في الصناعة، يتم استهلاك أكثر من 60% من الكهرباء عن طريق المحركات الكهربائية غير المتزامنة - في الضخ والضاغط والتهوية وغيرها من المنشآت. هذا هو أبسط أنواع المحركات وبالتالي أرخصها وأكثرها موثوقية.
تتطلب العملية التكنولوجية لمختلف المنتجات الصناعية تغييرات مرنة في سرعة دوران أي مشغلات. بفضل التطور السريع في التكنولوجيا الإلكترونية والكمبيوتر، وكذلك الرغبة في تقليل فاقد الكهرباء، ظهرت أجهزة للتحكم الاقتصادي في المحركات الكهربائية بمختلف أنواعها. سنتحدث في هذه المقالة عن كيفية ضمان التحكم الأكثر كفاءة في المحرك الكهربائي. العمل في شركة (مجموعة شركة )، أرى أن عملائنا يولون المزيد والمزيد من الاهتمام لكفاءة الطاقة
يتم استخدام معظم الطاقة الكهربائية التي تستهلكها مصانع التصنيع والمعالجة لأداء نوع من الأعمال الميكانيكية. لقيادة أجزاء العمل لمختلف آليات الإنتاج والتكنولوجية، يتم استخدام المحركات الكهربائية غير المتزامنة ذات الدوار ذو القفص السنجابي في الغالب (في المستقبل سنتحدث عن هذا النوع من المحركات الكهربائية). المحرك الكهربائي نفسه ونظام التحكم الخاص به والجهاز الميكانيكي الذي ينقل الحركة من عمود المحرك إلى آلية الإنتاج يشكلون نظام قيادة كهربائي.
إن وجود الحد الأدنى من فقدان الكهرباء في اللفات بسبب تنظيم سرعة دوران المحرك، وإمكانية التشغيل السلس بسبب الزيادة المنتظمة في التردد والجهد - هذه هي الافتراضات الرئيسية للتحكم الفعال في المحركات الكهربائية.
بعد كل شيء، في السابق كانت هناك طرق للتحكم في المحرك ولا تزال موجودة مثل:
- التحكم في التردد المتغير عن طريق إدخال مقاومات نشطة إضافية في دوائر لف المحرك، والتي يتم قصر الدائرة بشكل تسلسلي بواسطة الموصلات؛
- التغير في الجهد عند أطراف الجزء الثابت، في حين أن تردد هذا الجهد ثابت ويساوي تردد شبكة التيار المتردد الصناعية؛
- تنظيم الخطوة عن طريق تغيير عدد أزواج القطب من لف الجزء الثابت.
لكن هذه الطرق وغيرها من طرق تنظيم التردد تحمل في طياتها العيب الرئيسي - وهو خسائر كبيرة في الطاقة الكهربائية، كما أن تنظيم الخطوات، بحكم تعريفه، ليس طريقة مرنة بدرجة كافية.
هل الخسائر حتمية؟
دعونا نتناول المزيد من التفاصيل حول الخسائر الكهربائية التي تحدث في محرك كهربائي غير متزامن.
يتميز تشغيل المحرك الكهربائي بعدد من الكميات الكهربائية والميكانيكية.
الكميات الكهربائية تشمل:
- أنابيب الجهد،
- السيارات الحالية،
- الفيض المغناطيسي،
- القوة الدافعة الكهربائية (EMF).
الكميات الميكانيكية الرئيسية هي:
- سرعة الدوران ن (دورة في الدقيقة)،
- عزم الدوران M (N•m) للمحرك،
- القدرة الميكانيكية للمحرك الكهربائي P (W) محددة بمنتج عزم الدوران وسرعة الدوران: P=(M•n)/(9,55).
للإشارة إلى سرعة الحركة الدورانية، إلى جانب تردد الدوران n، يتم استخدام كمية أخرى معروفة من الفيزياء - السرعة الزاوية ω، والتي يتم التعبير عنها بالراديان في الثانية (rad/s). هناك العلاقة التالية بين السرعة الزاوية ω وتردد الدوران n:
مع الأخذ في الاعتبار أن الصيغة تأخذ الشكل:
يُطلق على اعتماد عزم دوران المحرك M على سرعة دوران الدوار n الخاصية الميكانيكية للمحرك الكهربائي. لاحظ أنه عندما تعمل آلة غير متزامنة، فإن ما يسمى بالطاقة الكهرومغناطيسية تنتقل من الجزء الثابت إلى العضو الدوار عبر فجوة الهواء باستخدام مجال كهرومغناطيسي:
يتم نقل جزء من هذه الطاقة إلى عمود الدوار على شكل قوة ميكانيكية حسب التعبير (2)، ويتم تحرير الباقي على شكل فقد في المقاومات النشطة لجميع المراحل الثلاث لدائرة الدوار.
هذه الخسائر، والتي تسمى الكهربائية، تساوي:
وبالتالي، يتم تحديد الخسائر الكهربائية من خلال مربع التيار الذي يمر عبر اللفات.
يتم تحديدها إلى حد كبير من خلال حمل المحرك غير المتزامن. جميع أنواع الخسائر الأخرى، باستثناء الكهربائية، تتغير بشكل أقل مع الحمل.
لذلك، دعونا نفكر في كيفية تغير الخسائر الكهربائية للمحرك غير المتزامن عند التحكم في سرعة الدوران.
يتم إطلاق الخسائر الكهربائية مباشرة في الملف الدوار للمحرك الكهربائي على شكل حرارة داخل الآلة وبالتالي تحديد تسخينها. من الواضح أنه كلما زادت الخسائر الكهربائية في الدائرة الدوارة، انخفضت كفاءة المحرك، وأصبح تشغيله أقل اقتصادا.
