V průmyslu je přes 60 % elektřiny spotřebováno asynchronními elektrickými pohony – v čerpacích, kompresorových, ventilačních a dalších instalacích. Jedná se o nejjednodušší, a tedy nejlevnější a nejspolehlivější typ motoru.
Technologický proces různých průmyslových výrob vyžaduje flexibilní změny rychlosti otáčení libovolných pohonů. Díky rychlému rozvoji elektronické a výpočetní techniky a také touze snižovat ztráty elektřiny se objevila zařízení pro hospodárné řízení elektromotorů různých typů. V tomto článku si povíme, jak zajistit co nejefektivnější ovládání elektrického pohonu. Práce ve firmě (skupina společnosti ), Vidím, že naši zákazníci věnují stále větší pozornost energetické účinnosti
Většina elektrické energie spotřebované výrobními a zpracovatelskými závody se spotřebuje k provedení nějakého druhu mechanické práce. K pohonu pracovních částí různých výrobních a technologických mechanismů se používají převážně asynchronní elektromotory s rotorem nakrátko (o tomto typu elektromotoru bude řeč v budoucnu). Samotný elektromotor, jeho řídicí systém a mechanické zařízení, které přenáší pohyb z hřídele motoru na výrobní mechanismus, tvoří elektrický pohonný systém.
Přítomnost minimálních ztrát elektřiny ve vinutích díky regulaci rychlosti otáčení motoru, možnost plynulého rozběhu díky rovnoměrnému nárůstu frekvence a napětí - to jsou hlavní postuláty efektivního řízení elektromotorů.
Koneckonců dříve existovaly a stále existují takové způsoby řízení motoru jako:
- reostatická regulace frekvence zavedením dalších aktivních odporů do obvodů vinutí motoru, postupně zkratovaných stykači;
- změna napětí na svorkách statoru, přičemž frekvence takového napětí je konstantní a rovná se frekvenci průmyslové AC sítě;
- stupňová regulace změnou počtu pólových párů statorového vinutí.
Tyto a další způsoby frekvenční regulace s sebou ale nesou hlavní nevýhodu – značné ztráty elektrické energie a skoková regulace ze své podstaty není dostatečně flexibilní metodou.
Jsou ztráty nevyhnutelné?
Zastavme se podrobněji u elektrických ztrát, ke kterým dochází v asynchronním elektromotoru.
Provoz elektrického pohonu je charakterizován řadou elektrických a mechanických veličin.
Elektrické veličiny zahrnují:
- síťové napětí,
- proud motoru,
- magnetický tok,
- elektromotorická síla (EMF).
Hlavní mechanické veličiny jsou:
- rychlost otáčení n (ot./min),
- točivý moment M (N•m) motoru,
- mechanický výkon elektromotoru P (W), určený součinem momentu a otáček: P=(M•n)/(9,55).
K označení rychlosti rotačního pohybu se spolu s frekvencí rotace n používá další veličina známá z fyziky - úhlová rychlost ω, která se vyjadřuje v radiánech za sekundu (rad/s). Mezi úhlovou rychlostí ω a frekvencí otáčení n existuje následující vztah:
s ohledem na to, který vzorec má tvar:
Závislost točivého momentu motoru M na otáčkách jeho rotoru n se nazývá mechanická charakteristika elektromotoru. Všimněte si, že při provozu asynchronního stroje se takzvaná elektromagnetická energie přenáší ze statoru na rotor vzduchovou mezerou pomocí elektromagnetického pole:
Část tohoto výkonu se přenáší na hřídel rotoru ve formě mechanického výkonu podle výrazu (2) a zbytek se uvolňuje ve formě ztrát v aktivních odporech všech tří fází obvodu rotoru.
Tyto ztráty, nazývané elektrické, se rovnají:
Elektrické ztráty jsou tedy určeny druhou mocninou proudu procházejícího vinutím.
Jsou do značné míry určeny zatížením asynchronního motoru. Všechny ostatní typy ztrát, kromě elektrických, se se zatížením mění méně výrazně.
Uvažujme proto, jak se mění elektrické ztráty asynchronního motoru, když je řízena rychlost otáčení.
