V poslední době je ve výrobě tendence přecházet ze synchronních elektromotorů nebo motorů s vinutým rotorem na asynchronní. Tento posun lze připsat různým důvodům a většina z nich souvisí s ekonomikou. Asynchronní motory jsou kompaktnější a vyžadují méně údržby než motory s vinutým rotorem nebo kartáčované synchronní motory. A obecně, pokud porovnáte cenu asynchronního a synchronního motoru stejného výkonu a napětí, bude zřejmé, proč o tento přechod usiluje stále více obchodních manažerů.
Jednou z nevýhod asynchronních motorů je však nižší přesnost polohování hřídele a tím i méně přesné řízení rychlosti jeho otáčení. Obsluha také musí být schopna optimalizovat provozní režim elektromotoru tak, aby nedocházelo ke zbytečné plýtvání energií. K tomu je důležité porozumět praktickým aplikacím frekvenčního měniče (VFD)
Mezi otázkami k prozkoumání:
- Kdy je VFD prospěšné?
- Za jakých podmínek by měl být VFD použit?
- Jaký je rozdíl mezi frekvenčním měničem a softstartérem?
Odpovědi na tyto otázky vám pomohou pochopit a maximalizovat možnosti frekvenčního měniče a minimalizovat náklady na provoz střídavého motoru ve výrobním prostředí.
Přímé spouštění, softstartéry nebo frekvenční měniče
Elektromagnetický startér
Existuje několik způsobů, jak nastartovat a ovládat elektromotor. V zásadě se motor spouští přímým startováním přes elektromagnetický startér. Při tomto přístupu se na motor přivede plné napětí a motor dosáhne jmenovitých otáček co nejrychleji.
Problém, se kterým se operátoři setkávají při přímém spouštění, spočívá v tom, že impuls spouštěcího proudu může být až 7krát větší než proud motoru při plném zatížení. Po velmi krátkou dobu je do motoru a jeho součástí přiveden velmi silný proudový impuls. Pokud se výkonný motor často spouští a vypíná, rychleji se opotřebuje a selže a může také poškodit akční člen, který z něj funguje.
Lehký předkrm
Naopak, softstartér snižuje rozběhové proudy až 2-4krát, čímž snižuje zatížení a krouticí moment působící na motor. Tento přístup umožňuje motoru akcelerovat rychlostí, která je určena nastavením samotného softstartéru. Obsluha může nastavit konkrétní čas zrychlení a motor bude plynule zrychlovat od startu do určeného času. Tento přístup umožňuje snížit startovací proud, snížit riziko předčasného selhání zařízení a ušetřit určitou energii. Softstartéry jsou ideální v aplikacích, kde jsou kritickými komponenty zvyšování rychlosti a řízení točivého momentu, a v potrubních systémech, aby se zabránilo vodním rázům při spouštění a zastavování čerpadel.
Frekvenční měnič
VFD posouvá tento koncept ještě o krok dále tím, že umožňuje obsluze vždy ovládat startovací proud a otáčky motoru. VFD může řídit motor jak během cyklu start/stop, tak i za chodu. VFD je potřeba tam, kde je vyžadována plná regulace otáček a kde je hlavním problémem vysoká spotřeba energie.
Z hlediska počáteční investice je softstartér levnější variantou, ale ekonomický efekt zavedení frekvenčního měniče může jeho cenu mnohonásobně zaplatit.
Základní funkce frekvenčního měniče
Řízení toku je jednou z nejběžnějších aplikací VFD. Skutečné podmínky často vyžadují snížené průtoky kapaliny, takže schopnost měnit rychlost čerpadla pro řízení průtoku má prvořadý význam. Šoupátka se v drtivé většině případů používají ke snížení průtoku, ale tato strategie nešetří energii. Naopak VFD může řídit průtok a zároveň optimalizovat spotřebu energie.
Může nastat situace, kdy obsluha potřebuje běžet motor na maximální výkon v určitou denní dobu a jindy pracovat s částečným zatížením. To je skutečný důvod popularity VFD, protože při provozu při snížených rychlostech můžete ušetřit energii a snížit provozní náklady. Pokud operátor jednoduše potřebuje spustit indukční motor při konstantní rychlosti, která je nižší než jmenovitá rychlost motoru, lze použít převodovku. Pokud je však akční člen s proměnným momentovým zatížením, pak je nejlepší volbou frekvenční měnič.
Představte si například použití indukčního motoru k pohonu ventilátoru chladicí věže. Čím rychleji se ventilátor musí točit, tím více energie spotřebuje. V důsledku změn podmínek prostředí během dne se může okolní teplota snížit. Z tohoto důvodu může být nutné, aby ventilátor běžel na nižší rychlost, než je požadováno během nejteplejší části dne. Ventilátor, který se točí na plné otáčky, plýtvá drahou energií, když by se mohl točit pomaleji.
