Dobavitelji naprav za povratno zanko o energiji za frekvenčne pretvornike vas opominjajo, da so motorji v sodobni industriji vrsta opreme z visoko porabo energije in širokim spektrom uporabe. Po statističnih podatkih je skupna nameščena zmogljivost Kitajske približno 400 milijonov kilovatov, letna poraba električne energije pa znaša približno 600 milijard kilovatnih ur, kar predstavlja 70–80 % industrijske porabe električne energije. Kitajska se v glavnem zanaša na majhne in srednje velike motorje, kar predstavlja približno 80 %, medtem ko količina električne energije, ki jo porabijo mali in srednje veliki motorji, predstavlja 90 % skupnih izgub. Pri praktični uporabi motorjev na Kitajskem obstaja znatna razlika v primerjavi s tujino, saj je izkoristek enote 75 %, kar je 10 % manj kot v tujini; obratovalni izkoristek sistema je 30–40 %, kar je 20–30 % manj od mednarodne napredne ravni. Zato imajo mali in srednje veliki motorji na Kitajskem velik potencial za varčevanje z energijo, spodbujanje varčevanja z energijo motorjev pa je nujno.
Zaradi preproste strukture, enostavne izdelave, nizke cene, vzdržljivosti, zanesljivega delovanja in primernosti za zahtevna okolja se asinhroni motorji pogosto uporabljajo v industrijski in kmetijski proizvodnji. Še posebej za pogon črpalk in ventilatorjev v različnih panogah je energetsko varčno delo motorjev za vlečne črpalke in ventilatorje zelo cenjeno.
Z naglim razvojem znanosti in tehnologije, zlasti z visokim razvojem in uporabo tehnologije močnostne elektronike, mikroelektronske tehnologije in tehnologije avtomatskega krmiljenja, je učinek varčevanja z energijo frekvenčnih pretvornikov postal še pomembnejši. Ne le da lahko dosežejo brezstopenjsko regulacijo hitrosti, temveč tudi učinkovito delujejo pri različnih obremenitvah, z dobrimi dinamičnimi lastnostmi ter dosežejo visoko zmogljivost, visoko zanesljivost in visoko natančnost avtomatskega krmiljenja. V primerjavi z drugimi metodami regulacije hitrosti, kot so regulacija hitrosti z zmanjšanjem napetosti, regulacija hitrosti s spreminjanjem polov, regulacija hitrosti zdrsa, kaskadna regulacija hitrosti AC itd., ima regulacija hitrosti s spremenljivo frekvenco stabilno delovanje, široko območje regulacije hitrosti in visoko učinkovitost. Z razvojem sodobne teorije krmiljenja in tehnologije močnostne elektronike postaja tehnologija regulacije hitrosti s spremenljivo frekvenco AC vse bolj popolna in je postala trend regulacije hitrosti motorjev z izmeničnim tokom. Naprave za regulacijo hitrosti s spremenljivo frekvenco (VFD) se pogosto uporabljajo v industriji.
Uporaba frekvenčnih pretvornikov za prenos signala za regulacijo hitrosti je hitra, krmilni sistem ima majhen časovni zamik, odziv je občutljiv, natančnost regulacije sistema za nastavitev je visoka, uporaba je priročna in prispeva k izboljšanju proizvodnje, zagotavljanju kakovosti in zmanjševanju proizvodnih stroškov. Zato je uporaba frekvenčnih pretvornikov priljubljen izdelek za varčevanje z energijo in zmanjšanje porabe energije v tovarnah in rudarskih podjetjih.
Naprava za varčevanje z energijo motorja s spremenljivo frekvenco je revolucionarna nova generacija izdelkov za krmiljenje specifičnih motorjev. Na osnovi tehnologije digitalnega krmiljenja z mikroprocesorjem dinamično prilagaja napetost in tok v delovanju motorja s pomočjo vgrajene namenske programske opreme za optimizacijo varčevanja z energijo. Brez spreminjanja hitrosti motorja zagotavlja, da se izhodni navor motorja natančno ujema z obremenitvijo, s čimer se učinkovito izognemo izgubi električne energije zaradi prekomerne izhodne moči motorja.
AC motorji so trenutno najpogosteje uporabljeni motorji, saj predstavljajo približno 85 % vseh vrst motorjev. Njihove prednosti so preprosta konstrukcija, nizki stroški in odsotnost vzdrževanja. Vendar pa je njihova slabost težava pri regulaciji hitrosti, kar omejuje njihovo uporabo v mnogih aplikacijah ali pa zahteva mehanska sredstva za doseganje regulacije hitrosti.
