В этом документе подробно описывается исследование, проведенное учебно-исследовательским центром ирригации для определения характеристик двигателя при различных скоростях, вызываемых частотно-регулируемыми приводами, контроллером VFD и нагрузками. Дальнейшая цель исследования заключалась в том, чтобы предоставить проектировщикам достаточную информацию, чтобы они могли оценить общее энергопотребление насосной станции с установкой, управляемой частотно-регулируемым приводом. Двигатели были испытаны как с частотно-регулируемым приводом, так и в режиме реального времени. В среднем относительный КПД электрической системы с ЧРП может быть примерно на 8% ниже, чем относительный КПД правильно спроектированной линейной системы с полной нагрузкой. Если принять во внимание фактические полевые условия эксплуатации, эти 8% вводят в заблуждение, поскольку общая экономия энергии может быть получена с помощью частотно-регулируемых приводов благодаря их способности правильно регулировать скорость в соответствии с реальными полевыми условиями.

Коэффициент полезного действия электродвигателя при переменных частотах и нагрузках

Насосы с электроприводом, производимые ирригационными районами и фермерами в Соединенных Штатах, представляют собой основное потребление электроэнергии. По оценкам годовое использование электрических насосов в сельском хозяйстве в Калифорнии составляет примерно 10 миллионов МВт ч. Двигатели, управляемые частотно-регулируемыми приводами ЧРП, использовались во многих ирригационных приложениях в попытках сэкономить энергию  и / или улучшить контроль в трубопроводах или каналах.

Анализ экономического компромисса для сравнения применений с односкоростным двигателем с ЧРП и обычными односкоростными двигателями для насосов требует знания о том, как меняются КПД насоса, двигателя и контроллера ЧРП при изменении расхода или напора насоса.

Время работы при различных расходах, общий КПД насосной станции при каждом расходе и стоимость электроэнергии

Процедуры комбинирования кривых насоса на различных скоростях с кривыми системы орошения для определения эффективности насоса хорошо изучены. Некоторые производители насосов, предоставляют программное обеспечение, которое объединяет указанные пользователем системные кривые при различных оборотах в минуту для указанных пользователем насосов.

Стандарты номинальной эффективности при полной нагрузке для многофазных асинхронных двигателей различных размеров были определены Законом об энергетической политике США от 1992 года. Эти стандарты применяются ко всем двигателям, произведенным после октября 1997 года. Стандарты эффективности двигателей для других 2-, 4-, 6- и 8-полюсных двигателей. Для сравнения: стандарты эффективности EPAct для двигателей мощностью 20 л.с. с открытыми каплезащищенными кожухами _ODP_ составляют 90,2, 91,0, 91,0 и 90,2% для синхронных скоростей 3600, 1800, 1200 и 900 об / мин соответственно.

КПД двигателя при постоянной частоте вращения будет изменяться при изменении нагрузки. КПД типичного двигателя может достигать максимума при нагрузке около 75%, но быстро падает ниже некоторого порога. Показано примерное соотношение для двигателей с повышенным КПД.

Была исследована эффективность трех двигателей 50, 100 и 200 л.с. от каждого из семи производителей в диапазоне 25–120% _ нагрузок — все при номинальных оборотах 1800 об / мин. При 25% изменения КПД _высокий / низкий_ составили 94,9–90,9, 94,8–90,0 и 93,7–89,6 для двигателей мощностью 200, 100 и 50 л.с. соответственно.

Коэффициент мощности двигателя при постоянной частоте вращения также будет изменяться при изменении нагрузки. Коэффициенты мощности, перечисленные в программном обеспечении, сильно различаются между производителями, как и значения КПД.

Для проектировщиков, рассматривающих приложения частотных преобразователей, важными вопросами являются:

1. Будут ли параметры меняться с введением ЧРП?

2. Существуют ли другие потери, которые необходимо учитывать при вычислении количества и качества потребляемой мощности для установки преобразователя частоты?

Литературный поиск показывает, что при вычислении экономических показателей установки с частотно-регулируемым приводом использовались различные подходы для предположения об эффективности двигателя. Расчеты предполагают КПД двигателя при полной нагрузке при всех скоростях и нагрузках.

Отмечается, что «учитывая тысячи двигателей с регулируемой скоростью, которые устанавливаются каждый год, автор считает, что независимая организация, такая как NEMA или IEEE, должна разработать программу для определения предполагаемой эффективности асинхронных двигателей при пониженных скоростях и нагрузках.

Были трудности с точным измерением эффективности двигателя, управляемого приводом с регулируемой скоростью.

Ннаписать стандартную процедуру для определения эффективности асинхронных двигателей в системах с частотно-регулируемым приводом — попытка, от которой отказались, по крайней мере, частично из-за технических трудностей. Он также отмечает, что обычное оборудование для измерения входной мощности подвержено ошибкам непредсказуемой величины, когда отслеживаются несинусоидальные ток и напряжение.

