Om två identiska motorer arbetar vid 50 Hz nätfrekvens, den ena använder en frekvensomvandlare och den andra inte, och både hastighet och vridmoment är vid motorns nominella tillstånd, kan frekvensomvandlaren spara energi? Hur mycket kan sparas?
Svar: I det här fallet kan frekvensomvandlaren bara förbättra effektfaktorn och inte spara el.
1. Frekvensomvandling kan inte spara el överallt, och det finns många tillfällen då frekvensomvandling inte nödvändigtvis sparar el.
2. Som en elektronisk krets förbrukar även frekvensomvandlaren själv ström (cirka 2–5 % av den nominella effekten)
3. Det är ett faktum att frekvensomvandlare arbetar vid nätfrekvensen och har energibesparande funktioner. Men dess förutsättning är:
För det första har själva enheten en energisparfunktion (programvarusupport) som uppfyller kraven för hela systemet eller processen;
För det andra, långsiktig kontinuerlig drift.
Dessutom spelar det ingen roll om det sparar el eller inte, det är meningslöst. Om man säger att frekvensomvandlaren fungerar energibesparande utan några förutsättningar är det en överdrift eller kommersiell spekulation. Med tanke på hela historien kommer du att smart använda den till din tjänst. Var noga med att vara uppmärksam på användningssituationen och förhållandena för att tillämpa den korrekt, annars kommer du att blint följa, lätt tro och bli lurad.
Vi har ofta följande missuppfattningar när vi använder frekvensomvandlare:
Missuppfattning 1: Att använda en frekvensomvandlare kan spara el
En del litteratur hävdar att frekvensomvandlare är energibesparande styrprodukter, vilket ger intrycket att användning av frekvensomvandlare kan spara el.
Faktum är att anledningen till att frekvensomvandlare kan spara el är att de kan reglera hastigheten på elmotorer. Om frekvensomvandlare är energibesparande styrprodukter, kan all hastighetsregleringsutrustning också betraktas som energibesparande styrprodukter. Frekvensomvandlaren är bara något effektivare och har en något högre effektfaktor än andra hastighetsregleringsenheter.
Huruvida en frekvensomvandlare kan uppnå energibesparingar avgörs av lastens hastighetsregleringsegenskaper. För laster som centrifugalfläktar och centrifugalpumpar är vridmomentet proportionellt mot kvadraten på hastigheten och effekten är proportionell mot kuben på hastigheten. Så länge det ursprungliga ventilstyrflödet används och den inte arbetar med full belastning kan man uppnå energibesparingar genom att byta till hastighetsreglering. När hastigheten sjunker till 80 % av originalet är effekten endast 51,2 % av originalet. Det kan ses att tillämpningen av frekvensomvandlare i sådana laster har den mest betydande energibesparande effekten. För laster som Roots-fläktar är vridmomentet oberoende av hastigheten, dvs. konstant momentbelastning. Om den ursprungliga metoden att använda en avluftningsventil för att släppa ut överskottsluftvolym för att justera luftvolymen ändras till hastighetsreglering kan man också uppnå energibesparingar. När hastigheten sjunker till 80 % av sitt ursprungliga värde når effekten 80 % av sitt ursprungliga värde. Energibesparande effekten är mycket mindre än för tillämpningar i centrifugalfläktar och centrifugalpumpar. För belastningar med konstant effekt är effekten oberoende av hastigheten. En konstant effektbelastning i en cementfabrik, såsom en bandvåg för blandning, saktar ner bandhastigheten när materiallagret är tjockt under vissa flödesförhållanden; när materiallagret är tunt ökar bandhastigheten. Användningen av frekvensomvandlare i sådana belastningar kan inte spara el.
Jämfört med likströmsmotorer har likströmsmotorer högre verkningsgrad och effektfaktor än växelströmsmotorer. Verkningsgraden hos digitala likströmsregulatorer är jämförbar med frekvensomvandlare, och till och med något högre än frekvensomvandlare. Det är därför felaktigt att påstå att användning av asynkrona växelströmsmotorer och frekvensomvandlare sparar mer el än användning av likströmsmotorer och likströmsregulatorer, både teoretiskt och praktiskt.
Missuppfattning 2: Kapacitetsvalet för frekvensomvandlaren baseras på motorns nominella effekt.
Jämfört med elmotorer är priset på frekvensomvandlare relativt dyrt, så det är mycket meningsfullt att rimligen minska frekvensomvandlarnas kapacitet samtidigt som man säkerställer säker och tillförlitlig drift.
Effekten hos en frekvensomvandlare avser effekten hos den 4-poliga växelströms-asynkronmotor som den är lämplig för.
