Постачальники блоків зворотного зв'язку щодо енергії для перетворювачів частоти нагадують вам, що з впровадженням політики та активним просуванням технології перетворення частоти, а також активною рекламою продавців перетворювачів частоти, деякі промислові підприємства підсвідомо ототожнюють використання перетворювачів частоти з енергозбереженням та економією електроенергії. Однак на практиці, через різні ситуації, багато підприємств поступово усвідомлюють, що не всі місця, де застосовуються перетворювачі частоти, можуть економити енергію та електроенергію. Тож які причини такої ситуації та які помилкові уявлення існують у людей про перетворювачі частоти?
Помилка 1: Використання перетворювача частоти може заощаджувати електроенергію
У деяких літературних джерелах стверджується, що перетворювачі частоти є енергозберігаючими продуктами керування, що створює враження, що використання перетворювачів частоти може заощаджувати електроенергію.
Фактично, причина, чому перетворювачі частоти можуть економити електроенергію, полягає в тому, що вони можуть регулювати швидкість електродвигунів. Якщо перетворювачі частоти є енергозберігаючими продуктами керування, то все обладнання для регулювання швидкості також можна вважати енергозберігаючими продуктами керування. Перетворювач частоти лише трохи ефективніший та має коефіцієнт потужності, ніж інші пристрої керування швидкістю.
Чи може перетворювач частоти досягти економії енергії, визначається характеристиками регулювання швидкості його навантаження. Для таких навантажень, як відцентрові вентилятори та відцентрові насоси, крутний момент пропорційний квадрату швидкості, а потужність – кубу швидкості. Поки використовується оригінальний регулювальний клапан потоку і він не працює на повному навантаженні, перехід на регулювання швидкості може досягти економії енергії. Коли швидкість падає до 80% від початкової, потужність становить лише 51,2% від початкової. Видно, що застосування перетворювачів частоти в таких навантаженнях має значний ефект економії енергії. Для таких навантажень, як повітродувки Рутса, крутний момент не залежить від швидкості, тобто навантаження з постійним крутним моментом. Якщо оригінальний метод використання вентиляційного клапана для випуску надлишкового об'єму повітря для регулювання об'єму повітря змінити на режим регулювання швидкості, це також може досягти економії енергії. Коли швидкість падає до 80% від початкового значення, потужність досягає 80% від початкового значення. Ефект економії енергії набагато менший, ніж у відцентрових вентиляторах та відцентрових насосах. Для навантажень з постійною потужністю потужність не залежить від швидкості. Постійне навантаження на цементному заводі, таке як конвеєрні ваги, уповільнює швидкість стрічки, коли шар матеріалу товстий за певних умов потоку; коли шар матеріалу тонкий, швидкість стрічки збільшується. Застосування перетворювачів частоти при таких навантаженнях не може забезпечити економію електроенергії.
Порівняно з системами регулювання швидкості постійного струму, двигуни постійного струму мають вищий ККД та коефіцієнт потужності, ніж двигуни змінного струму. ККД цифрових регуляторів швидкості постійного струму порівнянний з ККД перетворювачів частоти і навіть трохи вищий, ніж у перетворювачів частоти. Тому стверджувати, що використання асинхронних двигунів змінного струму та перетворювачів частоти економить більше електроенергії, ніж використання двигунів постійного струму та регуляторів постійного струму, як теоретично, так і практично, неправильно.
Помилка 2: Вибір потужності перетворювача частоти базується на номінальній потужності двигуна.
Порівняно з електродвигунами, перетворювачі частоти дорожчі, тому дуже важливо розумно зменшити потужність перетворювачів частоти, забезпечуючи при цьому безпечну та надійну роботу.
Потужність перетворювача частоти стосується потужності 4-полюсного асинхронного двигуна змінного струму, для якого він підходить.
