چگونه یک درایو فرکانس متغیر سه فاز بر راندمان موتور در بارهای جزئی تأثیر می‌گذارد؟

اگر تا به حال در فضاهای صنعتی آویزان شده باشید، احتمالاً موتورهای بزرگی را دیده اید که در تمام طول روز با قدرت 50 هرتز یا 60 هرتز کار می کنند، حتی زمانی که فقط نیمی از باری را که برای آن طراحی شده اند فشار می دهند. به‌عنوان تامین‌کننده سیستم‌های درایو فرکانس متغیر 3 فاز (VFD)، همیشه از من می‌پرسند: «چرا باید تنظیمات موتور با سرعت ثابت قدیمی‌ام را با یک VFD عوض کنم، به‌خصوص وقتی که فقط بار بخشی کار می‌کند؟» پاسخ کوتاه این است: آن موتورهای با سرعت ثابت قدیمی، وقتی با ظرفیت کامل کار نمی‌کنند، انرژی زیادی را هدر می‌دهند – و VFD این مشکل را برطرف می‌کند. بیایید نحوه عملکرد آن را بررسی کنیم، بدون اصطلاحات مهندسی خفه‌کننده، فقط چیزهایی در دنیای واقعی که سال‌ها از کار با مغازه‌ها، کارخانه‌ها و تیم‌های کوچک تولیدی یاد گرفته‌ام.

ابتدا، بیایید در مورد اصول اولیه خسته کننده صحبت کنیم: موتورهای سرعت ثابت. اکثر موتورهای صنعتی برای کارکردن با یک سرعت ثابت و بر اساس فرکانس خطوط برق ساخته شده اند. در مکان‌هایی که از 50 هرتز استفاده می‌کنند (مانند اروپا، آسیا یا بیشتر آفریقا)، این 1500 دور در دقیقه برای موتورهای 4 قطبی و 1800 RPM در مناطق 60 هرتز (آمریکای شمالی، بخش‌هایی از آمریکای جنوبی) است. مشکل؟ بیشتر بارهای موتور ثابت نیستند. در مورد تسمه نقاله ای فکر کنید که فقط هنگام بارگیری قطعات با سرعت کامل کار می کند، یا پمپی که با پر شدن مخزن سرعتش کاهش می یابد. این سیستم ها معمولاً از یک دریچه گاز، یک دمپر یا حتی یک کلاچ مکانیکی برای تنظیم سرعت استفاده می کنند. اما این سخت افزار اضافی فقط انرژی را هدر می دهد - هر بار که جریانی را با یک دریچه محدود می کنید، اصطکاک، گرما و انرژی تلف شده بیشتری ایجاد می کنید.

اما یک VFD؟ فرکانس خط برق را به گونه ای تغییر می دهد که دقیقاً با آنچه موتور نیاز دارد مطابقت داشته باشد. بنابراین اگر موتور شما فقط به نیمی از سرعت کامل خود نیاز دارد، VFD فرکانس را کاهش می دهد و موتور بدون آن همه ضایعات گازی کند می شود. اما این چیزی است که مردم را شگفت زده می کند: این افزایش بازده زمانی که موتور با بار جزئی کار می کند، نه بار کامل، بسیار بیشتر است. اجازه بدهید توضیح دهم که چرا.

موتورها چیزی به نام منحنی بار دارند - به این ترتیب کارایی آنها با تغییر بار تغییر می کند. برای اکثر موتورهای صنعتی استاندارد، راندمان در حدود ۷۵ تا ۸۵ درصد بار نامی کامل آنها به اوج می رسد. اگر آنها را با بار 50٪ اجرا کنید، این بازده به راحتی 5-10٪ کاهش می یابد و به 25٪ بار کاهش می یابد؟ شما به دنبال بازدهی 20%+ هستید. چرا؟ زیرا وقتی موتور کمتر کار می کند، بیشتر از توان خود صرفاً برای غلبه بر تلفات داخلی خود استفاده می کند - مانند اصطکاک در یاتاقان ها یا مقاومت الکتریکی در سیم پیچ ها. موتورهای سرعت ثابت نمی توانند برای آن تنظیم شوند، بنابراین وقتی به اوج بار خود فشار نیاورند، اساساً قدرت را هدر می دهند.