Был предложен коэффициент эффективности, который включает потери от самого частотно-регулируемого привода, потери, генерируемые частотно-регулируемым приводом в двигателе, и потери в двигателе из-за движения рабочей точки двигателя, т. е. изменение потребляемой мощности на входе для насос в месте пересечения кривой насоса и кривой системы изменяется.

Существует теория того, как коэффициент полезного действия частотно-регулируемого привода без учета движения рабочей точки двигателя будет изменяться в зависимости от относительной частоты.

Научно-исследовательские цели

Основная цель этого исследования состояла в том, чтобы определить КПД двигателя при различных скоростях, вызываемых контроллером VFD и нагрузками. Более широкая цель заключалась в том, чтобы предоставить проектировщикам и экономистам достаточную информацию, чтобы они могли оценить общее энергопотребление насосной станции с установкой, управляемой частотно-регулируемым приводом.

Процедуры и методы

Конфигурация моторных испытаний на заводе по доставке воды в Калифорнийском политехническом университете штата Калифорния. Стенд состоял из:

1. Электропитание: Электропитание было сконфигурировано для управления двигателями по сети или через контроллер VFD Danfoss VLT 8000 AQUA мощностью 100 л.с. В конфигурацию также входил кондиционер Kooltronic RP52 14 000 БТЕ, подключенный к алюминиевому корпусу частотно-регулируемого привода.

2. Стенд для испытания двигателя: Двигатель был закреплен болтами на обработанной вращающейся опорной плите. Крутящий момент, развиваемый двигателем, был измерен — тензодатчиком модели IC48 с диапазоном 150 фунтов — Honeywell путем измерения напряжения, создаваемого удлинением рычага с длинной опорной пластиной на определенном расстоянии от центра двигателя. Нагрузка на вал вертикального насоса создавалась поршневым насосом замкнутого цикла Denison Hydraulics Goldcup Series P7P.

Создатель нагрузки — гидравлический насос был спроектирован и изготовлен с учетом следующих критериев:

1) Адаптация к различным размерам вала двигателя длина и диаметр;

2) Создают постоянную нагрузку от 1 до 100 л.с. и _3_ создают крутящий момент от 25 до 500 фут-фунтов. Вода для охлаждения гидравлического масла фильтровалась тремя 36-дюймовыми резервуарами для песчаной среды и прокачивалась через паяный пластинчатый охладитель BPS-70-12_5 производства ThermaSys Corporation.

3) Двигатели: были испытаны двенадцать двигателей с вертикальным полым валом, 60 Гц, 460 В ODP.

4) Измерения. Во время каждого теста измерялись следующие данные:

•Частота вращения мотора;

• Крутящий момент, развиваемый двигателем, который состоял из плеча рычага, на котором измерялась сила и развивалась сила; а также

• Характеристики электроэнергии до и после панели ЧРП или АТЛ.

Данные автоматически регистрировались на двух портативных компьютерах. Избыточные данные и некоторые наблюдения за испытаниями регистрировались вручную. Компьютер был запрограммирован с помощью программного обеспечения для отображения и регистрации данных.

Для измерения частоты вращения вала двигателя использовался панельный тахометр Monarch Instruments ACT-2A, значения которого были загружены в Lookout. Также были сняты показания портативного комбинированного фототахометра / стробоскопа Extech Instruments _Model 461825, в котором использовалась светоотражающая лента на валу. Пока два показания были близки в пределах 5 об / мин, считывались показания Lookout.

При сообщении «100% об / мин» использовалось соглашение о фактических оборотах двигателя, подключенных к сети, и принятии их за 100%. Например, с четырехполюсным двигателем, когда использовался контроллер VFD, частота была отрегулирована на 1765 об / мин, а не на 1800 об / мин при тестировании при 100% об / мин.

Крутящий момент: Тензодатчик был помещен в одно из пяти мест, каждое из которых измерено в пределах 0,1 мм. Калибровка тензодатчика проверялась в начале и в конце каждого набора для испытаний с использованием стандартизованных гирь. Определение правильного способа установки и калибровки тензодатчика для получения правильного значения горизонтальной силы было одним из самых сложных аспектов этого проекта.

Проблемы с вибрациями, ударными и вертикальными усилиями из-за веса моментного рычага были преодолены.

Характеристики электрической мощности: в ходе этого исследования измерялась эффективность контроллера частотно-регулируемого привода и двигателя. Следовательно, необходимо было измерить электрическую мощность между контроллером VFD и двигателем. Формы сигналов на входе в контроллер VFD являются синусоидальными, а формы выходных сигналов — нет. Формы выходных сигналов контроллера представляют собой прерывистые импульсы постоянного тока, имитирующие синусоиду переменного тока, что характерно для частотно-регулируемого контроллера с широтно-импульсной модуляцией. Сигнал от частотно-регулируемого привода типа ШИМ, наложенный на синусоидальный сигнал.