Через різну кількість полюсів двигунів з однаковою потужністю номінальний струм двигуна змінюється. Зі збільшенням кількості полюсів двигуна також збільшується номінальний струм двигуна. Вибір потужності перетворювача частоти не може базуватися на номінальній потужності двигуна. Водночас, для проектів реконструкції, в яких спочатку не використовувалися перетворювачі частоти, вибір потужності перетворювачів частоти не може базуватися на номінальному струмі двигуна. Це пояснюється тим, що вибір потужності електродвигунів повинен враховувати такі фактори, як навантаження, коефіцієнт надлишку та технічні характеристики двигуна. Часто надлишок великий, і промислові двигуни працюють на 50%-60% від свого номінального навантаження. Якщо потужність перетворювача частоти вибирається на основі номінального струму двигуна, залишається занадто великий запас, що призводить до економічних втрат, і надійність не покращується.
Для двигунів з короткозамкненим ротором вибір потужності перетворювача частоти повинен базуватися на принципі, що номінальний струм перетворювача частоти має бути більшим або дорівнювати 1,1-кратному максимальному нормальному робочому струму двигуна, що може максимізувати економію коштів. Для таких умов, як пуск під великим навантаженням, висока температура середовища, двигун з обмоткою, синхронний двигун тощо, потужність перетворювача частоти слід відповідно збільшити.
Для конструкцій, які з самого початку використовують перетворювачі частоти, зрозуміло, що потужність перетворювача частоти вибирається на основі номінального струму двигуна. Це пояснюється тим, що потужність перетворювача частоти на даний момент не може бути вибрана на основі фактичних умов експлуатації. Звичайно, щоб зменшити інвестиції, у деяких випадках потужність перетворювача частоти спочатку може бути невизначеною, а після певного часу роботи обладнання її можна вибрати на основі фактичного струму.
У системі вторинного подрібнення цементного млина діаметром 2,4 м × 13 м на одній цементній компанії у Внутрішній Монголії встановлено один високоефективний селектор порошку N-1500 O-Sepa вітчизняного виробництва, оснащений електродвигуном моделі Y2-315M-4 потужністю 132 кВт. Однак було обрано перетворювач частоти FRN160-P9S-4E, який підходить для 4-полюсних двигунів потужністю 160 кВт. Після введення в експлуатацію максимальна робоча частота становить 48 Гц, а струм – лише 180 А, що становить менше 70% від номінального струму двигуна. Сам двигун має значну надлишкову потужність. А характеристики перетворювача частоти на один рівень вищі, ніж у приводного двигуна, що призводить до непотрібних втрат і не підвищує надійність.
Система подачі вапнякової дробарки №3 на цементному заводі Anhui Chaohu використовує пластинчастий живильник 1500 × 12000, а приводний двигун використовує двигун змінного струму Y225M-4 з номінальною потужністю 45 кВт та номінальним струмом 84,6 А. Перед перетворенням частоти та регулюванням швидкості випробуваннями було виявлено, що коли пластинчастий живильник приводить двигун у нормальний режим, середній трифазний струм становить лише 30 А, що становить лише 35,5% від номінального струму двигуна. З метою економії інвестицій було обрано перетворювач частоти ACS601-0060-3 з номінальним вихідним струмом 76 А, який підходить для 4-полюсних двигунів потужністю 37 кВт, забезпечуючи хороші характеристики.
Ці два приклади ілюструють, що для проектів реконструкції, в яких спочатку не використовувалися перетворювачі частоти, вибір потужності перетворювача частоти на основі фактичних умов експлуатації може значно зменшити інвестиції.
Помилка 3: Використання візуальної потужності для розрахунку компенсації реактивної потужності та переваг енергозбереження
Розрахуйте енергозберігаючий ефект компенсації реактивної потужності, використовуючи повну потужність. Коли вентилятор працює з повним навантаженням на частоті промислового струму, робочий струм двигуна становить 289 А. При використанні регулювання швидкості зі змінною частотою коефіцієнт потужності при роботі з повним навантаженням на частоті 50 Гц становить приблизно 0,99, а струм становить 257 А. Це пояснюється тим, що внутрішній фільтруючий конденсатор перетворювача частоти покращує коефіцієнт потужності. Розрахунок енергозбереження виглядає наступним чином: Δ S = UI = × 380 × (289-257) = 21 кВА
Тому вважається, що його енергозберігаючий ефект становить близько 11% від потужності однієї машини.
