用了變頻器就節(jié)能了嗎？——變頻器節(jié)能終極優(yōu)化策略
2024-03-11 17:50
發(fā)布于：山西省
本文圖片來源：yaskawa
作者 |paul avery
對于機器控制和其它應(yīng)用，使用變頻器控制電機轉(zhuǎn)速可以節(jié)約能源，但這并不像添加一臺變頻器那么簡單。要提高電機控制系統(tǒng)的效率，還需要考慮哪些因素？
除了現(xiàn)代變頻器（vfd）具有的諸多功能外，類似以60hz以外的轉(zhuǎn)速運行交流感應(yīng)電機也是一件很棒的事情。通過降低電機轉(zhuǎn)速以滿足應(yīng)用需求，變頻器降低了保持負載移動所需的功率。最重要的是變頻器不以滿負荷運行，從而節(jié)省能源。
對上述信息，大多數(shù)人都已經(jīng)很熟悉了，因為也無需爭論是否應(yīng)該使用變頻器。假設(shè)變頻器采購已經(jīng)完成，但這就是使用變頻器來省錢的全部嗎？就像生活中的大多數(shù)事情一樣，情況要比這復(fù)雜得多。如何充分利用變頻器裝置以實現(xiàn)節(jié)能？
01
正確安裝變頻器
首先，需要簡要討論一下正確安裝變頻器的必要性。如果因安裝不當(dāng)，變頻器發(fā)生爆炸或熔斷，那沒人能通過降低能源成本來省錢。許多變頻器制造商都樂于為經(jīng)過他們審查或工廠培訓(xùn)的人員安裝和接線的產(chǎn)品提供延長保修服務(wù)。作為一名工廠培訓(xùn)師，我強烈建議采用被派往工廠實習(xí)、且學(xué)習(xí)正確安裝變頻器所有細節(jié)的安裝人員。培訓(xùn)應(yīng)包括諸多不同場景，以避免錯誤操作帶來的風(fēng)險。
正確安裝可以減少問題出現(xiàn)并延長變頻器的壽命。一個好的安裝技術(shù)人員會注意到可能導(dǎo)致變頻器過早發(fā)生故障的問題，如環(huán)境溫度高、電機引線長度長和功率因數(shù)校正電容等。如果可以避免早期報廢，一些變頻器可以使用很長時間，從而大大提高投資回報率。
▲變頻器安裝有時需要輸出電抗器。
02
電機-變頻器系統(tǒng)的選型注意事項
變頻器本身是節(jié)能不可或缺的關(guān)鍵組件，但它只是整個裝置的一部分。另外兩個最重要的部分是驅(qū)動負載的電機以及連接變頻器和電機的電纜。
首先，確保電機能夠處理變頻器所發(fā)送的脈寬調(diào)制（pwm）電壓。一些較老的電機除了效率低下外，其絕緣系統(tǒng)也比較差，可能無法應(yīng)對變頻器產(chǎn)生的電壓，并且因電機引線過長而加劇。一般來說，任何電機引線超過100米的應(yīng)用，都應(yīng)考慮在電機和變頻器之間安裝輸出電抗器，以確保定子的第一匝（絕緣最薄的地方）不會發(fā)生故障。像許多事情一樣，需要考慮一個折衷方案。任何一種輸出濾波（如負載電抗器）都可能會造成損失。然而，有時效率輕微下降是值得的，因為可以延長電機的使用壽命。
另一個需要考慮的因素是電機規(guī)格。應(yīng)用需要一個能夠連續(xù)傳遞負載所需扭矩的電機。規(guī)格適中比過大的電動機更可取。負載不足的電機可能會受到較差的功率因數(shù)的影響，這會大大降低整個系統(tǒng)的效率。規(guī)格過大的電機可能會讓人放心，因為所有組件的熱損失都遠低于其閾值，所以系統(tǒng)不會很快出現(xiàn)故障，但規(guī)格合適的電機會更高效。如果選型和安裝正確，規(guī)格合適的電機也可以延長使用壽命，因此權(quán)衡的重點是選擇最合適的電機。
▲在電機引線過長的變頻器應(yīng)用中，有時需要dv/dt濾波器。
電機電纜的注意事項通常與電纜長度和規(guī)格有關(guān)。應(yīng)查閱變頻器制造商的安裝文件，找到合適的電纜規(guī)格。如前所述，除非采取預(yù)防措施，否則引線過長會導(dǎo)致電機過早故障。阻抗較大的變化可能會導(dǎo)致來自變頻器的pwm脈沖（具有其相應(yīng)的高dv/dt值）的反射點。這不是一件要么全有要么全無的事情。阻抗差越大，反射的脈沖越多。有時，唯一的解決方案是通過濾波來抑制脈沖的陡峭dv/dt。同樣，濾波本身也會帶來能量損失和額外的安裝成本。
03
變頻器的自動調(diào)諧
