren s kvadratom hitrosti, moč pa s kocko hitrosti. Dokler se uporablja originalni ventil za regulacijo pretoka in naprava ne deluje s polno obremenitvijo, lahko prehod na delovanje z regulacijo hitrosti doseže prihranek energije. Ko hitrost pade na 80 % prvotne vrednosti, je moč le 51,2 % prvotne vrednosti. Vidimo lahko, da ima uporaba frekvenčnih pretvornikov pri takšnih obremenitvah najpomembnejši učinek varčevanja z energijo. Pri obremenitvah, kot so Rootsovi puhalniki, je navor neodvisen od hitrosti, tj. pri obremenitvi s konstantnim navorom. Če se originalna metoda uporabe odzračevalnega ventila za sproščanje presežne količine zraka za nastavitev količine zraka spremeni v delovanje z regulacijo hitrosti, se lahko doseže tudi prihranek energije. Ko hitrost pade na 80 % prvotne vrednosti, moč doseže 80 % prvotne vrednosti. Učinek varčevanja z energijo je veliko manjši kot pri uporabi v centrifugalnih ventilatorjih in centrifugalnih črpalkah. Pri obremenitvah s konstantno močjo je moč neodvisna od hitrosti. Stalna obremenitev v cementarni, kot je na primer tehtnica za mešalni trak, upočasni hitrost traku, ko je plast materiala debela pod določenimi pogoji pretoka; ko je plast materiala tanka, se hitrost traku poveča. Uporaba frekvenčnih pretvornikov pri takšnih obremenitvah ne more prihraniti električne energije.
V primerjavi s sistemi za regulacijo hitrosti enosmernega toka imajo enosmerni motorji višji izkoristek in faktor moči kot izmenični motorji. Učinkovitost digitalnih regulatorjev hitrosti enosmernega toka je primerljiva z učinkovitostjo frekvenčnih pretvornikov in celo nekoliko višja od učinkovitosti frekvenčnih pretvornikov. Zato je napačno trditi, da uporaba asinhronih izmeničnih motorjev in frekvenčnih pretvornikov prihrani več električne energije kot uporaba enosmernih motorjev in regulatorjev enosmernega toka, tako teoretično kot praktično.
Zmotno prepričanje 2: Izbira zmogljivosti frekvenčnega pretvornika temelji na nazivni moči motorja
V primerjavi z elektromotorji so frekvenčni pretvorniki relativno dragi, zato je zelo smiselno razumno zmanjšati njihovo zmogljivost, hkrati pa zagotoviti varno in zanesljivo delovanje.
Moč frekvenčnega pretvornika se nanaša na moč 4-polnega asinhronega motorja na izmenični tok, za katerega je primeren.
Zaradi različnega števila polov motorjev z enako zmogljivostjo se nazivni tok motorja spreminja. Z naraščanjem števila polov motorja se povečuje tudi nazivni tok motorja. Izbira zmogljivosti frekvenčnega pretvornika ne more temeljiti na nazivni moči motorja. Hkrati pri projektih prenove, ki prvotno niso uporabljali frekvenčnih pretvornikov, izbire zmogljivosti frekvenčnih pretvornikov ne more temeljiti na nazivnem toku motorja. To je zato, ker je treba pri izbiri zmogljivosti elektromotorja upoštevati dejavnike, kot so največja obremenitev, koeficient presežka in specifikacije motorja. Presežek je pogosto velik in industrijski motorji pogosto delujejo s 50 % do 60 % nazivne obremenitve. Če je zmogljivost frekvenčnega pretvornika izbrana na podlagi nazivnega toka motorja, ostane preveč rezerve, kar povzroči ekonomsko izgubo in posledično se zanesljivost ne izboljša.
Pri motorjih s kletko v obliki veverice mora izbira zmogljivosti frekvenčnega pretvornika temeljiti na načelu, da je nazivni tok frekvenčnega pretvornika večji ali enak 1,1-kratniku največjega normalnega obratovalnega toka motorja, kar lahko poveča prihranke stroškov. Pri pogojih, kot so zagon z veliko obremenitvijo, okolje z visoko temperaturo, motor z navitjem, sinhroni motor itd., je treba zmogljivost frekvenčnega pretvornika ustrezno povečati.