Фактичний аналіз: S являє собою видиму потужність, яка є добутком напруги та струму. Коли напруга однакова, відсоток видимої економії потужності та відсоток економії струму – це одне й те саме. У колі з реактивним опором видима потужність відображає лише максимально допустиму вихідну потужність розподільчої системи та не може відображати фактичну потужність, споживану двигуном. Фактичну потужність, споживану електродвигуном, можна виразити лише як активну потужність. У цьому прикладі, хоча для розрахунку використовується фактичний струм, замість активної потужності розраховується видима потужність. Ми знаємо, що фактичне споживання потужності електродвигуна визначається вентилятором та його навантаженням. Збільшення коефіцієнта потужності не змінило навантаження вентилятора, а також не покращило ефективність вентилятора. Фактичне споживання потужності вентилятора не зменшилося. Після збільшення коефіцієнта потужності робочий стан двигуна не змінився, струм статора двигуна не зменшився, а активна та реактивна потужність, споживана двигуном, не змінилися. Причиною збільшення коефіцієнта потужності є те, що внутрішній фільтруючий конденсатор перетворювача частоти генерує реактивну потужність, яка подається на двигун для споживання. Зі збільшенням коефіцієнта потужності фактичний вхідний струм перетворювача частоти зменшується, тим самим зменшуючи втрати в лінії між енергосистемою та перетворювачем частоти, а також втрати в міді трансформатора. Водночас, зі зменшенням струму навантаження, розподільче обладнання, таке як трансформатори, вимикачі, контактори та дроти, що живлять перетворювач частоти, може витримувати більше навантаження. Слід зазначити, що якщо не враховувати економію втрат у лінії та втрати в міді трансформатора, як у цьому прикладі, а враховувати втрати перетворювача частоти, то коли перетворювач частоти працює з повним навантаженням на частоті 50 Гц, він не тільки не економить енергію, але й споживає електроенергію. Тому використання видимої потужності для розрахунку ефектів енергозбереження є неправильним.
Модель двигуна відцентрового вентилятора, що приводить в дію певного цементного заводу, - Y280S-4, з номінальною потужністю 75 кВт, номінальною напругою 380 В та номінальним струмом 140 А. Перед перетворенням частоти на регулювання швидкості клапан був повністю відкритий. Під час випробувань було виявлено, що струм двигуна становив 70 А при навантаженні лише 50%, коефіцієнті потужності 0,49, активній потужності 22,6 кВт та повній потужності 46,07 кВА. Після впровадження регулювання швидкості зі змінною частотою, коли клапан повністю відкритий та працює з номінальною швидкістю, середній струм трифазної електромережі становить 37 А, тому вважається, що економія енергії (70-37) ÷ 70 × 100% = 44,28%. Цей розрахунок може здатися логічним, але по суті він все одно розраховує ефект енергозбереження на основі повної потужності. Після подальших випробувань на заводі було виявлено, що коефіцієнт потужності становив 0,94, активна потужність – 22,9 кВт, а повна потужність – 24,4 кВА. Видно, що збільшення активної потужності не тільки не економить електроенергію, але й споживає її. Причина збільшення активної потужності полягає в тому, що втрати перетворювача частоти були враховані без урахування економії втрат у лінії та втрат у міді трансформатора. Ключ до цієї помилки полягає в тому, що не враховувався вплив збільшення коефіцієнта потужності на падіння струму, а коефіцієнт потужності за замовчуванням залишався незмінним, що перебільшувало ефект енергозбереження перетворювача частоти. Тому під час розрахунку ефекту енергозбереження необхідно використовувати активну потужність замість повної.
Помилка 4: Контактори не можна встановлювати на вихідній стороні перетворювача частоти.
Майже в усіх посібниках користувача перетворювачів частоти зазначено, що контактори не можна встановлювати на вихідній стороні перетворювача частоти. Як зазначено в посібнику користувача перетворювача частоти Yaskawa в Японії: «Не підключайте електромагнітні вимикачі або електромагнітні контактори до вихідного кола».
