Най-икономичният начин за управление на двигатели е честотен преобразувател

В промишлеността над 60% от електроенергията се консумира от асинхронни електрозадвижвания - в помпени, компресорни, вентилационни и други инсталации. Това е най-простият и следователно най-евтиният и надежден тип двигател.

Технологичният процес на различни промишлени производства изисква гъвкави промени в скоростта на въртене на всички изпълнителни механизми. Благодарение на бързото развитие на електронните и компютърните технологии, както и на желанието да се намалят загубите на електроенергия, се появиха устройства за икономично управление на електродвигатели от различни видове. В тази статия ще говорим за това как да осигурим най-ефективното управление на електрическото задвижване. Работа във фирма "Първи инженер" (фирмена група ЛАНИТ), виждам, че нашите клиенти обръщат все повече внимание на енергийната ефективност

Повечето от електрическата енергия, консумирана от производствените и преработвателните предприятия, се използва за извършване на някакъв вид механична работа. За задвижване на работните органи на различни производствени и технологични механизми се използват предимно асинхронни електродвигатели с ротор с катерица (за в бъдеще ще говорим за този тип електродвигатели). Самият електродвигател, неговата система за управление и механичното устройство, което предава движението от вала на двигателя към производствения механизъм, образуват електрическа задвижваща система.

Наличието на минимални загуби на електроенергия в намотките поради регулиране на скоростта на въртене на двигателя, възможността за плавен старт поради равномерно увеличаване на честотата и напрежението - това са основните постулати за ефективно управление на електродвигателите.

В крайна сметка преди това имаше и все още съществуват такива методи за управление на двигателя като:

• реостатно регулиране на честотата чрез въвеждане на допълнителни активни съпротивления във веригите на намотките на двигателя, последователно късо съединени от контактори;
• промяна на напрежението на клемите на статора, докато честотата на това напрежение е постоянна и равна на честотата на промишлената променливотокова мрежа;
• стъпково регулиране чрез промяна на броя на двойките полюси на намотката на статора.

Но тези и други методи за регулиране на честотата носят със себе си основния недостатък - значителни загуби на електрическа енергия, а стъпаловидно регулиране по дефиниция не е достатъчно гъвкав метод.

Неизбежни ли са загубите?

Нека се спрем по-подробно на електрическите загуби, възникващи в асинхронен електродвигател.

Работата на електрическото задвижване се характеризира с редица електрически и механични величини.

Електрическите величини включват:

• мрежово напрежение,
• ток на двигателя,
• магнитен поток,
• електродвижеща сила (ЕМС).

Основните механични величини са:

• скорост на въртене n (rpm),
• въртящ момент M (N•m) на двигателя,
• механична мощност на електродвигателя P (W), определена от произведението на въртящия момент и скоростта на въртене: P=(M•n)/(9,55).

За означаване на скоростта на въртеливото движение наред с честотата на въртене n се използва и друга величина, известна от физиката - ъгловата скорост ω, която се изразява в радиани за секунда (rad/s). Съществува следната връзка между ъгловата скорост ω и честотата на въртене n:

като се има предвид, че формулата приема формата:

Зависимостта на въртящия момент на двигателя M от скоростта на въртене на неговия ротор n се нарича механична характеристика на електродвигателя. Имайте предвид, че когато работи асинхронна машина, така наречената електромагнитна мощност се предава от статора към ротора през въздушната междина с помощта на електромагнитно поле:

Част от тази мощност се предава на вала на ротора под формата на механична мощност съгласно израз (2), а останалата част се освобождава под формата на загуби в активните съпротивления на всичките три фази на роторната верига.

Тези загуби, наречени електрически, са равни на:

По този начин електрическите загуби се определят от квадрата на тока, преминаващ през намотките.

Те се определят до голяма степен от натоварването на асинхронния двигател. Всички други видове загуби, с изключение на електрическите, се променят по-малко значително с натоварване.

Затова нека разгледаме как се променят електрическите загуби на асинхронен двигател, когато скоростта на въртене се контролира.

Електрическите загуби директно в намотката на ротора на електродвигателя се отделят под формата на топлина вътре в машината и следователно определят нейното нагряване. Очевидно е, че колкото по-големи са електрическите загуби в роторната верига, толкова по-ниска е ефективността на двигателя, толкова по-икономична е неговата работа.