På grund av det olika antalet poler hos motorer med samma kapacitet varierar motorns märkström. När antalet poler i motorn ökar ökar även motorns märkström. Kapacitetsvalet för frekvensomvandlaren kan inte baseras på motorns märkeffekt. Samtidigt, för renoveringsprojekt som ursprungligen inte använde frekvensomvandlare, kan kapacitetsvalet för frekvensomvandlare inte baseras på motorns märkström. Detta beror på att kapacitetsvalet för elmotorn bör beakta faktorer som maximal belastning, överskottskoefficient och motorspecifikationer. Ofta är överskottet stort, och industrimotorer arbetar ofta med 50 % till 60 % av den nominella belastningen. Om frekvensomvandlarens kapacitet väljs baserat på motorns märkström, finns det för mycket marginal kvar, vilket resulterar i ekonomiskt slöseri och tillförlitligheten förbättras inte som ett resultat.
För kortslutningsmotorer bör frekvensomvandlarens kapacitetsval baseras på principen att frekvensomvandlarens märkström är större än eller lika med 1,1 gånger motorns maximala normala driftsström, vilket kan maximera kostnadsbesparingarna. För förhållanden som start vid hög belastning, högtemperaturmiljö, lindningsmotor, synkronmotor etc. bör frekvensomvandlarens kapacitet ökas på lämpligt sätt.
För konstruktioner som använder frekvensomvandlare från början är det förståeligt att välja frekvensomvandlarens kapacitet baserat på motorns märkström. Detta beror på att frekvensomvandlarens kapacitet inte kan väljas baserat på faktiska driftsförhållanden just nu. För att minska investeringar kan frekvensomvandlarens kapacitet naturligtvis i vissa fall vara osäker först, och efter att utrustningen har varit igång en tid kan den väljas baserat på den faktiska strömmen.
I det sekundära malningssystemet i en cementkvarn med en diameter på 2,4 m × 13 m i ett visst cementföretag i Inre Mongoliet finns en inhemskt producerad N-1500 O-Sepa högeffektiv pulverväljare, utrustad med en elmotormodell Y2-315M-4 med en effekt på 132 kW. Emellertid är frekvensomvandlaren FRN160-P9S-4E vald, vilken är lämplig för 4-poliga motorer med en effekt på 160 kW. Efter driftsättning är den maximala arbetsfrekvensen 48 Hz, och strömmen är endast 180 A, vilket är mindre än 70 % av motorns märkström. Själva motorn har en betydande överkapacitet. Och frekvensomvandlarens specifikationer är en nivå högre än drivmotorns, vilket orsakar onödigt slöseri och inte förbättrar tillförlitligheten.
Matningssystemet för kalkstenskross nr 3 vid Anhui Chaohu cementfabrik använder en 1500 × 12000 plattmatare, och drivmotorn använder en Y225M-4 växelströmsmotor med en nominell effekt på 45 kW och en nominell ström på 84,6 A. Innan frekvensomvandlingens hastighetsregleringstransformation konstaterades det genom tester att när plattmataren driver motorn normalt är den genomsnittliga trefasströmmen endast 30 A, vilket endast är 35,5 % av motorns nominella ström. För att spara investeringar valdes frekvensomvandlaren ACS601-0060-3, som har en nominell utgångsström på 76 A och är lämplig för 4-poliga motorer med en effekt på 37 kW, vilket ger god prestanda.
Dessa två exempel illustrerar att för renoveringsprojekt som ursprungligen inte använde frekvensomvandlare, kan val av frekvensomvandlarens kapacitet baserat på faktiska driftsförhållanden minska investeringen avsevärt.
Missuppfattning 3: Generalmotorer kan bara arbeta med reducerad hastighet med frekvensomvandlare under deras nominella överföringshastighet.
Den klassiska teorin menar att den övre gränsen för frekvensen för en universalmotor är 55 Hz. Detta beror på att när motorvarvtalet behöver justeras över nominell hastighet för drift, kommer statorfrekvensen att öka över nominell frekvens (50 Hz). Vid denna tidpunkt, om principen om konstant vridmoment fortfarande följs för styrning, kommer statorspänningen att öka utöver nominell spänning. Så när hastighetsområdet är högre än nominell hastighet måste statorspänningen hållas konstant vid nominell spänning. Vid denna tidpunkt, när hastigheten/frekvensen ökar, kommer det magnetiska flödet att minska, vilket resulterar i en minskning av vridmomentet vid samma statorström, mjukning av mekaniska egenskaper och en betydande minskning av motorns överbelastningskapacitet.
Av detta framgår att den övre gränsen för frekvensen för en universalmotor är 55 Hz, vilket är en förutsättning:
1. Statorspänningen får inte överstiga märkspänningen;
2. Motorn arbetar med nominell effekt;
3. Konstant momentbelastning.
I ovanstående situation har teori och experiment visat att om frekvensen överstiger 55 Hz, kommer motorns vridmoment att minska, de mekaniska egenskaperna att bli mjukare, överbelastningskapaciteten att minska, järnförbrukningen att öka snabbt och uppvärmningen att bli allvarlig.