Згідно з нормативними актами виробника, контактор не повинен працювати, коли перетворювач частоти має вихідний сигнал. Коли перетворювач частоти підключено до навантаження під час роботи, схема захисту від перевантаження по струму активується через струм витоку. Тому, якщо між виходом перетворювача частоти та дією контактора додано необхідні блокування керування, щоб контактор міг працювати лише тоді, коли перетворювач частоти не має вихідного сигналу, на його виході можна встановити контактор. Ця схема має велике значення для ситуацій, коли є лише один перетворювач частоти та два двигуни (один двигун працює, а один – резервний). У разі несправності працюючого двигуна перетворювач частоти можна легко переключити на резервний двигун, і після певної затримки перетворювач частоти можна автоматично перевести резервний двигун у режим перетворення частоти. Також можна легко досягти взаємного резервування двох електродвигунів.
Помилка 5: Застосування перетворювачів частоти у відцентрових вентиляторах може повністю замінити регулюючу дверцята вентилятора.
Використання перетворювача частоти для регулювання швидкості відцентрового вентилятора з метою контролю об'єму повітря має значний енергозберігаючий ефект порівняно з контролем об'єму повітря за допомогою регулювальних клапанів. Однак у деяких випадках перетворювач частоти не може повністю замінити клапан вентилятора, і цьому слід приділити особливу увагу при проектуванні. Щоб проілюструвати це питання, почнемо з його принципу енергозбереження. Об'єм повітря відцентрового вентилятора пропорційний потужності його швидкості обертання, тиск повітря пропорційний квадрату його швидкості обертання, а потужність на валу пропорційна кубу його швидкості обертання.
Характеристики тиску вітру та об'єму повітря (HQ) вентилятора при постійній швидкості; Крива (2) відображає характеристики опору вітру трубопровідної мережі (клапан повністю відкритий). Коли вентилятор працює в точці A, об'єм повітря на виході становить Q1. У цей час потужність на валу N1 пропорційна добутку площі Q1 та H1 (AH1OQ1). Коли об'єм повітря зменшується з Q1 до Q2, якщо використовується метод регулювання клапана, характеристики опору трубопровідної мережі змінюються на криву (3). Система працює від початкової робочої точки A до нової робочої точки B, а тиск вітру натомість збільшується. Потужність на валу N2 пропорційна площі (BH2OQ2), а N1 не сильно відрізняється від N2. Якщо використовується метод регулювання швидкості, швидкість вентилятора зменшується з n1 до n2, а характеристики тиску вітру та об'єму повітря (HQ) показані на кривій (4). За того ж об'єму повітря Q2 тиск вітру H3 значно зменшується, а потужність N3 (еквівалентна площі CH3OQ2) значно зменшується, що свідчить про значний ефект енергозбереження.
З наведеного вище аналізу також видно, що при регулюванні об'єму повітря за допомогою клапана тиск повітря фактично зростає зі зменшенням об'єму повітря; а при використанні перетворювача частоти для регулювання об'єму повітря тиск повітря значно падає зі зменшенням об'єму повітря. Якщо тиск повітря падає занадто сильно, він може не відповідати вимогам процесу. Якщо робоча точка знаходиться в області, обмеженій кривою (1), кривою (2) та віссю H, використання виключно перетворювача частоти для регулювання швидкості не відповідатиме вимогам процесу. Його необхідно поєднувати з регулюванням за допомогою клапана, щоб відповідати вимогам процесу. Перетворювач частоти, впроваджений певним заводом, у відцентрових вентиляторах зазнав значної шкоди через відсутність конструкції клапана та використання виключно перетворювача частоти для регулювання швидкості зміни робочої точки вентилятора. Або швидкість занадто висока, або об'єм повітря занадто великий; якщо швидкість зменшується, тиск повітря не може відповідати вимогам процесу, і повітря не може вдуватися. Тому, використовуючи перетворювач частоти для регулювання швидкості та енергозбереження у відцентрових вентиляторах, необхідно враховувати як показники об'єму повітря, так і тиску повітря, інакше це призведе до негативних наслідків.
Помилка 6: Загальні двигуни можуть працювати лише зі зниженою швидкістю, використовуючи перетворювач частоти нижче їхньої номінальної швидкості передачі.