یک VFD این اسکریپت را تغییر می دهد. با تنظیم فرکانس، ولتاژ ارسالی به موتور را نیز تنظیم می کند، ویژگی به نام کنترل ولت در هر هرتز (V/f) (ما در خطوط با کارایی بالا مانند ما موارد بیشتری در این مورد داریم.درایو فرکانس متغیر 3 فازسیستم ها). این امر میدان مغناطیسی موتور را ثابت نگه می‌دارد، بنابراین برای حفظ گشتاور خود در صورت کاهش سرعت، نیازی به کار سخت‌تر نیست. نتیجه؟ هنگامی که موتور با بار جزئی کار می کند، VFD این تلفات داخلی را کاهش می دهد. مطالعه‌ای در سال 2022 از وزارت انرژی نشان داد که فن‌ها و پمپ‌هایی که از VFD استفاده می‌کنند، 20 تا 50 درصد در هزینه‌های انرژی در هنگام کار با بار جزئی صرفه‌جویی می‌کنند. 0-5٪ صرفه جویی با دریچه گاز با سرعت ثابت. من این را به صورت دست اول با یک کارخانه فرآوری مواد غذایی محلی دیده ام که موتورهای نوار نقاله خود را در سال گذشته به VFD تغییر داده است. قبض انرژی آنها برای این خطوط در 6 ماه 32 درصد کاهش یافت و فقط 15 درصد مواقع با سرعت کامل کار می کنند.

صبر کنید، اما دست نگه دارید - آیا مشکلی وجود ندارد؟ از من هم خیلی سوال می شود برخی از مردم نگران هستند که VFD ها ضررهای خود را اضافه می کنند، درست است؟ هر دستگاه الکترونیکی تلفات کمی دارد، معمولاً 2-5٪ برای خود VFD. اما این ریاضی است: اگر موتور شما با بار 50 درصد کار می کند، راندمان سرعت ثابت شاید 80 درصد است، بازده کل سیستم (موتور به اضافه دریچه گاز) حدود 75 درصد است. یک VFD اضافه کنید، راندمان موتور به 90% می‌پرد، تلفات VFD 3٪ است، بنابراین مجموع 87٪ می‌شود—این یک افزایش 12 درصدی است. حتی در بار 25٪، راندمان موتور ثابت مانند 65٪ است، دریچه گاز 10٪ تلفات، در کل 55٪ اضافه می کند. تنظیم VFD: راندمان موتور 82٪، افت VFD 3٪، کل 79٪ - افزایش 24٪. این اعداد به سرعت جمع می شوند، به خصوص برای امکاناتی که موتورهای 24/7 کار می کنند.

حالا بیایید در مورد انواع مختلف VFD صحبت کنیم، زیرا همه یکسان ساخته نمی شوند. مادرایو اینورتر 7.5 کیلوواتیک اسب کار برای کاربردهای کوچک تا متوسط ​​است، مانند پمپ های کوچک یا نوار نقاله، در حالی که مامبدل فرکانس 50 هرتز به 60 هرتز 3 فازبرای امکاناتی که نیاز به جابجایی بین مناطق یا تجهیزات قدیمی دارند که با فرکانس اشتباه کار می کنند عالی است. حتی اگر فقط برق تک فاز دارید، ما شما را با این برق پوشش می دهیممبدل فرکانس تک فازخطی که برای موتور شما و ما به 3 فاز تبدیل می شودVFD 220v 3 فازیک انتخاب محبوب برای تنظیمات تجاری کوچک است. کلید همه اینها، کنترل برداری است، که بهتر از کنترل قدیمی V/f برای بارهای جزئی است - به VFD اجازه می دهد ولتاژ را با دقت بیشتری تنظیم کند، بنابراین راندمان موتور حتی در سرعت های بسیار پایین بالا می ماند. این یک تفاوت بزرگ با VFD های ارزان قیمت است که ممکن است کنترل نامناسبی داشته باشند و در بارهای کم به کارایی آسیب برسانند.

