U industriji preko 60% električne energije troše asinhroni električni pogoni - u pumpnim, kompresorskim, ventilacijskim i drugim instalacijama. Ovo je najjednostavniji, a time i najjeftiniji i najpouzdaniji tip motora.
Tehnološki proces različitih industrijskih proizvodnje zahtijeva fleksibilne promjene brzine rotacije bilo kojeg aktuatora. Zahvaljujući brzom razvoju elektronske i kompjuterske tehnologije, kao i želji da se smanje gubici električne energije, pojavili su se uređaji za ekonomično upravljanje elektromotorima različitih tipova. U ovom članku ćemo govoriti o tome kako osigurati najefikasnije upravljanje električnim pogonom. Rad u kompaniji (grupa kompanija ), vidim da naši kupci sve više obraćaju pažnju na energetsku efikasnost
Većina električne energije koju troše proizvodna i procesna postrojenja koristi se za obavljanje neke vrste mehaničkog rada. Za pogon radnih dijelova različitih proizvodnih i tehnoloških mehanizama pretežno se koriste asinhroni elektromotori s kaveznim rotorom (u budućnosti ćemo govoriti o ovoj vrsti elektromotora). Sam elektromotor, njegov upravljački sistem i mehanički uređaj koji prenosi kretanje od osovine motora do proizvodnog mehanizma čine električni pogonski sistem.
Prisutnost minimalnih gubitaka električne energije u namotajima zbog regulacije brzine rotacije motora, mogućnost glatkog pokretanja zbog ravnomjernog povećanja frekvencije i napona - to su glavni postulati efektivne kontrole elektromotora.
Uostalom, ranije su postojale i još postoje takve metode kontrole motora kao što su:
- reostatska kontrola frekvencije uvođenjem dodatnih aktivnih otpora u krugovima namotaja motora, uzastopno kratko spojenih kontaktorima;
- promjena napona na stezaljkama statora, pri čemu je frekvencija tog napona konstantna i jednaka frekvenciji industrijske mreže naizmjenične struje;
- korak regulacije promjenom broja parova polova namotaja statora.
Ali ove i druge metode regulacije frekvencije nose sa sobom glavni nedostatak - značajne gubitke električne energije, a regulacija koraka, po definiciji, nije dovoljno fleksibilna metoda.
Jesu li gubici neizbježni?
Zaustavimo se detaljnije na električnim gubicima koji nastaju u asinkronom elektromotoru.
Rad električnog pogona karakterizira niz električnih i mehaničkih veličina.
Električne veličine uključuju:
- mrežni napon,
- struja motora,
- magnetni tok,
- elektromotorna sila (EMF).
Glavne mehaničke veličine su:
- brzina rotacije n (rpm),
- obrtni moment M (N•m) motora,
- mehanička snaga elektromotora P (W), određena proizvodom obrtnog momenta i brzine rotacije: P=(M•n)/(9,55).
Za označavanje brzine rotacionog kretanja, uz frekvenciju rotacije n, koristi se još jedna veličina poznata iz fizike - ugaona brzina ω, koja se izražava u radijanima po sekundi (rad/s). Postoji sljedeći odnos između ugaone brzine ω i frekvencije rotacije n:
uzimajući u obzir koji formula ima oblik:
Ovisnost momenta motora M o brzini rotacije njegovog rotora n naziva se mehanička karakteristika elektromotora. Imajte na umu da kada radi asinhrona mašina, takozvana elektromagnetna snaga se prenosi sa statora na rotor kroz zračni raspor pomoću elektromagnetnog polja:
Dio te snage prenosi se na osovinu rotora u obliku mehaničke snage prema izrazu (2), a ostatak se oslobađa u obliku gubitaka u aktivnim otporima sve tri faze kruga rotora.
Ovi gubici, koji se nazivaju električni, jednaki su:
Dakle, električni gubici su određeni kvadratom struje koja prolazi kroz namotaje.
One su u velikoj mjeri određene opterećenjem asinhronog motora. Sve ostale vrste gubitaka, osim električnih, manje se značajno mijenjaju s opterećenjem.
Stoga, razmotrimo kako se mijenjaju električni gubici asinhronog motora kada se kontrolira brzina rotacije.
Električni gubici direktno u namotu rotora elektromotora oslobađaju se u obliku topline unutar stroja i stoga određuju njegovo zagrijavanje. Očigledno, što su veći električni gubici u krugu rotora, što je niža efikasnost motora, to je manje ekonomičan njegov rad.