Класична теорія стверджує, що верхня межа частоти універсального двигуна становить 55 Гц. Це пояснюється тим, що коли для роботи потрібно регулювати швидкість двигуна вище номінальної, частота статора зросте вище номінальної частоти (50 Гц). У цьому випадку, якщо для керування все ще дотримується принципу постійного крутного моменту, напруга статора зросте вище номінальної напруги. Отже, коли діапазон швидкості вищий за номінальну швидкість, напруга статора повинна підтримуватися постійною на рівні номінальної напруги. У цьому випадку, зі збільшенням швидкості/частоти, магнітний потік зменшиться, тому крутний момент при тому ж струмі статора зменшиться, механічні характеристики стануть м'якшими, а перевантажувальна здатність двигуна значно зменшиться.
З цього видно, що верхня межа частоти універсального двигуна становить 55 Гц, що є обов'язковою умовою:
1. Напруга статора не може перевищувати номінальну напругу;
2. Двигун працює на номінальній потужності;
3. Постійне навантаження з крутним моментом.
У вищезгаданій ситуації теорія та експерименти довели, що якщо частота перевищує 55 Гц, крутний момент двигуна зменшиться, механічні характеристики стануть м'якшими, перевантажувальна здатність зменшиться, витрата заліза швидко зросте, а нагрівання буде сильним.
Загалом кажучи, фактичні умови експлуатації електродвигунів показують, що двигуни загального призначення можна прискорити за допомогою перетворювачів частоти. Чи можна збільшити швидкість зі змінною частотою? Наскільки це можна збільшити? Це головним чином визначається навантаженням, яке переносить електродвигун. По-перше, необхідно визначити, яка швидкість навантаження. По-друге, необхідно розуміти характеристики навантаження та проводити розрахунки на основі конкретної ситуації навантаження. Короткий аналіз виглядає наступним чином:
1. Фактично, універсальний двигун на 380 В може працювати тривалий час, коли напруга статора перевищує 10% від номінальної напруги, не впливаючи на ізоляцію та термін служби двигуна. Напруга статора збільшується, крутний момент значно збільшується, струм статора зменшується, а температура обмотки знижується.
2. Коефіцієнт навантаження електродвигуна зазвичай становить від 50% до 60%.
Зазвичай промислові двигуни працюють на 50%-60% від своєї номінальної потужності. Розрахунками показано, що коли вихідна потужність двигуна становить 70% від номінальної потужності, а напруга статора збільшується на 7%, струм статора зменшується на 26,4%. У цей час, навіть за умови постійного контролю крутного моменту та використання перетворювача частоти для збільшення швидкості двигуна на 20%, струм статора не тільки не збільшується, але й зменшується. Хоча споживання заліза двигуном різко зростає після збільшення частоти, тепло, яке він генерує, є незначним порівняно з теплом, що зменшується внаслідок зменшення струму статора. Тому температура обмотки двигуна також значно знизиться.
3. Існують різні характеристики навантаження
Система приводу електродвигуна обслуговує навантаження, а різні навантаження мають різні механічні характеристики. Електродвигуни повинні відповідати вимогам до механічних характеристик навантаження після розгону. Згідно з розрахунками, максимально допустима робоча частота (fmax) для навантажень з постійним моментом при різних швидкостях навантаження (k) обернено пропорційна швидкостям навантаження, тобто fmax=fe/k, де fe - номінальна частота потужності. Для навантажень з постійним струмом максимально допустима робоча частота загальних двигунів головним чином обмежується механічною міцністю ротора та вала двигуна. Автор вважає, що загалом доцільно обмежувати її в межах 100 Гц.
Помилка 7: Нехтування властивими характеристиками перетворювачів частоти
Налагодження перетворювача частоти зазвичай виконує дистриб'ютор, і з цим не виникне жодних проблем. Встановлення перетворювача частоти є відносно простим і зазвичай виконується користувачем. Деякі користувачі не уважно читають інструкцію користувача перетворювача частоти, не дотримуються суворо технічних вимог до конструкції, ігнорують характеристики самого перетворювача частоти, ототожнюють його із загальними електричними компонентами та діють на основі припущень та досвіду, приховуючи небезпеку несправностей та аварій.