Další výhody
Kromě funkce úspory energie většina VFD umožňuje obsluze nastavit různé parametry pro omezení točivého momentu. To se provádí omezením výstupního proudu do motoru. Je nutné chránit všechny prvky hnacího mechanismu, protože mají mechanická omezení. Překročení těchto limitů tím, že spuštění trvá příliš dlouho, může mít za následek vážné poškození nebo nákladné selhání.
Většina VFD je extrémně flexibilní a má vestavěné vstupy a výstupy (I/O). Tyto I/O lze použít ke konfiguraci různých funkcí, včetně start/stop, změna směru, volba konstantní rychlosti, regulace rychlosti atd. Kromě toho lze analogové výstupy VFD nakonfigurovat tak, aby poskytovaly zpětnou vazbu řídicímu systému závodu, včetně spotřeby energie, skutečné rychlosti, frekvence, točivého momentu atd. Při změně technologického procesu, například při nutnosti změny rychlosti, může řídicí systém závodu sám vyslat signál v souladu s přiřazenou požadovanou hodnotou.
Dnes se frekvenční měniče vyvinuly do té míry, že mnohé z nich lze zkombinovat s čerpadlem nebo ventilátorem hned po vybalení pro řízení průtoku pomocí předdefinovaného makra. V tomto případě bude průtokoměr připojen přímo k analogovému vstupu měniče. Obsluha může vzdáleně nastavit požadovaný průtok a VFD bude tento průtok udržovat provedením vnitřní smyčky PID. Některé pohony umožňují operátorovi nastavit hodinové plány průtoku a mohou také připojit další čerpadla podle potřeby online.
Vestavěný VFD I/O není jediný způsob ovládání měniče. Mnohé z nich umožňují použití různých komunikačních protokolů, které mohou ovládat VFD z ovladačů většiny výrobců. Všechny standardní protokoly jsou dostupné na většině VFD, což umožňuje operátorovi obousměrnou komunikaci pomocí jediného kabelu.
Proč je to důležité? Použitím jediného kabelu, na rozdíl od vedení více vodičů, jsou náklady na instalaci VFD omezeny na minimum a tímto kabelem lze přenášet mnohem větší objem dat. Tato data platí nejen pro pokročilou správu, ale také pro monitoring. Operátoři obvykle monitorují rychlost, točivý moment, proud a teplotu měniče.
A konečně, náklady na údržbu lze výrazně snížit díky sníženému opotřebení zařízení díky kontrolovanému spouštění. Navíc, když VFD eliminují potřebu tlumičů a ventilů, mohou být také eliminovány náklady na údržbu těchto systémových komponent.
Frekvenční měniče si stále získávají oblibu v různých průmyslových odvětvích, protože výhody jejich implementace rostou, z nichž většina souvisí se snižováním nákladů a úsporami energie.
Můžete se také líbit
Přehled možností přímé regulace momentu asynchronních elektromotorů – 2. část
Frekvenční měnič šetří energii. Příklad výpočtu.
Obsah
Neoptimální provozní režimy elektrického pohonu
Spotřeba elektřiny v Rusku je více než 1000 miliard kilowatthodin ročně. Asi 70 % je vynaloženo na elektrický pohon. Z toho až 60 % připadá na ventilátory a čerpadla. Většina ventilátorů a čerpadel pracuje v neoptimálních režimech z hlediska spotřeby zdrojů. V průměru lze spotřebu energie v tomto případě snížit o třetinu. Potenciál úspor by tak mohl být více než 60 miliard kilowatthodin ročně. Vzhledem k tomu, že náklady na elektřinu se pohybují od 1 do 6 rublů, v závislosti na cenové kategorii, úrovni napětí a maximálním výkonu, je možné odhadnout úspory elektřiny pouze na čerpadlech a ventilátorech na úrovni 100 – 200 miliard rublů ročně. ruské měřítko.
Neoptimální provozní režim spočívá v tom, že výkon ventilátorů a čerpadel překračuje požadovaný. Někdy se čerpadla nevypnou, i když v podstatě nejsou potřeba. Například tlak a kapacita čerpadla byly vypočítány s rezervou při návrhu. Marže se může pohybovat od 20 do 200 procent nebo více. Často, když se změní průtok pracovní kapaliny, motor pracuje na maximální výkon a k udržení normálního tlaku se používají tlumiče atd. U některých typů čerpadel, zejména těch s výkonem větším než megawatt, spouštění a vypínání přímým spouštěním výrazně snižuje jejich životnost, takže se prostě nevypínají. Jiné situace neoptimálního provozu měniče jsou možné.