Pri zasnovah, ki že od samega začetka uporabljajo frekvenčne pretvornike, je razumljivo, da se zmogljivost frekvenčnega pretvornika izbere glede na nazivni tok motorja. To je zato, ker zmogljivosti frekvenčnega pretvornika trenutno ni mogoče izbrati glede na dejanske obratovalne pogoje. Seveda je zaradi zmanjšanja naložbe v nekaterih primerih zmogljivost frekvenčnega pretvornika sprva negotova, po določenem času delovanja opreme pa jo je mogoče izbrati glede na dejanski tok.
V sistemu sekundarnega mletja cementnega mlina s premerom 2,4 m × 13 m v nekem cementnem podjetju v Notranji Mongoliji je nameščen doma izdelan visoko učinkovit selektor prahu N-1500 O-Sepa, opremljen z elektromotorjem modela Y2-315M-4 z močjo 132 kW. Vendar je bil izbran frekvenčni pretvornik FRN160-P9S-4E, ki je primeren za 4-polne motorje z močjo 160 kW. Po zagonu je največja delovna frekvenca 48 Hz, tok pa le 180 A, kar je manj kot 70 % nazivnega toka motorja. Sam motor ima precejšnjo presežno zmogljivost. Poleg tega so specifikacije frekvenčnega pretvornika za eno stopnjo večje od specifikacij pogonskega motorja, kar povzroča nepotrebne izgube in ne izboljšuje zanesljivosti.
Sistem za dovajanje drobilnika apnenca št. 3 v cementarni Anhui Chaohu uporablja ploščni podajalnik velikosti 1500 × 12000, pogonski motor pa uporablja izmenični motor Y225M-4 z nazivno močjo 45 kW in nazivnim tokom 84,6 A. Pred pretvorbo frekvence in regulacijo hitrosti je bilo s testiranjem ugotovljeno, da je pri normalnem pogonu motorja ploščni podajalnik povprečni trifazni tok le 30 A, kar je le 35,5 % nazivnega toka motorja. Da bi prihranili pri naložbi, je bil izbran frekvenčni pretvornik ACS601-0060-3 z nazivnim izhodnim tokom 76 A, ki je primeren za 4-polne motorje z močjo 37 kW, kar dosega dobre zmogljivosti.
Ta dva primera ponazarjata, da lahko pri projektih prenove, pri katerih prvotno niso bili uporabljeni frekvenčni pretvorniki, izbira zmogljivosti frekvenčnega pretvornika glede na dejanske obratovalne pogoje znatno zmanjša naložbo.
Zmotno prepričanje 3: Splošni motorji lahko delujejo le z zmanjšano hitrostjo, če uporabljajo frekvenčne pretvornike pod njihovo nazivno prenosno hitrostjo.
Klasična teorija pravi, da je zgornja meja frekvence univerzalnega motorja 55 Hz. To je zato, ker se bo frekvenca statorja povečala nad nazivno frekvenco (50 Hz), ko je treba hitrost motorja prilagoditi nad nazivno hitrostjo za delovanje. Na tej točki se bo, če se za krmiljenje še vedno upošteva načelo konstantnega navora, napetost statorja povečala nad nazivno napetost. Torej, ko je območje hitrosti višje od nazivne hitrosti, je treba napetost statorja ohranjati konstantno pri nazivni napetosti. Na tej točki se bo z naraščanjem hitrosti/frekvence magnetni pretok zmanjšal, kar bo povzročilo zmanjšanje navora pri enakem toku statorja, mehčanje mehanskih lastnosti in znatno zmanjšanje preobremenitvene zmogljivosti motorja.
Iz tega je razvidno, da je zgornja meja frekvence univerzalnega motorja 55 Hz, kar je predpogoj:
1. Napetost statorja ne sme preseči nazivne napetosti;
2. Motor deluje z nazivno močjo;
3. Konstantna obremenitev navora.
V zgornji situaciji sta teorija in poskusi dokazali, da se bo navor motorja zmanjšal, mehanske lastnosti postale mehkejše, preobremenitvena zmogljivost se bo zmanjšala, poraba železa se bo hitro povečala in segrevanje bo močno.
Avtor meni, da dejanski obratovalni pogoji elektromotorjev kažejo, da je mogoče motorje splošnega namena pospešiti s frekvenčnimi pretvorniki. Ali je mogoče povečati hitrost s spremenljivo frekvenco? Za koliko se lahko poveča? To je v glavnem odvisno od obremenitve, ki jo vleče elektromotor. Najprej je treba določiti, kakšna je stopnja obremenitve. Drugič, treba je razumeti značilnosti obremenitve in opraviti izračune na podlagi specifične situacije obremenitve. Kratka analiza je naslednja:
1. Pravzaprav je mogoče univerzalni motor z napetostjo 380 V delovati dlje časa, ko napetost statorja preseže 10 % nazivne napetosti, ne da bi to vplivalo na izolacijo in življenjsko dobo motorja. Napetost statorja se poveča, navor se znatno poveča, tok statorja se zmanjša in temperatura navitja se zmanjša.