Згідно з інструкцією користувача перетворювача частоти, кабель, підключений до двигуна, повинен бути екранованим або броньованим, бажано прокладеним у металевій трубці. Кінці обрізаного кабелю повинні бути якомога акуратнішими, неекрановані сегменти повинні бути якомога коротшими, а довжина кабелю не повинна перевищувати певну відстань (зазвичай 50 м). Коли відстань між перетворювачем частоти та двигуном велика, струм витоку високих гармонік з кабелю матиме негативний вплив на перетворювач частоти та навколишнє обладнання. Заземлювальний провід, що повертається від двигуна, керованого перетворювачем частоти, повинен бути безпосередньо підключений до відповідної заземлювальної клеми перетворювача частоти. Заземлювальний провід перетворювача частоти не повинен використовуватись спільно зі зварювальними апаратами та силовим обладнанням і повинен бути якомога коротшим. Через струм витоку, що генерується перетворювачем частоти, якщо він знаходиться занадто далеко від точки заземлення, потенціал заземлювальної клеми буде нестабільним. Мінімальна площа поперечного перерізу заземлювального дроту перетворювача частоти повинна бути більшою або дорівнювати площі поперечного перерізу кабелю живлення. Щоб запобігти неправильній роботі, спричиненій перешкодами, кабелі керування повинні використовувати скручені екрановані дроти або двожильні екрановані дроти. Водночас слідкуйте за тим, щоб екранований мережевий кабель не торкався інших сигнальних ліній та корпусів обладнання, і обмотайте його ізоляційною стрічкою. Щоб уникнути впливу перешкод, довжина кабелю керування не повинна перевищувати 50 м. Кабель керування та кабель двигуна повинні прокладатися окремо, використовуючи окремі кабельні лотки, і триматися якомога далі один від одного. Якщо вони мають перетинатися, їх слід перетинати вертикально. Ніколи не розміщуйте їх в одному трубопроводі або кабельному лотку. Однак деякі користувачі не дотримувалися суворо вищезазначених вимог під час прокладання кабелів, що призводило до нормальної роботи обладнання під час окремого налагодження, але спричиняло серйозні перешкоди під час нормального виробництва, що унеможливлювало його роботу.
Також слід бути особливо обережним під час щоденного обслуговування перетворювачів частоти. Деякі електрики негайно вмикають перетворювач частоти для технічного обслуговування, щойно виявляють несправність, і вимикають його. Це дуже небезпечно і може призвести до ураження електричним струмом. Це пояснюється тим, що навіть якщо перетворювач частоти не працює або живлення було відключено, на вхідній лінії живлення, клемі постійного струму та клемі двигуна перетворювача частоти все ще може бути напруга через наявність конденсаторів. Після відключення вимикача необхідно почекати кілька хвилин, щоб перетворювач частоти повністю розрядився, перш ніж розпочати роботу. Деякі електрики звикли негайно проводити випробування ізоляції двигуна, що керується системою частотного приводу, за допомогою трясовика, коли помічають відключення системи, щоб визначити, чи не згорів двигун. Це також дуже небезпечно, оскільки може легко призвести до згоряння перетворювача частоти. Тому перед відключенням кабелю між двигуном і перетворювачем частоти не можна проводити випробування ізоляції ні на двигуні, ні на кабелі, який вже підключено до перетворювача частоти.
Особливу увагу слід приділяти вимірюванню вихідних параметрів перетворювача частоти. Оскільки вихід перетворювача частоти має ШІМ-форму хвилі, що містить гармоніки вищого порядку, а крутний момент двигуна головним чином залежить від ефективного значення основної напруги, під час вимірювання вихідної напруги значення основної напруги переважно вимірюється за допомогою вольтметра випрямляча. Результати вимірювань найближчі до результатів, виміряних цифровим аналізатором спектру, і мають чудову лінійну залежність від вихідної частоти перетворювача частоти. Якщо потрібне подальше підвищення точності вимірювання, можна використовувати резистивний ємнісний фільтр. Цифрові мультиметри схильні до перешкод і мають значні похибки вимірювання. Вихідний струм повинен вимірювати загальне ефективне значення, включаючи основну хвилю та інші гармоніки вищого порядку, тому зазвичай використовується амперметр з рухомою котушкою (коли двигун навантажений, різниця між ефективним значенням основного струму та ефективним значенням загального струму не є суттєвою). З огляду на зручність вимірювання та використання трансформатора струму, трансформатор струму може насичуватися на низьких частотах, тому необхідно вибрати трансформатор струму відповідної ємності.