Из-за характера формы выходного сигнала требовалось специальное электронное измерительное оборудование. Многоканальная система датчиков тока Danfysik Ultrastab 866R Yokogawa / GMW снабжена шестью датчиками по одному для каждой фазы на входе и выходе VFD с питанием и преобразованием сигнала.

Затем данные от системы преобразователя тока вводились в цифровой измеритель мощности Yokogawa WT1600 и интерфейс связи. Сигналы измерителя мощности Yokogawa обрабатывались на портативном компьютере.

Программное обеспечение модуля реального времени LabView. Эти обработанные данные затем передавались с портативного компьютера, где данные регистрировались и отображались в Lookout.

Собранные данные по электроэнергии:

• Сила тока на каждой фазе до и после ЧРП;

• Напряжение на каждой фазе до и после ЧРП;

• Частота ЧРП;

• Активная мощность до и после ЧРП;

• Полная мощность до и после ЧРП;

• Фактор силы.

В частности, метод проверки эффективности охватывает тип процедуры, использованной в этом исследовании. Многие части этого стандарта испытаний используются, если кто-то хочет разделить компоненты трение и ветер, сердечник, статор и ротор, потери двигателя.

Он также предоставляет вычислительные процедуры для поправочных коэффициентов для паразитной нагрузки, нестандартных температур и других факторов. Процедуры, использованные в этом исследовании, не преследовали цели определения потерь компонентов и не применяли поправки стандарта IEEE Standard 112-2004, поскольку они были сочтены имеющими незначительное влияние на выводы этого исследовательского проекта.

Текущий контроль качества

Постоянный контроль качества данных поддерживался частой калибровкой тензодатчика, избыточными измерениями оборотов двигателя и использованием высококачественного оборудования для измерения электроэнергии. Каждый двигатель работал непрерывно в течение минимум 12 часов непосредственно перед проведением любых измерений. Для дальнейшей проверки ошибок полный набор тестов был продублирован для каждого двигателя в тот же день после завершения первого набора тестов.

Фактор силы

Кривые показывают, как коэффициент мощности изменяется в зависимости от нагрузки, когда двигатель работает в режиме ATL. Также включена одна кривая, которая содержит коэффициент мощности, измеренный во всех тестах VFD. Кривые несколько напоминают безразмерные кривые.

Важным моментом является то, что при работе с этим конкретным контроллером частотно-регулируемого привода коэффициент мощности является просто функцией приложенной нагрузки, независимо от номинальной мощности или номинальной скорости двигателя. Также показано, что наименьший измеренный коэффициент мощности составил 0,65, что значительно выше, чем наименьшие значения коэффициента мощности, измеренные в условиях ATL при низкой выходной мощности. Поскольку использовался только один контроллер VFD, невозможно сказать, как другие контроллеры VFD повлияют на PF.

Эффективность контроллера ЧРП

Было обнаружено, что эффективность контроллера VFD несколько зависит от конкретного двигателя, который был протестирован. В частности, КПД частотно-регулируемого привода при тестировании двигателя с номинальной_75 л.

Рис. 9 и 10 показаны КПД частотно-регулируемого привода при двух оборотах в минуту и ​​различных коэффициентах нагрузки. Другие значения КПД были измерены с приращением 10% номинальной скорости вращения с аналогичными результатами. Эти результаты совпадают с заявлениями о высокой эффективности, сделанными производителями высококачественных контроллеров VFD последних разработок. КПД несколько падает при очень низких нагрузках, но ни в коем случае не опускается ниже 95%.

КПД двигателя

Показан КПД двигателя для работы. Понятно, что между отдельными моторами есть отличия. Самый низкий КПД у двигателя мощностью 20 л.с., который обозначен как подходящий для частотно-регулируемого привода, а самый высокий КПД у другого мотора, который обозначен как двигатель «премиум-класса». Четыре двигателя поддерживали очень высокий КПД, близкий к 95% во всем диапазоне относительной нагрузки.

Для отдельного двигателя различия в 18% были действительными нагрузками при разных оборотах в минуту, в наблюдаемом; верхний левый угол для сравнения масштабов. Относительный КПД двигателя может быть выше или ниже.