Frekvenčni pretvorniki se običajno uporabljajo v dveh primerih glede na vrsto obremenitve: 1. Uporaba konstantnega navora; 2. Uporaba spremenljivega navora. Glavna cilja uporabe sta: 1. Izboljšanje procesa, zagotavljanje hitrosti vrtenja med procesom, hitrosti vrtenja pri različnih obremenitvah in natančnega pozicioniranja. Z odlično regulacijo hitrosti lahko izboljšajo produktivnost, izboljšajo kakovost izdelkov, izboljšajo udobje, racionalizirajo opremo, prilagodijo ali izboljšajo okolje itd. 2. Glavni namen energetsko varčne transformacije je doseči pomembne rezultate z nadzorom hitrosti ventilatorjev in črpalk, ki zahtevajo regulacijo pretoka ali tlaka.
Načelo regulacije hitrosti s spremenljivo frekvenco
Motorne obremenitve, kot so ventilatorji, vodne črpalke, zračni kompresorji, hidravlične oljne črpalke in obtočne črpalke, predstavljajo veliko večino opreme, ki porablja energijo v podjetjih. Zaradi tehničnih omejitev so skoraj vsi sistemi za regulacijo pretoka, tlaka ali količine zraka za takšne obremenitve sistemi s krmiljenjem z ventili, kjer se motor poganja z nazivno hitrostjo in sistem zagotavlja konstanten pretok, tlak ali količino zraka. Ko se obratovalne zahteve opreme spremenijo, se pretok obremenitve, tlak ali količina zraka prilagodijo s prelivnimi, varnostnimi ventili ali proporcionalnimi regulatorji, ki se nahajajo na izhodnem koncu, da se zadosti spreminjajočim se potrebam obratovalnih pogojev opreme. Po prelivanju prelivnega ventila ali proporcionalnega regulacijskega ventila se sprosti velika količina energije, ta razpršena energija pa je pravzaprav del energije, ki jo motor absorbira iz električnega omrežja, kar povzroča veliko izgubo električne energije. Iz delovnih značilnosti te vrste obremenitve je razvidno, da je moč motorja sorazmerna s kocko hitrosti, hitrost pa s frekvenco. Če spremenimo način delovanja motorja tako, da ne deluje vedno pri nazivni delovni frekvenci, temveč uporablja sistem za krmiljenje zagona in zaustavitve s spremenljivo frekvenco, je mogoče njegovo hitrost neprekinjeno nastavljati v območju od 0 do 2900 vrt/min, kar pomeni, da je mogoče tudi izhodni pretok, tlak ali količino zraka neprekinjeno nastavljati v območju od 0 do 100 %, da se natančno prilagodi delovnim potrebam obremenitve in doseže cilj varčevanja z energijo in zmanjšanja porabe.
Hitrost AC motorja je naslednja: n=60f (1-s)/p
V formuli: n=hitrost motorja
F=frekvenca napajanja
P = število polov motorja
S=stopnja zdrsa
Kot je razvidno iz enačbe, je sinhrona hitrost n izmeničnega motorja neposredno sorazmerna z omrežno frekvenco f. Zato lahko spreminjanje omrežne frekvence spremeni hitrost motorja in doseže namen regulacije hitrosti.
Načelo regulacije hitrosti s spremenljivo frekvenco za varčevanje z energijo
Regulacija hitrosti s spremenljivo frekvenco prihrani elektriko, kot že ime pove, lahko le regulacija hitrosti s spremenljivo frekvenco prihrani elektriko. Spodaj je analiza načel varčevanja z energijo za dve tipični uporabi obremenitve.
(1) Aplikacije s konstantno obremenitvijo s navorom
Konstanten navor obremenitve pomeni, da navor obremenitve ostane konstanten ne glede na spremembe hitrosti.
Naslednja formula: P=K * T * N
K=koeficient
P=moč na gredi
T=navor obremenitve
N=hitrost vrtenja
Iz zgornje formule je razvidno, da je moč gredi neposredno sorazmerna s hitrostjo motorja. Ko se hitrost motorja prilagodi potrebam procesa, se lahko naravno doseže ustrezen delež prihranka energije.
(2) Uporaba s spremenljivo obremenitvijo navora
Centrifugalni ventilatorji in črpalke spadajo med tipične obremenitve s spremenljivim navorom, njihove delovne značilnosti pa so naslednje: večina jih deluje neprekinjeno dlje časa. Ker je navor obremenitve sorazmeren s kvadratom hitrosti, bo preseganje nazivne hitrosti povzročilo resno preobremenitev motorja. Zato ventilatorji in črpalke običajno ne delujejo preko nazivne frekvence.