S obzirom da su gubici statora približno proporcionalni gubicima rotora, želja za smanjenjem električnih gubitaka u rotoru je još razumljivija. Taj način regulacije broja obrtaja motora je ekonomičan, pri čemu su električni gubici u rotoru relativno mali.
Iz analize izraza proizilazi da je najekonomičniji način upravljanja motorima pri brzini rotora bliskoj sinkronoj.
Pogoni s promjenjivom frekvencijom
Instalacije kao što su frekventni pretvarači (VFD), koji se nazivaju i frekventni pretvarači (FC)). Ova podešavanja vam omogućavaju da promijenite frekvenciju i amplitudu trofaznog napona koji se dovodi do elektromotora, zbog čega se postiže fleksibilna promjena načina rada upravljačkih mehanizama.
Visokonaponski frekventni pretvarač
VFD dizajn
Evo kratkog opisa postojećih frekventnih pretvarača.
Strukturno, pretvarač se sastoji od funkcionalno povezanih blokova: ulazni transformatorski blok (transformatorski orman); višeslojni pretvarač (inverterski orman) i sistem upravljanja i zaštite sa jedinicom za unos i prikaz informacija (upravljački i zaštitni ormar).
Ulazni transformatorski ormar prenosi energiju iz trofaznog napajanja na ulazni transformator s više namotaja, koji sniženi napon distribuira na višerazinski pretvarač.
Višerazinski pretvarač se sastoji od objedinjenih ćelija - pretvarača. Broj ćelija određen je specifičnim dizajnom i proizvođačem. Svaka ćelija je opremljena ispravljačem i DC link filterom sa invertorom napona mosta koji koristi moderne IGBT tranzistore (bipolarni tranzistor sa izolovanim vratima). Ulazna izmjenična struja se u početku ispravlja, a zatim pretvara u naizmjeničnu struju s podesivom frekvencijom i naponom pomoću poluprovodničkog pretvarača.
Rezultirajući izvori kontroliranog naizmjeničnog napona serijski su povezani u veze, formirajući fazu napona. Konstrukcija trofaznog izlaznog elektroenergetskog sistema za asinhroni motor izvodi se povezivanjem karika prema "STAR" kolu.
Sistem upravljanja zaštitom nalazi se u upravljačko-zaštitnom ormaru i predstavljen je multifunkcionalnom mikroprocesorskom jedinicom sa sistemom napajanja iz vlastitog izvora napajanja pretvarača, uređajem za unos/izlaz informacija i primarnim senzorima električnih režima rada pretvarača.
Potencijal uštede: računamo zajedno
Na osnovu podataka koje je dostavio Mitsubishi Electric, procijenićemo potencijal za uštedu energije prilikom uvođenja frekventnih pretvarača.
Prvo, da vidimo kako se snaga mijenja pod različitim načinima upravljanja motorom:
Sada dajemo primjer proračuna.
Efikasnost elektromotora: 96,5%;
Efikasnost pogona sa varijabilnom frekvencijom: 97%;
Snaga osovine ventilatora pri nominalnoj zapremini: 1100 kW;
Karakteristike ventilatora: H=1,4 p.u. at Q=0;
Puno radno vreme godišnje: 8000 h.
Režimi rada ventilatora prema rasporedu:
Iz grafikona dobijamo sljedeće podatke:
100% potrošnja vazduha – 20% radnog vremena godišnje;
70% potrošnja vazduha – 50% radnog vremena godišnje;
50% potrošnje vazduha – 30% radnog vremena godišnje.
Uštede između rada pri nazivnom opterećenju i rada s mogućnošću kontrole brzine motora (rad u kombinaciji s VFD) jednake su:
7 kWh/god. - 446 kWh/god.= 400 kWh/god.
Uzmimo u obzir tarifu električne energije jednaku 1 kWh / 5,5 rubalja. Vrijedi napomenuti da se trošak uzima prema prvoj kategoriji cijena i prosječnoj vrijednosti za jedno od industrijskih poduzeća Primorskog teritorija za 2019.
Izračunajmo uštedu u novčanom smislu:
3 kWh/godina*600 rub/kWh= 000 rub/god
Praksa implementacije ovakvih projekata omogućava, uzimajući u obzir troškove rada i popravaka, kao i troškove samih frekventnih pretvarača, da se postigne period povrata od 3 godine.
Kao što brojke pokazuju, nema sumnje u ekonomsku izvodljivost uvođenja VFD-a. Međutim, efekat njihove implementacije nije ograničen samo na ekonomiju. VFD-i glatko pokreću motor, značajno smanjujući njegovo trošenje, ali o tome ću sljedeći put.
izvor: www.habr.com