Автооптимізація енергоспоживання в частотниках Danfoss

 

Економія енергії і точне управління системами є основними причинами використання перетворювачів частоти в системах водопостачання, опалення, вентиляції та кондиціонування повітря. Економія енергії важлива, так як невелике зменшення оборотів вентилятора або відцентрового насоса має дуже великий вплив на споживання ним енергії. ККД вентиляторів або насосів разом з перетворювачем частоти залишається високим на знижених оборотах. ККД двигуна, однак, падає, оскільки двигун стає недозавантаженість.

 

Виробники перетворювачів частоти вдавалася до спроб поліпшити ККД двигунів на малих обертах, використовуючи ряд конструктивних рішень. На жаль, більшість з цих рішень вимагає кропіткої ручного регулювання і все ще не може оптимізувати ККД

двигуна у всіх умовах.

 

Серія перетворювачів частоти VLT має унікальну функцію управління, яка називається автоматичною оптимізацією енергоспоживання AEO (Automatic Energy Optimization). Завдяки цій функції перетворювач частоти автоматично збільшує ККД двигуна до максимуму в будь-яких умовах роботи.

 

Нижче розглядається причина зменшеного ККД двигуна при малих навантаженнях і спосіб, яким функція AEO протидіє цієї природної тенденції. Розглядаються також застосування і обмеження даної функції.

 

Робота двигуна

В асинхронних електродвигунах змінного струму крутний момент на валу двигуна створюється магнітним полем всередині двигуна. Напруженість цього магнітного поля і виникає в результаті крутний момент змінюються разом з вимогою по навантаженню на двигуні. Більш високе навантаження вимагає більш високого крутного моменту, що означає, що двигун споживає більше струму з лінії живлення. Хоча обороти двигуна залишаються відносно постійними, споживаний струм може змінюватися істотно.

 

Якщо повний крутний момент двигуна не потрібно, то не потрібно і повне магнітне поле. Струм, який створює надмірне магнітне поле, не дає позитивного ефекту і генерує реактивний струм, який витрачає енергію і створює теплову напругу. Надмірна ток навіть більш очевидний на малому моменті, коли реактивний струм зростає в порівнянні з дійсною складовою струму. Це основна причина, чому малонавантажених двигуни демонструють низький ККД, що і буде обговорюватися нижче більш докладно.

 

Щоб обмежити струм через двигун, обмежується подається на двигун напруга. Хоча це і здається простим, насправді це не так. Занадто зменшене напруга призводить до надмірного ковзанню ротора двигуна, яке в свою чергу призводить до великого споживання струму. Тепло, що створюється цим струмом, може серйозно пошкодити двигун. Оскільки занадто сильне неконтрольоване зниження напруги може пошкодити двигун, більшість виробників перетворювачів частоти уникають зменшення напруги двигуна до оптимального рівня.

 

Залежність напруги від частоти

Для двигунів з навантаженнями з постійним крутним моментом струм намагнічування двигуна повинен залишатися постійним у всьому діапазоні керованих перетворювачем частоти обертів. Оскільки індуктивний опір (XL) обмоток статора двигуна пропорційно додається частоті, (XL = 2πfL), для підтримки постійного струму двигуна потрібна пряма залежність між прикладеним напругою і частотою. Це пряма залежність «напруги від частоти» (U / F), є одним із способів управління двигуном за допомогою перетворювача частоти.

 

Це відноситься до перетворювачів частоти, які розраховані на навантаження при постійному моменті, такі як конвеєри, лебідки та подібні промислові установки. Постійне значення В/Гц показано на малюнку 1.

Коли перетворювач частоти з постійною характеристикою U / f застосовується при навантаженні зі змінним крутним моментом, повний струм намагнічування на малих обертах більше, ніж потрібно самим навантаженням. Це перенамагнічіваніе, як було згадано, створює в двигуні надлишкове тепло.

Рішення полягає у визначенні, яке напруга потрібно двигуну для правильної роботи. Оскільки для цього необхідні спеціальні, деякі виробники перетворювачів частоти просто ігнорують це питання і їх перетворювачі частоти виробляють тільки постійну характеристику U / f у всьому діапазоні оборотів. Хоча такий підхід не максимізує ККД двигуна, він дозволяє уникнути перенамагнічіванія двигуна і освіти надмірного ковзання ротора двигуна.

