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                通過電磁流量計變頻驅動器最大限度地節約能源

                來源:    發布日期:2019-08-21 10:17:23    作者:

                    據國際能源署(IEA)稱,全球約有一半的電力用于電動機。工業電動機系統約占所用制造電力的70%。
                    在美國,泵系統占所有工業電機系統電力的約40%。趨勢是設計更高效的泵系統,以實現最高的節能回報。

                    在許多應用中,使用兩種方式之一來調節流量和壓力??梢允褂霉澚鏖y或使用變速驅動器調節電機速度來機械控制它們。限制系統中流動的節流閥在機械和電氣上都是低效的。

                    因此,調節泵速和流量的優選方式通常是變頻驅動器(電磁流量計)。電磁流量計將頻率電氣地改變為AC電動機的頻率。電動機速度與頻率直接相關,而電動機電流與所需轉矩成正比。隨著離心泵速度的降低,所需的扭矩和電機電流急劇下降。

                    了解使用變頻器(電磁流量計)的泵運行
                    在離心泵操作中,流量與速度下降成比例地減小。換句話說,速度降低50%會使流量減少50%。然而,產生的壓力或壓頭減小了速度的平方。速度降低50%可使壓力降低25%。由于功耗與工作有關,因此當流量和壓力都降低時,所需的相對工作量將大大減少。功率降低是速度降低的立方。因此,當電機速度降低50%時,與全速運行相比,所需的功率為(0.5)3,即所需電機轉矩和電流的12.5%。這被稱為親和力法。

                    泵匹配到電磁流量計
                通過降低泵速可以實現顯著的節能效果。但是,根據所需的流量和壓力為應用選擇正確的泵仍然至關重要。與往常一樣,必須評估泵速 - 扭矩曲線。泵速降低時存在機械限制。例如,體積可以減少到泵不能滿足系統要求的程度。

                    變速電機為使用滿足當前需求的泵提供了更大的靈活性,并可能在未來增加。電磁流量計通過低于設計的壓力限制來幫助提高泵的使用壽命。它還能提升速度,減少機械沖擊或水錘,并使功率與性能相匹配。雖然電磁流量計在幫助系統保持最高效率方面值得稱贊,但它們也有可能損壞它們驅動的電機 - 除非采取措施減少其有害影響。

                    了解電磁流量計對電機的挑戰
                    電磁流量計帶來的挑戰與它們用于調制提供給電機的頻率和電壓的脈沖寬度調制(PWM)功率波形有關。反過來,這會控制電機速度。在電磁流量計中,整流器將AC轉換為DC電壓,晶體管(開關) - 稱為逆變器部分 - 產生脈沖以輸出模擬所需頻率的正弦波的波形。PWM開關波形會影響電機的繞組絕緣和軸承壽命。

                    更具體地說,PWM可以使電動機繞組經歷遠高于其標準電壓極限的電壓尖峰。例如,在三相交流線路電壓上,標準正弦波功率從一個峰值轉換到下一個峰值需要大約8毫秒。PWM會導致電壓急劇上升,從最小值到最大值脈沖小于0.001毫秒或1微秒(μs)。由于這些尖峰超過了標準絕緣的極限,因此與繞組未超過額定最大電壓時可能出現的情況相比,它們會導致電機絕緣快速擊穿。

                    波反射是另一種可能影響峰值電壓及其對電機繞組影響的現象。波反射是波浪上升所需時間和電磁流量計與電機之間電纜長度的函數。反射回到其源頭的反射波可以成為入射波的附加波。電纜越長,波反射越大。反射波形可能會損壞電磁流量計和電機。當電磁流量計與其控制的電機之間的距離超過電磁流量計制造商建議的距離時,應考慮這種現象。允許在現場發生更大距離的技術可以添加到系統中。





                    電機繞組和電磁流量計損壞不是受PWM影響的唯一問題。軸承過早失效也可歸因于快速上升的電壓脈沖。用于實現所需PWM波形的高開關頻率逆變器導致在轉子和定子之間建立電容能量。

                    如果這種能量在通過電機軸承的路徑上釋放,則可能導致放電加工(EDM),也稱為凹槽,這可能導致軸承過熱并可能過早失效。

                    由于在標準逆變器上使用PWM波形而導致的轉子和定子之間的電壓差也會影響電動機的軸承。

                    電磁流量計使用脈沖直流電壓來產生模擬正弦波,其具有在轉子和定子之間建立差分電荷的效果。

                    由標準正弦波功率驅動的三相電機具有均衡電荷。然而,PWM波形不是真正的正弦波。相反,電磁流量計使用脈沖直流電壓來產生仿真正弦波,其具有在轉子和定子之間建立差分電荷的效果。稱為共模電壓(CMV),必須通過軸接地和正確的系統安裝來減輕轉子和定子之間建立的差動電荷,以避免損壞軸承。