Författaren anser att de faktiska driftsförhållandena för elmotorer indikerar att allmänmotorer kan accelereras med frekvensomvandlare. Kan variabel frekvenshastighet ökas? Hur mycket kan den ökas? Det bestäms huvudsakligen av lasten som elmotorn drar. För det första är det nödvändigt att bestämma vad lasthastigheten är? För det andra är det nödvändigt att förstå lastegenskaperna och göra beräkningar baserade på lastens specifika situation. En kort analys är följande:
1. Faktum är att det för en 380V universalmotor är möjligt att använda den under lång tid när statorspänningen överstiger 10% av märkspänningen, utan att motorns isolering och livslängd påverkas. Statorspänningen ökar, vridmomentet ökar avsevärt, statorströmmen minskar och lindningstemperaturen minskar.
2. Elmotorns belastningsgrad är vanligtvis 50 % till 60 %.
Generellt sett arbetar industrimotorer med 50 % till 60 % av sin nominella effekt. Enligt beräkningar minskar statorströmmen med 26,4 % när motorns uteffekt är 70 % av nominell effekt och statorspänningen ökar med 7 %. Vid denna tidpunkt, även med konstant momentreglering och användning av en frekvensomvandlare för att öka motorhastigheten med 20 %. Även om motorns järnförlust ökar kraftigt efter att frekvensen ökat, är den genererade värmen försumbar jämfört med den värme som minskar genom minskningen av statorströmmen. Därför kommer temperaturen på motorlindningen också att minska avsevärt.
3. Det finns olika lastegenskaper
Elmotorns drivsystem betjänar lasten, och olika laster har olika mekaniska egenskaper. Elmotorer måste uppfylla kraven på lastens mekaniska egenskaper efter acceleration. Enligt beräkningar är den maximalt tillåtna driftsfrekvensen (fmax) för konstanta momentbelastningar vid olika belastningshastigheter (k) omvänt proportionell mot belastningshastigheten, dvs. fmax = fe/k, där fe är den nominella effektfrekvensen. För konstanta effektbelastningar begränsas den maximalt tillåtna driftsfrekvensen för General Motors huvudsakligen av motorrotorns och axelns mekaniska hållfasthet. Författaren anser att det generellt är lämpligt att begränsa den till inom 100 Hz.
Applikationsexempel:
Kedjetransportören i en viss fabrik har en konstant vridmomentbelastning, och på grund av produktionsökningen behöver dess motorhastighet ökas med 20 %. Motormodellen är Y180L-6, med en nominell effekt på 15 kW, en nominell spänning på 380 V, en nominell ström på 31,6 A, en nominell hastighet på 980 r/min, en verkningsgrad på 89,5 %, en effektfaktor på 0,81, en driftsström på 18–20 A, en maximal driftseffekt på 7,5 kW under normala förhållanden och en belastningshastighet på 50 %. Efter installation av frekvensomvandlaren CIMR-G5A4015 är driftsfrekvensen 60 Hz, hastigheten ökas med 20 %, frekvensomvandlarens maximala utspänning är inställd på 410 V, motorns driftsström är 12–15 A, vilket minskar med cirka 30 %, och temperaturen på motorlindningen minskar avsevärt.
Missuppfattning 4: Att försumma frekvensomvandlarens inneboende egenskaper
Felsökningsarbetet för frekvensomvandlaren utförs vanligtvis av distributören, och det kommer inte att uppstå några problem. Installationen av en frekvensomvandlare är relativt enkel och utförs vanligtvis av användaren. Vissa användare läser inte noggrant igenom bruksanvisningen för frekvensomvandlaren, följer inte strikt de tekniska kraven för konstruktionen, ignorerar frekvensomvandlarens egenskaper, likställer den med allmänna elektriska komponenter och agerar utifrån antaganden och erfarenhet, vilket lägger dolda risker för fel och olyckor.