Оскільки навантаження, що вимагають змінного крутного моменту, являють собою зовсім інше, модель фіксованою характеристики U / f не працюватиме для всіх навантажень. Коли проводиться спроба поліпшити ККД двигуна, реальна щоб зробити режим U / f часто надається кінцевому користувачеві. При цьому методі (представленому на рисунку 2) від користувача потрібно визначити проміжну точку U / f в профілі перетворювача частоти. Для цього потрібна велика кількість експериментів і оцінок у всьому діапазоні оборотів і навантаження системи. Крім того, якщо характеристики системи змінюються, потрібно повторити весь цей процес налаштування. Очевидно, що це не саме практичне рішення.

 

Деякі виробники перетворювачів частоти пропонують користувачеві вибір з ряду використовуються стандартні змінних профілів U / f. Хоча це і спрощує процедуру, все ще потрібно вручну прогнати двигун через весь діапазон оборотів і визначити найнижчий профіль В / Гц, який буде сприймати навантаження без надмірного ковзання ротора двигуна або нагрівання двигуна.

 

Характеристики навантаження установки можуть змінитися через сезонні змін або модернізації використовуваних технологічних систем (водопостачання, вентиляція та ін.). В цьому випадку повторно повинен бути здійснений процес ручного налаштування. Через необхідність такої роботи більшість користувачів просто вибирають високий профіль U / f, знаючи, що це дозволить справлятися з навантаженням. Це призводить до розтрати дорогою енергії.

 

Функція автоматичної оптимізації споживання енергії

Кращим рішенням для настройки напруги відповідно до кривої частоти / потужності стала б її автоматизація. Це саме те, що робить перетворювачі частоти Danfoss. Частотники використовують унікальний процес автоматичної оптимізації енергоспоживання «Automatic Energy Optimization», який без втручання користувача автоматично гарантує, що співвідношення напруги і частоти завжди оптимально для конкретної навантаження двигуна.

 

Щоб автоматично забезпечити правильне напруга при будь-якій робочій частоті і навантаженні, перетворювач частоти безперервно контролює двигун і реагує на зміни. Унікальний процес управління VVC + перетворювачів частоти Данфосс є основною частиною. Струм контролюється таким чином, щоб в будь-який момент можна було дізнатися показники як активного струму (який змінюється від навантаження), так і реактивного струму (який намагнічує статор двигуна).

 

В результаті, перетворювач частоти автоматично підтримує максимальний ККД двигуна у всіх умовах. Під час початкового розгону подається до 110% вихідної напруги, щоб забезпечити додатковий крутний момент на подолання інерції навантаження. Це також забезпечує м'який старт і плавне нарощування характеристик регульованих перетворювачів частоти, призначених для використання в системах. Після того, як двигун набирає задані обороти, перетворювач частоти автоматично визначає рівень постійного навантаження і зменшує вихідна напруга для досягнення максимального ККД двигуна. Якщо навантаження змінюється, наприклад, коли різко відкривається клапан в системі накачування, частотний перетворювач визначає зміну навантаження і негайно збільшує вихідну напругу, щоб підтримувати управління двигуном.

 

Крім того, функція автоматичної адаптації двигуна «Automatic Motor Adaptation (AMA)» перетворювача частоти Danfoss, яка точно визначає критичні параметри двигуна, дозволяє частотного перетворювача розраховувати показники струму, щоб визначити кількість струму намагнічування, необхідного для конкретного навантаження. В результаті виходять виняткові характеристики двигуна при низькому навантаженні, в області, в якій більшість перетворювачів частоти практично неефективні. Перетворювач частоти може реально знизити реактивну частину струму двигуна. Цей компонент, часто становить 25% струму двигуна і більше при малому навантаженні, зазвичай ігнорується іншими виробниками перетворювачів частоти.

 

Функція автоматичної оптимізації енергоспоживання «Automatic energy optimization (AEO)» дозволяє перетворювача частоти керувати напругою в широкому діапазоні, щоб налаштовувати вихід частотного перетворювача на конкретну навантаження. Діапазон напруг, в якому працює функція AEO, представлений на рисунку 3. Як видно, функція AEO дозволяє перетворювача частоти з метою економії енергії зменшувати напругу на двигуні практично на 50%. Мінлива характеристика U / f економить ще 5% енергії в типових насосних і вентиляційних установках.

 

Переваги функції AEO

Основна перевага застосування функції автоматичної оптимізації енергоспоживання проявляється при навантаженнях при змінному моменті. Оскільки обороти двигуна падають, навантаження на двигун істотно знижується. Якщо на двигун подається постійно співвідношення U / f, це негативно впливає на ККД двигуна. Визначити, наскільки можна знизити напругу на двигуні до того, як почнуть знижуватися характеристики двигуна, вручну досить важко. Функція AEO розраховує це автоматично і безперервно. Якщо змінюється профіль навантаження, функція AEO реагує на цю зміну і налаштовує напругу, що подається на двигун.