                    保護支持電磁流量計的電機
                    意識到這些挑戰,許多電機制造商已經創建了專門設計用于電磁流量計的產品線。這些電機包括專門設計的繞組和軸承保護,可減輕PWM波形對電機的某些影響。向電磁流量計的轉變導致增加了逆變器線作為整體馬力隨機繞線電機的標準功能。電動機設計和制造技術也經歷了變化,以適應電磁流量計應用,以及消除軸電流。

                    為了防止超過其額定電壓的電壓尖峰,逆變器負載電機設計用于電磁流量計,通常包括額定處理發生的電壓尖峰的逆變器負載絕緣系統。絕緣設計標準由美國國家電氣制造商協會(NEMA)監管,該協會規定了每種絕緣必須承受的最大峰值電壓,以及功率波形的最小上升時間。

                    根據NEMA MG1第31部分,額定電壓為600伏或更低的電磁流量計電機上的繞組必須至少保護額定電壓為3.1倍且上升時間大于或等于0.1μs的電壓尖峰。電壓額定值大于600伏的電動機必須至少保護電壓峰值不超過電動機額定電壓的2.04倍,上升時間大于或等于1μs。

                    為了防止CMV,這些電機上的軸承需要保護,提供低阻抗接地路徑,以減少任何電荷累積。這通常需要根據電機的本地代碼安裝軸接地裝置 - 外部或內部。

                    為了提供額外的保護,100多馬力的電機將其中一個軸承與電機軸隔離,以中斷循環電流,否則會為電機軸增加額外的能量。這通常通過用絕緣材料涂覆軸承座來實現,從而將軸與軸承隔離。如果電動機位于危險環境中,制造商可能會對兩個軸承進行絕緣,但更常見的是,它會使聯軸器絕緣。

                    找到問題的根源
                    雖然這些電機保護很有幫助,但它們并沒有解決PWM波形損壞的根本原因。事實上,制造商經常添加這些保護措施,因為他們無法預測這些組件的安裝位置,方式或時間。

                    在整體檢查系統時,請遵循制造商的指導原則,以提供正確尺寸的電線,過濾器和導管。請參閱手冊以了解電機和電磁流量計的正確接地要求。以下指南有助于實現成功的設計和安裝(有關任何其他信息,請參閱制造商手冊):

                    電磁流量計安裝:將電磁流量計連接到電機的電源線應屏蔽并額定用于電磁流量計。制造商應該能夠推薦適合系統電壓和電流限制的電纜。大多數電磁流量計經銷商都提供滿足這些要求的產品。
                    接地: 電磁流量計產生高頻噪聲。為減少噪音的破壞性影響,電機必須接地到驅動器。這需要編織類型的接地線,使電機與驅動器接地。至少,該導線應與單個電源導線的尺寸相同,并且位于電源導線管中。為了獲得最佳的緩解效果,安裝人員應考慮使用多根接地線。電磁流量計產生高頻噪聲。為減少噪音的破壞性影響,電機必須接地到驅動器。

                    導線選擇:電源線和接地線應安裝在金屬導管中,金屬導管應與電機和驅動器連接,不得隔離。建議不要使用PVC,塑料或其他絕緣材料將金屬導管連接到驅動器或電機接線盒。如果使用這些材料,則帶有電源線和接地電纜的金屬導管必須正確連接到接地電路。電磁流量計制造商可能能夠建議其他過濾選項以進一步降低風險。

                    對于現有系統,更難找到PWM的根本原因。盡管如此,通??梢酝ㄟ^系統附件減少其破壞性影響,例如:

                      負載電抗器:這些電感設備可以減緩快速上升時間并消除高峰值電壓。
                      電感式吸收器:使用這些電感器件可以減少一些有害的軸承電流。
                      dV / dt濾波器:這些濾波器限制電機的峰值電壓。
                      正弦濾波器:與dV / dt濾波器類似,這些濾波器包括與載波頻率匹配的調諧電子器件,以獲得最佳輸出波形。

                    結論
                    在整個系統在項目開始之前檢查PWM功率的影響時,可以充分利用將電磁流量計添加到泵系統中的好處。為了獲得最大的保護,有必要將這些組件設計和安裝為集成系統。了解電磁流量計系統的問題和操作要求將導致多年的成功運作。

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