2. Stopnja obremenitve elektromotorja je običajno od 50 % do 60 %
Industrijski motorji običajno delujejo s 50 % do 60 % svoje nazivne moči. Izračun kaže, da se pri izhodni moči motorja 70 % nazivne moči in povečanju napetosti statorja za 7 % statorski tok zmanjša za 26,4 %. V tem primeru se statorski tok, tudi pri konstantnem krmiljenju navora in uporabi frekvenčnega pretvornika za povečanje hitrosti motorja za 20 %, ne le ne poveča, ampak se celo zmanjša. Čeprav se izguba v železu motorja po povečanju frekvence močno poveča, je toplota, ki jo ustvari, zanemarljiva v primerjavi s toploto, ki se zmanjša zaradi zmanjšanja statorskega toka. Zato se bo znatno zmanjšala tudi temperatura navitja motorja.
3. Obstajajo različne obremenitvene značilnosti
Pogonski sistem elektromotorja deluje na obremenitvi, različne obremenitve pa imajo različne mehanske lastnosti. Elektromotorji morajo po pospeševanju izpolnjevati zahteve glede mehanskih lastnosti obremenitve. Glede na izračune je največja dovoljena delovna frekvenca (fmax) za obremenitve s konstantnim navorom pri različnih stopnjah obremenitve (k) obratno sorazmerna s stopnjo obremenitve, tj. fmax=fe/k, kjer je fe nazivna frekvenca moči. Pri obremenitvah s konstantno močjo je največja dovoljena delovna frekvenca splošnih motorjev v glavnem omejena z mehansko trdnostjo rotorja in gredi motorja. Avtor meni, da je na splošno priporočljivo, da se omeji na 100 Hz.
Primer uporabe:
Verižni vedrni transporter v neki tovarni ima konstantno obremenitev z navorom, zaradi povečanja proizvodnje pa je treba hitrost motorja povečati za 20 %. Model motorja je Y180L-6 z nazivno močjo 15 kW, nazivno napetostjo 380 V, nazivnim tokom 31,6 A, nazivno hitrostjo 980 vrt/min, izkoristkom 89,5 %, faktorjem moči 0,81, obratovalnim tokom 18–20 A, največjo obratovalno močjo 7,5 kW v normalnih pogojih in stopnjo obremenitve 50 %. Po namestitvi frekvenčnega pretvornika CIMR-G5A4015 je obratovalna frekvenca 60 Hz, hitrost se poveča za 20 %, največja izhodna napetost frekvenčnega pretvornika je nastavljena na 410 V, obratovalni tok motorja je 12–15 A, kar se zmanjša za približno 30 %, temperatura navitja motorja pa se znatno zmanjša.
Zmotno prepričanje 4: Zanemarjanje inherentnih značilnosti frekvenčnih pretvornikov
Odpravljanje napak na frekvenčnem pretvorniku običajno opravi distributer in s tem ne bo težav. Namestitev frekvenčnega pretvornika je relativno preprosta in jo običajno opravi uporabnik. Nekateri uporabniki ne preberejo natančno uporabniškega priročnika za frekvenčni pretvornik, ne upoštevajo dosledno tehničnih zahtev za konstrukcijo, ignorirajo značilnosti samega frekvenčnega pretvornika, ga enačijo s splošnimi električnimi komponentami in delujejo na podlagi predpostavk in izkušenj, pri čemer skrivajo nevarnosti za napake in nesreče.