وبالنظر إلى أن خسائر الجزء الثابت تتناسب تقريبًا مع خسائر الجزء المتحرك، فإن الرغبة في تقليل الخسائر الكهربائية في الجزء المتحرك تكون أكثر قابلية للفهم. تعتبر هذه الطريقة في تنظيم سرعة المحرك اقتصادية، حيث تكون الخسائر الكهربائية في الدوار صغيرة نسبيًا.
ويترتب على تحليل التعبيرات أن الطريقة الأكثر اقتصادا للتحكم في المحركات هي سرعة الدوار القريبة من المتزامن.
محركات التردد المتغير
عمليات التثبيت مثل محركات الأقراص ذات التردد المتغير (VFDs)، والتي تسمى أيضًا محولات التردد (FCs) ). تتيح لك هذه الإعدادات تغيير تردد وسعة الجهد ثلاثي الطور المزود للمحرك الكهربائي، مما يؤدي إلى تحقيق تغيير مرن في أوضاع تشغيل آليات التحكم.
محرك التردد المتغير عالي الجهد
تصميم VFD
فيما يلي وصف موجز لمحولات التردد الموجودة.
من الناحية الهيكلية، يتكون المحول من كتل مرتبطة وظيفيًا: كتلة محول الإدخال (خزانة المحولات)؛ عاكس متعدد المستويات (كابينة العاكس) ونظام تحكم وحماية مع وحدة إدخال وعرض المعلومات (كابينة التحكم والحماية).
تقوم خزانة محول الإدخال بنقل الطاقة من مصدر الطاقة ثلاثي الطور إلى محول إدخال متعدد اللفات، والذي يوزع الجهد المنخفض إلى عاكس متعدد المستويات.
يتكون العاكس متعدد المستويات من خلايا موحدة - محولات. يتم تحديد عدد الخلايا حسب التصميم والشركة المصنعة المحددة. تم تجهيز كل خلية بمقوم ومرشح وصلة DC مع عاكس جهد الجسر باستخدام ترانزستورات IGBT الحديثة (ترانزستور ثنائي القطب ذو بوابة معزولة). يتم تصحيح تيار التيار المتردد المدخل في البداية ومن ثم تحويله إلى تيار متردد مع تردد وجهد قابلين للتعديل باستخدام عاكس الحالة الصلبة.
يتم توصيل المصادر الناتجة للجهد المتناوب المتحكم به في سلسلة إلى روابط، مما يشكل مرحلة الجهد. يتم بناء نظام طاقة خرج ثلاثي الطور لمحرك غير متزامن عن طريق توصيل الروابط وفقًا لدائرة "STAR".
يقع نظام التحكم في الحماية في خزانة التحكم والحماية ويمثله وحدة معالج دقيق متعددة الوظائف مع نظام إمداد الطاقة من مصدر الطاقة الخاص بالمحول، وجهاز إدخال / إخراج المعلومات وأجهزة الاستشعار الأساسية لأوضاع التشغيل الكهربائية للمحول.
إمكانية الادخار: العد معًا
استنادًا إلى البيانات المقدمة من شركة Mitsubishi Electric، سنقوم بتقييم إمكانية توفير الطاقة عند إدخال محولات التردد.
أولاً، دعونا نرى كيف تتغير الطاقة في ظل أوضاع التحكم المختلفة في المحرك:
الآن دعونا نعطي مثالا على الحساب.
كفاءة المحرك الكهربائي: 96,5%;
كفاءة محرك التردد المتغير: 97%;
قوة عمود المروحة بالحجم الاسمي: 1100 كيلو واط;
خصائص المروحة: ح = 1,4 ص. في Q = 0;
وقت العمل الكامل في السنة: ساعات 8000.
أوضاع تشغيل المروحة حسب الجدول الزمني:
من الرسم البياني نحصل على البيانات التالية:
استهلاك الهواء بنسبة 100% - 20% من وقت التشغيل سنويًا؛
استهلاك الهواء بنسبة 70% - 50% من وقت التشغيل سنويًا؛
استهلاك الهواء بنسبة 50% – مدة التشغيل 30% في السنة.
التوفير بين التشغيل عند الحمل المقدر والتشغيل مع القدرة على التحكم في سرعة المحرك (التشغيل بالتزامن مع VFD) يساوي:
7 كيلووات ساعة/سنة - 446 كيلووات ساعة/سنة= 400 كيلووات ساعة/سنة
لنأخذ في الاعتبار تعريفة الكهرباء التي تساوي 1 كيلووات في الساعة / 5,5 روبل. تجدر الإشارة إلى أن التكلفة يتم أخذها وفقًا لفئة السعر الأولى ومتوسط القيمة لإحدى المؤسسات الصناعية في إقليم بريمورسكي لعام 2019.
دعونا نحصل على المدخرات من الناحية النقدية:
3 كيلووات ساعة/سنة*600 فرك/كيلووات ساعة= 000 فرك/سنة
تسمح ممارسة تنفيذ مثل هذه المشاريع، مع الأخذ في الاعتبار تكاليف التشغيل والإصلاحات، وكذلك تكلفة محولات التردد نفسها، بتحقيق فترة استرداد مدتها 3 سنوات.
وكما تظهر الأرقام، ليس هناك شك في الجدوى الاقتصادية لإدخال VFDs. ومع ذلك، فإن تأثير تنفيذها لا يقتصر على الاقتصاد وحده. تعمل محركات VFD على تشغيل المحرك بسلاسة، مما يقلل بشكل كبير من تآكله، لكنني سأتحدث عن هذا في المرة القادمة.
المصدر: www.habr.com