Optimalizace provozních režimů
Jedním ze způsobů, jak optimalizovat provozní režim čerpadel a ventilátorů, je změna rychlosti otáčení oběžného kola. Existuje mnoho způsobů, jak změnit rychlost otáčení: pomocí převodovek s proměnným převodem, pomocí kapalinových spojek, změnou rychlosti otáčení pomocí frekvenčního měniče. Při navrhování instalace s přihlédnutím ke všem jejím vlastnostem může být každá z těchto možností opodstatněná. Při modernizaci stávajících instalací je však nejdůležitější změnit rychlost pohonu. V tomto případě není ovlivněna mechanická část.
Nejběžnějším typem elektrických pohonů jsou střídavé motory. Ve většině případů se jedná o třífázový střídavý indukční motor s rotorem nakrátko.
hlavní výhody AC motor:
- Snadnost výroby;
- Láce;
- Vysoká spolehlivost;
- Nízké provozní náklady;
- Možnost přímého připojení k elektrické síti.
Platit za zásluhy – nedostatky:
- Malý rozběhový moment;
- Významný startovací proud;
- Nízký účiník (pro motory s nízkým výkonem);
- Pevná rychlost otáčení (ve jmenovitém režimu);
- Silná (kvadratická) závislost točivého momentu na síťovém napětí.
K překonání nedostatků, různé úpravy motoru střídavý proud:
- Motory s vinutým rotorem;
- Motory s proměnným počtem pólů; a tak dále.
Všechna vylepšení však vedou ke složitější konstrukci motoru, nižší účinnosti a vyšším nákladům.
Nastavení otáček motoru
Otáčky rotoru střídavého motoru lze změnit pomocí:
- Změny frekvence napájecího napětí;
- Přepínání pólů v motorech vhodné konstrukce;
- Změny síly napájecího proudu (ve velmi úzkých mezích);
- Použití specifických motorů, například Stage-Richter.
Rychlost stejnosměrných motorů je široce nastavitelná, ale používají se zřídka, protože jsou drahé na výrobu a údržbu. V dnešní době vývoj elektronických měničů učinil nákladově nejefektivnějším způsobem regulace otáček rotoru motoru použití frekvenčních měničů napájecího napětí (FC). Zejména pokud jde o regulaci rychlosti ve stávající instalaci.
Hlavní výhody invertoru:
- Regulace rychlosti otáčení v širokém rozsahu – od nuly po mez mechanické odolnosti instalace;
- Možnost plynulého startu a zastavení motoru;
- Snížení zatížení rázovým proudem při startu a zastavení motoru;
- Jednoduché zařazení do automatické regulační smyčky;
- Vysoký účiník.
Hlavní nevýhody měniče:
- Vysoká cena;
- Energetická ztráta 2-10%;
- Přítomnost velkého počtu harmonických složek jak v proudu motoru, tak v proudu odebíraném ze sítě;
- Emise elektromagnetického rušení;
- Potřeba udržovat teplotu;
- Potřeba pravidelné údržby střídače.
Na základě přítomnosti nedostatků použití střídače samo o sobě nezaručuje pozitivní ekonomický efekt. málo, bezmyšlenkovité používání střídače může způsobit ztráty.
Faktory ovlivňující ekonomický efekt
Nejviditelnějšího ekonomického efektu při použití frekvenčních měničů lze dosáhnout úsporami energie. Ale nezapomeňte na další faktory úspory:
- Měkký start snižuje mechanické zatížení při rozběhu. Toto je přímý způsob, jak snížit opotřebení a zvýšit životnost zařízení;
- Hladký start a zastavení čerpadel eliminuje vodní rázy v systému;
- Nižší otáčky motoru vedou ke zvýšení životnosti zařízení. Sníží se hluk;
- Absence 4-8násobku startovacího proudu při startu umožňuje snížit instalovaný (maximální) výkon, zjednodušit systém ochrany proti přetížení a zkratům;
- Zařazení čerpadla do automatické regulační smyčky umožňuje udržovat zadané parametry průtokového tlaku atd. bez účasti obsluhy nebo na dálku;
- Přesné udržování tlaku v systému umožňuje snížit maximální tlak v potrubí, a tím snížit pravděpodobnost jejich prasknutí. Snížení tlaku poskytuje další úspory energie a snížené ztráty netěsností;
Všechny tyto faktory jsou velmi závislé na konkrétní instalaci čerpadla nebo ventilátoru. Ekonomický efekt je nutné vypočítat individuálně pro každou instalaci. Pozitivní ekonomický efekt může přinést výměna elektromotorů za nové s vyšší účinností. I když se účinnost změní o 1-2 %, výměna se může vyplatit za několik let. Při instalaci nových motorů je zvláště důležité provést výpočty úspory energie.