چیز دیگری که اکثر مردم در مورد آن صحبت نمی کنند این است که چگونه بازده بار جزئی به طول عمر موتور متصل می شود که در هزینه شما نیز صرفه جویی می کند. موتورهای سرعت ثابتی که با بار جزئی کار می کنند اغلب باید با گرمای اضافی مقابله کنند، زیرا آنها ناکارآمد هستند و دریچه گاز ثابت می تواند باعث ایجاد فشار مکانیکی بر روی تسمه ها، سوپاپ ها و پمپ ها شود. VFD ها به موتور اجازه می دهند با سرعت نرم تر و ثابت تر کار کند و سایش و پارگی را کاهش می دهد. ما مشتریانی داشته‌ایم که به ما گفته‌اند هزینه‌های تعمیر و نگهداری موتورشان پس از تغییر به VFD، علاوه بر صرفه‌جویی در انرژی، 25 درصد کاهش یافته است. این یک برد دوگانه است.

بیایید از یک مثال واقعی برای ساختن این بتن استفاده کنیم. فرض کنید یک موتور 10 اسب بخاری دارید که 24/7 و 50 هفته در سال یک پمپ خنک کننده کار می کند. یعنی 8760 ساعت در سال. راه اندازی قدیمی با سرعت ثابت، متوسط ​​راندمان در 50٪ بار 78٪ است. هزینه برق 0.12 دلار در هر کیلووات ساعت است. هزینه انرژی سالانه: 10HP x 0.746 kW/HP = 7.46 kW. 7.46 کیلووات x 8760 ساعت / 0.78 بازده = ~ 85000 کیلووات ساعت در سال. هزینه: 10200 دلار به VFD تغییر دهید، متوسط ​​راندمان موتور در 50٪ بار 90٪، افت VFD 3٪ است. انرژی سالانه: 7.46 کیلووات x 8760 ساعت / (0.90 * 1.03) = ~ 70000 کیلووات ساعت. هزینه: 8400 دلار این 1800 دلار در سال صرفه جویی در هر موتور است. برای یک کارخانه با 10 تا از این موتورها؟ یعنی 18000 دلار در سال. ضرب در 5 سال؟ این 90000 دلار است – برای خرید یک راه‌اندازی کاملاً جدید VFD و پول باقی‌مانده کافی است.

حالا آیا زمانی هست که VFD ارزشش را نداشته باشد؟ مطمئنا اگر موتور شما 100 درصد مواقع با 100 درصد بار کار کند، مانند یک درایو اصلی برای یک فرآیند حیاتی که هرگز کند نمی شود، سود زیادی مشاهده نخواهید کرد. اما این فوق العاده نادر است. اکثر موتورهای صنعتی حداقل برای بخشی از چرخه خود با بار جزئی کار می کنند - گاهی اوقات زیاد. من مغازه هایی را دیده ام که بار موتور اصلی آنها به طور متوسط ​​فقط 30-40٪ است، بنابراین پس انداز حتی بیشتر است.

غذای بزرگ اینجا؟ وقتی صحبت از راندمان موتور در بارهای جزئی می شود، درایو فرکانس متغیر 3 فاز فقط یک ارتقاء خوب نیست، بلکه یکی از مقرون به صرفه ترین سرمایه گذاری های انرژی است که می توانید انجام دهید. این ضایعات ناشی از دریچه گاز با سرعت ثابت را برطرف می کند، راندمان موتور را دقیقاً در زمانی که به آن نیاز دارید افزایش می دهد و حتی هزینه های تعمیر و نگهداری را کاهش می دهد. اگر از دور ریختن پول در قبوض انرژی برای موتورهایی که فقط به اندازه نصف توانشان کار می‌کنند خسته شده‌اید، یا کنجکاو هستید که کدام VFD با تنظیمات شما مطابقت دارد، خواه کوچک باشد.درایو اینورتر 7.5 کیلوواتیا بزرگتردرایو فرکانس متغیر 3 فازبرای تمام امکانات شما، من اینجا هستم تا کمک کنم. با تیم ما تماس بگیرید تا در مورد نیازهای خود چت کنید، بدون فشار، فقط در مورد اینکه چگونه VFD ها می توانند در هزینه شما صرفه جویی کنند صحبت کنید.

مراجع

1. وزارت انرژی ایالات متحده، "درایوهای فرکانس متغیر برای سیستم های پمپ و فن"، 2022.
2. ساخت و ساز الکتریکی و تعمیر و نگهداری، "چگونه VFD ها راندمان موتور را در بار جزئی بهبود می بخشند"، 2021.
3. کمیسیون بین المللی الکتروتکنیکی، "کلاس های بهره وری برای ماشین های الکتریکی دوار"، 2020.