Като се има предвид, че загубите на статора са приблизително пропорционални на загубите на ротора, желанието да се намалят електрическите загуби в ротора е още по-разбираемо. Този метод за регулиране на оборотите на двигателя е икономичен, при който електрическите загуби в ротора са относително малки.

От анализа на изразите следва, че най-икономичният начин за управление на двигателите е при скорост на ротора, близка до синхронната.

Задвижвания с променлива честота

Инсталации като задвижвания с променлива честота (VFD), наричани също честотни преобразуватели (FC) . Тези настройки ви позволяват да променяте честотата и амплитудата на трифазното напрежение, подавано към електродвигателя, поради което се постига гъвкава промяна в режимите на работа на управляващите механизми.

Задвижване с променлива честота с високо напрежение

VFD дизайн

Ето кратко описание на съществуващите честотни преобразуватели.

Структурно преобразувателят се състои от функционално свързани блокове: входен трансформаторен блок (трансформаторен шкаф); многостепенен инвертор (инверторен шкаф) и система за управление и защита с блок за въвеждане и извеждане на информация (шкаф за управление и защита).

Входният трансформаторен шкаф предава енергия от трифазното захранване към многонамотков входен трансформатор, който разпределя намаленото напрежение към многостепенен инвертор.

Многостепенният инвертор се състои от унифицирани клетки - преобразуватели. Броят на клетките се определя от конкретния дизайн и производител. Всяка клетка е оборудвана с токоизправител и филтър за постоянен ток с мостов инвертор на напрежение, използващ модерни IGBT транзистори (биполярен транзистор с изолиран затвор). Входящият променлив ток първоначално се коригира и след това се преобразува в променлив ток с регулируема честота и напрежение с помощта на полупроводников инвертор.

Получените източници на контролирано променливо напрежение се свързват последователно в връзки, образувайки фаза на напрежение. Изграждането на трифазна изходна захранваща система за асинхронен двигател се осъществява чрез свързване на връзки по схемата "STAR".

Системата за управление на защитата е разположена в шкафа за управление и защита и е представена от многофункционален микропроцесорен блок със система за захранване от собствен източник на захранване на преобразувателя, устройство за вход / изход на информация и първични сензори за електрически режими на работа на преобразувателя.

Потенциал за спестяване: броене заедно

Въз основа на данните, предоставени от Mitsubishi Electric, ние ще оценим потенциала за спестяване на енергия при въвеждането на честотни преобразуватели.

Първо, нека видим как се променя мощността при различните режими на управление на двигателя:

Сега нека дадем пример за изчисление.

Ефективност на електромотора: 96,5%;
Ефективност на задвижването с променлива честота: 97%;
Мощност на вала на вентилатора при номинален обем: 1100 kW;
Характеристики на вентилатора: H=1,4 p.u. в Q=0;
Пълно работно време на година: 8000 ч.
 
Режими на работа на вентилатора по график:

От графиката получаваме следните данни:

100% разход на въздух – 20% от работното време на година;
70% разход на въздух – 50% от работното време на година;
50% консумация на въздух – 30% работно време на година.

 
Спестяванията между работа при номинален товар и работа с възможност за управление на скоростта на двигателя (работа във връзка с VFD) са равни на:

7 446 400 kWh/година - 3 846 400 kWh/година= 3 600 000 kWh/година

Нека вземем предвид тарифата за електроенергия, равна на 1 kWh / 5,5 рубли. Струва си да се отбележи, че цената е взета според първата ценова категория и средната стойност за едно от промишлените предприятия на Приморския край за 2019 г.

Нека получим спестяванията в парично изражение:

3 600 000 kWh/година*5,5 rub/kWh= 19 800 000 rub/година

Практиката за реализиране на такива проекти позволява, като се вземат предвид разходите за експлоатация и ремонт, както и цената на самите честотни преобразуватели, да се постигне период на изплащане от 3 години.

Както показват цифрите, няма съмнение относно икономическата осъществимост на въвеждането на VFD. Ефектът от прилагането им обаче не се ограничава само до икономиката. VFD плавно стартират двигателя, като значително намаляват износването му, но ще говоря за това следващия път.

Източник: www.habr.com