Малюнок 3. Робочий діапазон функції AEO і економія при використанні даної функції

 

Навіть без зміни оборотів функція AEO все ще економить енергію. Щоб забезпечити запас надійності функціонування і застрахувати від проектних помилок, більшість двигунів для систем водопостачання та вентиляції мають більший розмір, ніж потрібно для роботи з конкретною навантаженням.

В результаті, навіть на повних обертах, в умовах повного потоку двигун працює при неповному навантаженні. Без зменшення напруги, що забезпечується функцією AEO, двигун працює неефективно. З частотним перетворювачем Danfoss звичайно треба відзначити вихідна напруга з перетворювача частоти, яке менше номінального значення, зазначеного на табличці з назвою і номінальними даними двигуна, навіть коли перетворювач частоти видає повну частоту. Це швидше отримується від функції AEO економія, що компенсує використання переразмеренним під конкретне застосування двигуна, ніж індикація неправильного стану.

 

Від застосування функції AEO виграють також установки зі змінними оборотами і постійним об'ємом. Прикладом таких установок служить система вентилятора для чистої кімнати. У цьому випадку метою перетворювача частоти є підтримання постійного потоку повітря, навіть коли мікрофільтр повітря стає брудним. У міру того, як фільтр засмічується, частотний перетворювач автоматично збільшує обороти вентилятора. Функція AEO гарантує, що на валу двигуна завжди є достатній крутний момент, при цьому підтримується максимальний ККД двигуна.

 

Хоча підтримка максимального ККД двигуна є основною метою функції AEO, є також і інші вигоди від її застосування. Тепловиділення в двигуні, основна причина відмови двигунів, скорочується. За рахунок зменшення теплових навантажень в двигуні збільшується термін служби двигуна. Зменшене виділення тепла в двигуні зменшує також теплове навантаження від двигуна на навколишні елементи будівлі. У випадках встановлення великих двигунів в зонах з контрольованою температурою додаткова економія на витратах на охолодження може бути істотною.

 

Зменшений ток також має додаткову вигоду. Це відбивається в зниженні втрат енергії в перетворювачі частоти і у всіх інших компонентах, які представляють ток в двигун, таких як трансформатори або реактори в лініях.

 

Робота декількох двигунів

В установках, де є кілька працюючих двигунів, але тільки один з них в кожен момент часу контролюється перетворювачем частоти, таких як чергуються насоси, функція AEO буде максимізувати ККД того двигуна, який в даний момент працює. Метод динамічного управління функції AEO автоматично реагує на включений двигун і подає струм відповідно до навантаженням двигуна.

 

Оскільки функція AEO підлаштовує вихідна напруга перетворювача частоти на конкретні вимоги конкретного двигуна, вона не може працювати надійно в установках з декількома одночасно працюючими двигунами. Якщо два або більше двигуна одночасно підключаються до виходу регульованого перетворювача частоти, функція AEO може тільки забезпечити вихідну напругу, яке коректно для середнього значення двигунів. В результаті подається на двигуни напруга може виявитися занадто високою для одного з двигунів і занадто низьким для іншого. Через проблеми з можливим недонамагнічіваніем двигуна, цього слід уникати. Коли кілька двигунів одночасно управляються одним частотним перетворювачем частоти, перетворювач частоти налаштовується на попередньо запрограмовану криву В / Гц для змінного крутного моменту.

 

висновки

Двигуни в системах водопостачання і вентиляції рідко навантажуються повністю. Це пов'язано з тим, що двигуни для конкретної установки зазвичай Переразмер, і тому, що навантаження двигуна різко падає, коли зменшується витрата. Зазвичай на малих обертах ККД двигуна невеликою.

 

Для поліпшення ККД двигуна деякі перетворювачі частоти вимагають наявності оператора системи, який регулює вихідні характеристики В / Гц. Ці ручні методи як обтяжливі, так і неточні. В результаті, вони використовуються рідко. Крім того, якщо змінюються вимоги до системи, оператор змушений повторювати настройки.

 

Унікальний алгоритм VVC + частотних перетворювачів частоти Danfoss (VLT Micro Drive, VLT Aqua Drive, VLT HVAC Drive, VLT Automation Drive) детально контролює потреби двигуна в струмі. За рахунок цього регульований перетворювач частоти визначає навантаження на двигун, а функція автоматичної оптимізації енергоспоживання гарантує, що двигун протягом усього часу отримує ідеальне напруга. Все це виконується автоматично без необхідності втручання користувача.