Постачальники пристроїв зворотного зв'язку за енергією перетворювачів частоти нагадують вам, що в сучасному промисловому автоматизованому виробництві сфера застосування насосів, вентиляторів та іншого обладнання стає дедалі ширшою. Споживання ними електроенергії, втрати на дроселювання перегородок, клапанів та іншого обладнання, а також щоденні витрати на технічне обслуговування та ремонт становлять майже 20% собівартості. Це значні виробничі витрати. З розвитком економіки, поглибленням реформ та загостренням ринкової конкуренції, енергозбереження та скорочення споживання поступово стали важливим засобом покращення якості продукції та зниження виробничих витрат.
1. Основна теорія технології енергозбереження зі змінною частотою
Основний принцип технології перетворення частоти полягає в тому, що протягом тривалого періоду часу частота змінного струму, що використовується електрообладнанням, підтримується на фіксованому рівні. Застосування технології перетворення частоти полягає в тому, щоб зробити частоту ресурсом, який можна вільно регулювати та використовувати. На сьогоднішній день найактивнішою та найшвидше розвиваючою технологією змінної частоти є технологія регулювання швидкості зі змінною частотою.
Технологія перетворення частоти включає комп'ютерні технології, технології силової електроніки та технологію передачі сигналу за допомогою клацання. Це комплексна технологія, яка поєднує механічне обладнання та сильну та слабку електрику. Вона стосується перетворення сигналу струму промислової частоти на інші частоти, що досягається переважно за допомогою напівпровідникових компонентів. Потім змінний струм перетворюється на постійний струм, а інвертор регулює струм і напругу, одночасно забезпечуючи безступінчасте регулювання швидкості електромеханічного обладнання. Коротко кажучи, технологія перетворення частоти полягає в управлінні швидкістю двигуна шляхом зміни частоти струму, тим самим ефективно керуючи обладнанням двигуна. Все це досягається на основі щорічного збільшення частоти струму та швидкості двигуна. Характеристикою технології перетворення частоти є те, що вона може забезпечити плавну роботу двигуна, автоматично контролювати прискорення та уповільнення, а також зменшити споживання енергії, одночасно підвищуючи ефективність роботи.
У щоденному використанні перетворювачів частоти в основному використовуються пряме керування крутним моментом та векторне керування. У майбутньому розвитку перетворювачів частоти будуть використовуватися штучні нейронні мережі та методи нечіткого самооптимізаційного керування. Крім того, з подальшим розвитком перетворювачів частоти їхня комплексність ставатиме дедалі вищою. Окрім виконання основних функцій регулювання швидкості, вони також мають внутрішньо встановлені функції зв'язку, програмування та ідентифікації параметрів.
2. Принцип енергозбереження перетворювача частоти
2.1 Методи енергозбереження зі змінною частотою
Згідно з механікою рідини, потужність = тиск * витрата. Витрата та швидкість у степені одиниці пропорційні, тиск пропорційний квадрату швидкості, а потужність пропорційна кубу швидкості. Якщо ККД водяного насоса фіксований, то при зменшенні витрати швидкість зменшуватиметься пропорційно, а вихідна потужність також зменшуватиметься в кубічному співвідношенні. Таким чином, швидкість водяного насоса приблизно пропорційна споживаній потужності двигуна. Наприклад, коли двигун водяного насоса потужністю 55 кВт обертається на 80% від початкової швидкості, його споживання енергії становить 28 кВт/год, а коефіцієнт економії енергії – 48%. Але якщо швидкість регулювати на 50% від початкової, споживання енергії становитиме 6 кіловат на годину, а коефіцієнт економії енергії досягне 87%.