Orientační výpočet úspor energie lze provést na základě znalosti parametrů elektromotoru, čerpadla a požadovaných výstupních parametrů:
Výpočet ekonomického efektu dalších faktorů je obtížný, protože závisí na konkrétní instalaci čerpání nebo ventilátoru. Vliv jiných faktorů však může v některých případech převyšovat vliv úspor energie. Někdy, v případě konstrukčních chyb nebo změn systému po návrhu, může být provozní bod čerpadla tak vzdálený od optimální, že kompletní výměna čerpací jednotky bude ekonomicky proveditelná.
Metody výpočtu
Nejpřesnější výpočty výkonu čerpadla a výstupního tlaku a spotřeby energie lze získat pomocí charakteristických křivek čerpadla. Ne vždy se však uvádějí pro různé rychlosti rotoru. Obvykle existují data pro jednu nebo dvě hodnoty rychlosti otáčení, ale i když máte grafy pro jednu rychlost rotoru, můžete je přepočítat pro jiné rychlosti otáčení. Nejprve na základě požadovaného výkonu čerpadla a výstupního tlaku musíte z grafů určit, jak daleko je pracovní bod od bodu maximální účinnosti. Pokud se vstupní parametry v průběhu času mění, je třeba provést několik odhadů. Pokud je pracovní bod vždy blízko bodu s maximální účinností (snížení účinnosti méně než 10 %), regulace frekvence neušetří energii. Pokud se ostatní úsporné faktory ukážou jako nevýznamné, přinese použití měniče ztrátu na pořizovacích a provozních nákladech. Nejčastěji se však výkonnostní parametry počítají s rezervou od maximálního průtoku v systému a maximálního průtoku je dosaženo během jedné až dvou hodin denně.
Pokud se podíváte na charakteristické křivky, účinnost čerpadla může klesnout na 20-30% maxima. Výstupní tlak odstředivého čerpadla buď není regulován vůbec, nebo je udržován pomocí recyklace (část kapaliny je odváděna zpět) nebo škrcení (průtok je regulován nastavitelnou klapkou). V závislosti na způsobu řízení se pracovní bod čerpadla posouvá různě podél řady charakteristických křivek. Nejhoršími možnostmi jsou chybějící regulace a recirkulace, které vedou k maximální spotřebě energie a zvýšenému tlaku v systému. Při throttlingu je možné v případě poklesu výkonu mírně snížit spotřebu. Grafy spotřeby elektrické energie v závislosti na průtoku kapaliny pro různé způsoby regulace při konstantním výstupním tlaku jsou na obrázku 1. Obr.
Spotřeba energie pro různé způsoby regulace otáček čerpadla
Graf spotřeby energie při frekvenční regulaci má dvě vlastnosti: za prvé, při nízkých průtocích se „vychyluje nahoru“ v důsledku nestability provozního režimu čerpadla při nízkých průtocích; za druhé, při maximálním průtoku kapaliny je ovlivněna účinnost frekvenčního měniče a spotřeba energie je vyšší než u jiných způsobů řízení.
Při výpočtu odstředivých čerpadel lze akceptovat následující závislosti:
- Produktivita (průtok) je přímo úměrná rychlosti rotoru;
- Tlak je přímo úměrný druhé mocnině rychlosti rotoru;
- Spotřeba energie je úměrná třetí mocnině rychlosti rotoru;
Při škrcení se průtok snižuje, ale zvyšuje se tlak na výstupu z čerpadla, takže spotřeba energie mírně klesá s poklesem průtoku. Změnu spotřeby energie lze odhadnout z charakteristických křivek nebo pomocí empirického vzorce.
Kde: spotřeba energie Pdr a Pnom při škrcení v optimálním pracovním bodě; průtok Qdr a Qnom při škrcení v optimálním pracovním bodě;
Kromě přímých úspor energie je třeba počítat se zvýšenými náklady:
- Účinnost střídače se s přihlédnutím k nákladům na chlazení předpokládá 90 %;
- Zavedení střídače si vyžádá kapitálové výdaje, které se hned tak nevrátí. Pro posouzení ekonomického efektu je proto nutné vzít v úvahu diskontní sazbu podle metodiky přijaté v podniku, obvykle hovoříme o 10-30 % ročně.
Přístup k výpočtu energetické účinnosti ventilátorů je do značné míry konzistentní s výpočtem odstředivého čerpadla.