V skladu z uporabniškim priročnikom frekvenčnega pretvornika mora biti kabel, priključen na motor, oklopljen ali armiran kabel, po možnosti položen v kovinsko cev. Konci odrezanega kabla morajo biti čim bolj čisti, nezaščiteni segmenti morajo biti čim krajši, dolžina kabla pa ne sme presegati določene razdalje (običajno 50 m). Če je razdalja med frekvenčnim pretvornikom in motorjem dolga, bo visokoharmonični uhajalni tok iz kabla negativno vplival na frekvenčni pretvornik in okoliško opremo. Ozemljitvena žica, ki se vrača iz motorja, ki ga krmili frekvenčni pretvornik, mora biti neposredno priključena na ustrezno ozemljitveno sponko frekvenčnega pretvornika. Ozemljitvena žica frekvenčnega pretvornika se ne sme deliti z varilnimi stroji in energetsko opremo ter mora biti čim krajša. Zaradi uhajalnega toka, ki ga ustvarja frekvenčni pretvornik, bo potencial ozemljitvene sponke nestabilen, če je predaleč od ozemljitvene točke. Najmanjši prečni prerez ozemljitvene žice frekvenčnega pretvornika mora biti večji ali enak prečnemu prerezu napajalnega kabla. Da bi preprečili motnje v delovanju, je treba pri krmilnih kablih uporabljati zasukane oklopljene žice ali dvožilne oklopljene žice. Hkrati pazite, da se oklopljenega omrežnega kabla ne dotikate z drugimi signalnimi vodi in ohišji opreme, zato ga ovijte z izolacijskim trakom. Da bi se izognili motnjam zaradi motenj, dolžina krmilnega kabla ne sme presegati 50 m. Krmilni kabel in kabel motorja je treba položiti ločeno, v ločene kabelske pladnje in čim bolj narazen. Ko se morata križati, ju je treba križati navpično. Nikoli ju ne polagajte v isti cevovod ali kabelski pladenj. Vendar pa nekateri uporabniki pri polaganju kablov niso dosledno upoštevali zgornjih zahtev, zaradi česar je oprema med posameznim odpravljanjem napak delovala normalno, med normalno proizvodnjo pa je povzročala resne motnje, zaradi česar ni mogla delovati.
If the secondary air temperature gauge of a cement plant suddenly shows abnormal readings: the indicated value is significantly low and fluctuates greatly. It has been running very well before this. Checked thermocouples, temperature transmitters, and secondary instruments, no issues were found. What are the relevant? When the instrument was moved to another measuring point, it operated completely normally. However, when similar instruments from other measuring points were replaced here, the same phenomenon also occurred. Later, it was discovered that a new frequency converter had been installed on the motor of cooling fan No. 3 in the grate cooler, and it was only after the frequency converter was put into use that the secondary air temperature gauge showed abnormal readings. Stop the frequency converter and immediately restore the secondary air temperature gauge to normal; Restarting the frequency converter, the secondary air temperature gauge showed abnormal readings again. After repeated testing several times, it was determined that the interference from the frequency converter was the direct cause of the abnormal display on the secondary air temperature gauge. The fan is a centrifugal ventilator, which originally used valves to adjust the air volume, but later changed to variable frequency speed regulation to adjust the air volume. Due to the large amount of dust and harsh environment on site, the frequency converter is installed in the MCC (Motor Control Center) control room. For the convenience of construction, the frequency converter is connected to the lower side of the main contactor of the fan, and the output cable of the frequency converter uses the power cable of the fan motor. The power cable of the fan motor is a PVC insulated non steel armored sheathed cable, and is laid parallel to the secondary air temperature meter signal cable in different bridge layers of the same cable trench. It can be seen that it is precisely because the output cable of the frequency converter does not use armored cables or be laid through iron pipes that interference phenomena occur. This lesson should be given special attention to renovation projects that did not originally use frequency converters.
Posebno pozornost je treba nameniti tudi vsakodnevnemu vzdrževanju frekvenčnih pretvornikov. Nekateri električarji takoj vklopijo frekvenčni pretvornik zaradi vzdrževanja, takoj ko zaznajo napako, in ga izklopijo. To je zelo nevarno in lahko povzroči nesreče z električnim udarom. To je zato, ker tudi če frekvenčni pretvornik ne deluje ali je napajanje prekinjeno, je lahko na vhodnem napajalnem vodu, enosmernem priključku in priključku motorja frekvenčnega pretvornika še vedno prisotna napetost zaradi prisotnosti kondenzatorjev. Po odklopu stikala je treba pred začetkom dela počakati nekaj minut, da se frekvenčni pretvornik popolnoma izprazni. Nekateri električarji so vajeni, da takoj, ko opazijo izklop sistema, z uporabo stresalne mize opravijo preizkuse izolacije motorja, ki ga poganja sistem s frekvenčno spremenljivo pogonsko enoto, da ugotovijo, ali je motor pregorel. Tudi to je zelo nevarno, saj lahko zlahka povzroči, da frekvenčni pretvornik pregori. Zato se pred odklopom kabla med motorjem in frekvenčnim pretvornikom ne sme izvajati preizkusov izolacije na motorju niti na kablu, ki je že priključen na frekvenčni pretvornik.