Фундаментальный вопрос заключается в том, остается ли эффективность двигателя на уровне частотно-регулируемого привода; то же самое, если двигатель подвергается различным нагрузкам при ATL. Похоже, что существует больше различий в характеристиках между по сравнению с тем, когда электроэнергия поступает через электродвигатели ЧРП, поскольку относительные нагрузки и относительные обороты уменьшаются; и троллер. При 100% относительных оборотах в минуту разница в следующем: разница в эффективности двигателя. В среднем видимой разницы нет; Не было заметной разницы между двигателями премиум-класса и стандартными двигателями в отношении их относительного КПД при различных относительных оборотах и относительных нагрузках.

Требования к мощности кондиционирования воздуха

Контроллеры частотно-регулируемого привода выделяют тепло из-за своей неэффективности. Хотя неэффективность может быть небольшой, 3% от блока мощностью 100 л.с. представляют 3 л.с. тепла, которое необходимо рассеять. Блоки кондиционирования воздуха AС — либо непосредственно установленные на панели частотно-регулируемого привода, либо сконструированные для охлаждения всего здания центра управления двигателями — являются стандартной практикой для ирригационных систем.

Ни в одной из обширной литературы, которая была изучена относительно эффективности частотно-регулируемого привода, не упоминалась дополнительная мощность, необходимая для кондиционирования воздуха. В этом исследовательском проекте не рассматривались детали требований к питанию переменного тока. В зависимости от выделяемого тепла, температуры окружающей среды и конструкции переменного тока потребляемая мощность будет варьироваться. Авторы предполагают, что если КПД контроллера ЧРП составляет 97%, а блока переменного тока — 50%, то дополнительная потребляемая мощность для блока переменного тока может быть оценена как:

100% −97%

Входная мощность

Например, при полной нагрузке 110 л.с. на контроллер частотно-регулируемого привода, который работает с КПД 97%, дополнительная потребляемая мощность при полной нагрузке составит 3% , 110 л.с. = 6,6 л.с.

Выводы

Результаты этого исследования приводят к следующим выводам, которые кажутся либо неизвестными, либо минимально разрекламированными:

1. Доступны коммерчески доступные контроллеры частотно-регулируемых приводов, которые обеспечивают значительное улучшение коэффициента мощности двигателей по сравнению с другими приложениями.

2. На эффективность контроллера VFD, похоже, немного влияет двигатель, которым он управляет.

3. Для среднего состояния, когда двигатель подвергается изменяющимся нагрузкам, можно указать следующее: КПД двигателя, который управляется контроллером ЧРП, будет примерно таким же, как КПД двигателя, который работает поперек линии. Однако некоторые двигатели работают с более высокой или более низкий относительный КПД и одновременно управляемый контроллером ЧРП.

4. Дополнительные требования к мощности кондиционера для контроллера ЧРП должны учитываться при определении общей потребляемой мощности для устройства, а также начальных и годовых затрат.

Данные этого исследования подтверждают следующие часто отмечаемые моменты:

• Имеющиеся в продаже контроллеры частотно-регулируемого привода поддерживают высокий КПД в практических диапазонах нагрузок и частот.

• При расчете КПД асинхронных двигателей, работающих при переменных нагрузках, необходимо учитывать значительное изменение КПД двигателя, которое может произойти при изменении нагрузки. В частности, КПД двигателя может упасть примерно на 10% при падении относительной нагрузки с 60 до 20%. Изменения КПД двигателя при изменении относительной нагрузки от 100 до 60% относительно незначительны.

• При работе с относительными нагрузками, превышающими 40%, собственный КПД самого двигателя более важен, чем изменение КПД из-за изменяющихся нагрузок. Таким образом, в среднем относительная эффективность электросети.

Трехфазная система с частотно-регулируемым приводом может быть примерно на 8% ниже, чем относительная эффективность правильно спроектированной линейной системы с полной нагрузкой. Это 8% -ное значение предполагает отсутствие изменений в КПД двигателя, 3% -ную потерю КПД через контроллер ЧРП и параллельное 5% -ное дополнительное энергопотребление для кондиционера.

8% — это число, которое исторически недоступно. На первый взгляд кажется, что приложения с ЧРП могут быть неэкономичными, если КПД падает на 8%. Однако 8% — это только часть истории. 8% предполагают, что линейная система была действительно правильно спроектирована. Система с частотно-регулируемым приводом может корректировать ошибки, но поперечная система не может корректировать ошибки в оценках требований к общему напору или расходу.

Кроме того, эффективность электрической системы — это только одна часть всей электрической насосной системы. Чтобы определить относительную эффективность всей электрической насосной системы, необходимо также учитывать изменение эффективности насоса с течением времени и в различных рабочих точках, а также способность системы с ЧРП снижать требования к общему давлению или потоку, когда это необходимо. В рамках этого исследовательского проекта эти преимущества не рассматривались, хотя они были хорошо задокументированы ITRC и другими организациями. Кроме того, для многих систем орошения с помощью насосов улучшенное управление давлением или расходом является преобладающим преимуществом, а не экономией энергии.