通常，電機的額定轉(zhuǎn)速越接近同步轉(zhuǎn)速，電機的效率就越高。為了優(yōu)化電機的運行，變頻器需要電機額定滑差的準(zhǔn)確值。在連接到電機時，變頻器進行良好的自動調(diào)諧，可以產(chǎn)生非常好的電機滑差值。
為了從新變頻器中獲得最佳的每安培扭矩性能，需要進行適當(dāng)?shù)淖詣诱{(diào)諧。變頻器的有效自動調(diào)諧程序，將有助于驅(qū)動器在變頻器中建立良好的電機模型。從工廠來看，變頻器很可能是為與其規(guī)格匹配的典型電機設(shè)置的。這意味著變頻器中的電機額定電流值將基于nppa 70：nec規(guī)定的電壓和功率值。除此之外，電機模型還需要繞組和磁場的預(yù)期損耗值。電機銘牌上很少規(guī)定損耗等數(shù)值。這些損耗值被命名為“線間電阻（ω）”和“漏電感（%）”。
▲新型變頻器的自動調(diào)諧操作很簡單，可以更有效地控制電機。
在將一些典型的銘牌值輸入變頻器后，最好讓變頻器在電機上進行測試?？梢钥隙ǖ氖?，最終結(jié)果將顯示：運行在與預(yù)調(diào)電機相同的轉(zhuǎn)速和負載時，輸出電流會減少。強烈建議在沒有任何負載的電機上運行自動調(diào)諧功能。附加負載會使電流和滑差測量值發(fā)生偏差。由于電阻隨溫度變化，自動調(diào)諧電機的內(nèi)部溫度也最好接近其正常運行溫度。
04
如何處理系統(tǒng)中的負載波動？
幫助變頻器從應(yīng)用中獲得最佳效率的另一種方法是培訓(xùn)它如何處理負載波動的情況。在低負載運行期間，將輸出電壓降低到最佳點有助于最小化功耗并最大限度地提高效率。變頻器中的節(jié)能模式可以幫助最大限度地提高效率，尤其是風(fēng)扇和泵中的v/hz應(yīng)用。將節(jié)能視為扭矩提升的倒數(shù)可能會有所幫助。一種是從正常水平增加電壓以增加輸出轉(zhuǎn)矩，另一種是降低電壓以最小化功率，從而更有效地利用電能。
▲ 在低需求工況下停運變頻器有助于節(jié)約能源。
有時，如果負載過低，變頻器可能需要停止運行。這就是所謂的“休眠”。之所以被稱為休眠，是因為盡管變頻器輸出關(guān)閉，但它仍處于運行狀態(tài)，并進行監(jiān)控，以確定在條件滿足時能夠再次喚醒以驅(qū)動負載。這類操作在泵送應(yīng)用中很常見，其中泵的應(yīng)用可以根據(jù)需求或一天中的時間而改變。變頻器需要編程確定在哪些狀態(tài)下（例如以最低轉(zhuǎn)速運行或輸出壓力過低時）才能使其進入休眠或喚醒。
最后一種節(jié)能的可能性與俗稱的“待機功耗”有關(guān)。它指的是設(shè)備即使沒有打開也能消耗電源。想想液晶平板電視吧。即使設(shè)備沒有“打開”，也會消耗一定的剩余電源。也許它消耗的功率不大，不值得擔(dān)心，但想想還有多少其它設(shè)備在關(guān)閉時也會耗電。然后，將其乘以世界上所有的房屋和企業(yè)，擔(dān)憂就會累積起來。
同樣的原理也適用于變頻器。即使變頻器不運行，它也會通過整流器和母線電容器消耗一部分電流。一些制造商開發(fā)了一種功能，使用小型直流電源在短時期內(nèi)為變頻器“大腦”供電，同時打開輸入斷路器。因為大腦仍然有電，所以每當(dāng)收到新的運行命令時，它可以關(guān)閉輸入斷路器。也許一個變頻器在非運行期間消耗的功率不值得增加額外的設(shè)備，但如果你有50或100個變頻器呢？那么，電力浪費可能是非常嚴重的。
變頻器本身可以使電機轉(zhuǎn)速與負載需求相匹配，從而在節(jié)能方面取得巨大勝利。然而，還應(yīng)考慮其它因素，如電機規(guī)格、電纜選擇、自動調(diào)諧和節(jié)能功能，以最限度地實現(xiàn)節(jié)能。
關(guān)鍵概念：
■了解使用合適的變頻器安裝技術(shù)，如何最大限度地節(jié)省能源。
■如何選擇與變頻器和電機匹配的電纜以優(yōu)化性能。
■在波動負載上訓(xùn)練變頻器如何幫助提高效率。
思考一下：
您可以采用哪些技術(shù)來最大限度地提高變頻器的性能和效率？
- end -
▲本文來自于控制工程中文版雜志（control engineering china）2024年1-2月刊《技術(shù)文章》欄目：如何優(yōu)化變頻器以實現(xiàn)節(jié)能？
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