Enligt frekvensomvandlarens användarmanual ska kabeln som ansluts till motorn vara en skärmad kabel eller armerad kabel, helst dragna i ett metallrör. Ändarna på den kapade kabeln ska vara så snygga som möjligt, de oskärmade segmenten ska vara så korta som möjligt och kabellängden ska inte överstiga ett visst avstånd (vanligtvis 50 m). När ledningsavståndet mellan frekvensomvandlaren och motorn är långt kommer den höga harmoniska läckströmmen från kabeln att ha negativa effekter på frekvensomvandlaren och omgivande utrustning. Jordningskabeln som återförs från motorn som styrs av frekvensomvandlaren ska anslutas direkt till motsvarande jordningsterminal på frekvensomvandlaren. Frekvensomvandlarens jordningskabel ska inte delas med svetsmaskiner och kraftutrustning, och bör vara så kort som möjligt. På grund av läckströmmen som genereras av frekvensomvandlaren, om den är för långt från jordningspunkten, kommer jordningsterminalens potential att vara instabil. Frekvensomvandlarens jordningskabels minsta tvärsnittsarea måste vara större än eller lika med tvärsnittsarean på strömförsörjningskabeln. För att förhindra felaktig drift orsakad av störningar bör styrkablar använda tvinnade skärmade ledningar eller dubbeltrådiga skärmade ledningar. Var samtidigt noga med att inte vidröra den skärmade nätverkskabeln med andra signalledningar och utrustningshöljen, och linda in den med isoleringstejp. För att undvika störningar bör styrkabelns längd inte överstiga 50 m. Styrkabeln och motorkabeln måste dras separat med hjälp av separata kabelstegar och hållas så långt ifrån varandra som möjligt. När de två måste korsas bör de korsas vertikalt. Placera dem aldrig i samma rörledning eller kabelstege. Vissa användare följde dock inte strikt ovanstående krav vid kabeldragning, vilket resulterade i att utrustningen fungerade normalt under individuell felsökning men orsakade allvarliga störningar under normal produktion, vilket gjorde att den inte kunde fungera.
Om sekundärlufttemperaturmätaren i en cementfabrik plötsligt visar onormala avläsningar: det angivna värdet är betydligt lågt och fluktuerar kraftigt. Den har gått mycket bra innan detta. Kontrollerade termoelement, temperaturtransmittrar och sekundärinstrument, inga problem hittades. Vad är relevant? När instrumentet flyttades till en annan mätpunkt fungerade det helt normalt. Men när liknande instrument från andra mätpunkter byttes ut här inträffade samma fenomen. Senare upptäcktes det att en ny frekvensomvandlare hade installerats på motorn till kylfläkt nr 3 i rosterkylaren, och det var först efter att frekvensomvandlaren togs i bruk som sekundärlufttemperaturmätaren visade onormala avläsningar. Stoppa frekvensomvandlaren och återställ omedelbart sekundärlufttemperaturmätaren till det normala; Vid omstart av frekvensomvandlaren visade sekundärlufttemperaturmätaren onormala avläsningar igen. Efter upprepade tester flera gånger fastställdes det att störningar från frekvensomvandlaren var den direkta orsaken till den onormala visningen på sekundärlufttemperaturmätaren. Fläkten är en centrifugalfläkt, som ursprungligen använde ventiler för att justera luftvolymen, men senare bytte till variabel frekvenshastighetsreglering för att justera luftvolymen. På grund av den stora mängden damm och den hårda miljön på plats installeras frekvensomvandlaren i MCC:s (Motor Control Center) kontrollrum. För att underlätta konstruktionen är frekvensomvandlaren ansluten till undersidan av fläktens huvudkontaktor, och frekvensomvandlarens utgångskabel använder fläktmotorns strömkabel. Fläktmotorns strömkabel är en PVC-isolerad, icke-stålförsedd armerad mantelkabel och läggs parallellt med sekundärlufttemperaturmätarens signalkabel i olika brygglager i samma kabelgrav. Det framgår att det är just för att frekvensomvandlarens utgångskabel inte använder armerade kablar eller läggs genom järnrör som störningsfenomen uppstår. Denna lärdom bör ägnas särskild uppmärksamhet åt renoveringsprojekt som ursprungligen inte använde frekvensomvandlare.
Särskild försiktighet bör också iakttas vid det dagliga underhållet av frekvensomvandlare. Vissa elektriker slår omedelbart på frekvensomvandlaren för underhåll så snart de upptäcker ett fel och löser ut den. Detta är mycket farligt och kan leda till personliga elstötar. Detta beror på att även om frekvensomvandlaren inte är i drift eller om strömförsörjningen har brutits, kan det fortfarande finnas spänning på strömförsörjningsledningen, likströmsterminalen och motorterminalen på frekvensomvandlaren på grund av närvaron av kondensatorer. Efter att brytaren har kopplats bort är det nödvändigt att vänta några minuter tills frekvensomvandlaren har urladdats helt innan arbetet påbörjas. Vissa elektriker är vana vid att omedelbart utföra isolationstester på motorn som drivs av frekvensomvandlarsystemet med hjälp av ett skakbord när de märker att systemet löser ut, för att avgöra om motorn har brunnit ut. Detta är också mycket farligt, eftersom det lätt kan orsaka att frekvensomvandlaren bränns. Därför får isolationstester inte utföras på motorn eller på kabeln som redan är ansluten till frekvensomvandlaren innan kabeln mellan motorn och frekvensomvandlaren kopplas bort.