2.2 Використання компенсації коефіцієнта потужності для енергозбереження
Реактивна потужність не тільки призводить до нагрівання обладнання та збільшення зносу проводів, але й, що найважливіше, зниження коефіцієнта потужності призводить до зменшення активної потужності електромережі. В результаті в лініях електропередачі споживається велика кількість реактивної енергії, що призводить до зниження ефективності обладнання та серйозних втрат. Після використання пристрою регулювання швидкості зі змінною частотою втрати реактивної потужності ще більше зменшуються завдяки фільтруючому конденсатору всередині перетворювача частоти, що збільшує активну потужність електромережі.
2.3 Використання методу плавного пуску для енергозбереження
Через те, що двигун запускається за допомогою Y/D або прямого пуску, пусковий струм у чотири-сім разів перевищує номінальний, що може спричинити серйозний вплив на електромережу та електромеханічне обладнання. Крім того, це вимагає дуже високої потужності електромережі, генеруючи відносно великий струм під час пуску та завдаючи значних пошкоджень клапанам та перегородкам під час вібрації, що також дуже негативно впливає на термін служби трубопроводів та обладнання. Використання перетворювачів частоти використовує функцію м'якого пуску перетворювача частоти для запуску струму з нуля, а максимальне значення не перевищуватиме номінальний струм. Таким чином, вплив на електромережу та вимоги до потужності джерела живлення значно зменшуються, а термін служби клапанів та обладнання значно подовжується.
3. Приклади застосування енергозберігаючої технології зі змінною частотою
Як приклад модернізації енергозберігаючого обладнання зі змінною частотою ми використали встановлення регулятора швидкості зі змінною частотою на циркуляційному водяному насосі потужністю 160 кВт. Ми перевірили споживання електроенергії до та після модернізації та отримали дуже задовільні результати.
3.1 Режим керування перед перетворенням частоти
Під час роботи циркуляційного водяного насоса, коли швидкість потоку змінюється через вимоги процесу, необхідно регулювати відкриття вихідного та вхідного отворів насоса, щоб змінити фактичну швидкість потоку насоса. Цей метод регулювання називається дроселюванням. У цьому прикладі відкриття вихідного та вхідного клапанів становить близько 60%. З точки зору використання енергії, це дуже неекономічний метод регулювання.
3.2 Режим керування після перетворення частоти
Під час роботи циркуляційного водяного насоса, коли витрата змінюється через вимоги процесу, впускний та випускний клапани повністю відкриваються. Регулюючи швидкість двигуна, можна знайти відповідну нову робочу точку для отримання відповідної витрати. Залежно від фактичної ситуації та потреб на місці, можна реалізувати ручне або автоматичне керування. У цьому прикладі, оскільки немає потреби часто регулювати витрату, фактична робоча частота двигуна визначається на рівні 40 Гц на основі фактичної ситуації та потреб на місці, а ручне керування використовується головним чином для економії енергії.
4. Зміни в роботі після використання системи регулювання швидкості зі змінною частотою
Досягнуто повністю плавного пуску. Під час запуску двигуна швидкість ротора поступово збільшується разом із частотою вхідного живлення, що призводить до плавного збільшення швидкості. Час запуску всієї системи встановлено приблизно на 20 секунд, що не впливає на систему та є плавнішим, ніж оригінальний метод запуску.
Струм, що використовується в електромережі, також значно зменшився, що робить використання електрообладнання безпечнішим. Водночас, зі зниженням частоти, швидкість двигуна також зменшується, що зменшує механічний знос і значно знижує ймовірність виходу з ладу та витрати на обслуговування. Трансформатор, який забезпечує електричною енергією водяний насос, зекономив більшу частину потужності джерела живлення. Простим зменшенням активного навантаження зекономлена потужність становить приблизно 50 кіловат, що підвищує ефективність використання обладнання. Коефіцієнт потужності двигуна також відповідно покращується, що робить його роботу більш економічною.
Використання технології перетворення частоти покращило якість продукції, зменшило споживання енергії, заощадило енергію та ще більше підвищило економічні вигоди підприємств. Застосування технології регулювання швидкості перетворення частоти вимагає трансформації цього обладнання для досягнення енергозбереження.