Elektrické ztráty přímo ve vinutí rotoru elektromotoru se uvolňují ve formě tepla uvnitř stroje a určují tak jeho ohřev. Je zřejmé, že čím větší jsou elektrické ztráty v obvodu rotoru, tím nižší je účinnost motoru, tím méně ekonomický je jeho provoz.
Vzhledem k tomu, že ztráty statoru jsou přibližně úměrné ztrátám rotoru, je potřeba snížit elektrické ztráty v rotoru ještě pochopitelnější. Tento způsob regulace otáček motoru je ekonomický, při kterém jsou elektrické ztráty v rotoru relativně malé.
Z analýzy výrazů vyplývá, že nejekonomičtější způsob řízení motorů je při otáčkách rotoru blízkých synchronním.
Měniče s proměnnou frekvencí
Instalace, jako jsou frekvenční měniče (VFD), také nazývané frekvenční měniče (FC) ). Tato nastavení umožňují měnit frekvenci a amplitudu třífázového napětí dodávaného do elektromotoru, díky čemuž je dosaženo flexibilní změny provozních režimů ovládacích mechanismů.
Vysokonapěťový měnič kmitočtu
VFD design
Zde je stručný popis stávajících frekvenčních měničů.
Konstrukčně se převodník skládá z funkčně příbuzných bloků: vstupní transformátorový blok (skříň transformátoru); víceúrovňový střídač (střídačová skříň) a řídicí a ochranný systém s informační vstupní a zobrazovací jednotkou (řídicí a ochranná skříň).
Vstupní transformátorová skříň přenáší energii z třífázového napájení do vícevinutého vstupního transformátoru, který redukované napětí distribuuje do víceúrovňového měniče.
Víceúrovňový střídač se skládá z unifikovaných článků - měničů. Počet článků je dán konkrétní konstrukcí a výrobcem. Každý článek je vybaven usměrňovačem a meziobvodovým filtrem s můstkovým napěťovým střídačem využívajícím moderní IGBT tranzistory (izolovaný hradlový bipolární tranzistor). Vstupní střídavý proud je nejprve usměrněn a poté pomocí polovodičového invertoru přeměněn na střídavý proud s nastavitelnou frekvencí a napětím.
Výsledné zdroje řízeného střídavého napětí jsou zapojeny do série do článků tvořících napěťovou fázi. Konstrukce třífázového výstupního napájecího systému pro asynchronní motor se provádí propojovacími články podle obvodu „STAR“.
Řídicí systém ochrany je umístěn v řídicí a ochranné skříni a je reprezentován multifunkční mikroprocesorovou jednotkou se systémem napájení z vlastního zdroje energie převodníku, informačním vstupně/výstupním zařízením a primárními snímači elektrických provozních režimů převodníku.
Potenciál úspor: počítání dohromady
Na základě údajů poskytnutých Mitsubishi Electric vyhodnotíme potenciál úspory energie při zavádění frekvenčních měničů.
Nejprve se podívejme, jak se výkon mění v různých režimech řízení motoru:
Nyní uveďme příklad výpočtu.
Účinnost elektromotoru: 96,5%;
Účinnost měniče frekvence: 97%;
Výkon hřídele ventilátoru při jmenovitém objemu: 1100 kW;
Vlastnosti ventilátoru: H = 1,4 p.u. na Q = 0;
Plná pracovní doba za rok: 8000 h.
Provozní režimy ventilátoru podle plánu:
Z grafu získáme následující údaje:
100% spotřeba vzduchu – 20% provozní doby za rok;
70% spotřeba vzduchu – 50% provozní doby za rok;
50 % spotřeba vzduchu – 30 % provozní doby za rok.
Úspory mezi provozem při jmenovité zátěži a provozem s možností řídit otáčky motoru (provoz ve spojení s VFD) jsou rovné:
7 446 400 kWh/rok – 3 846 400 kWh/rok= 3 600 000 kWh/rok
Vezměme v úvahu tarif elektřiny rovnající se 1 kWh / 5,5 rublů. Stojí za zmínku, že náklady se berou podle první cenové kategorie a průměrné hodnoty pro jeden z průmyslových podniků na Primorském území za rok 2019.
Pojďme získat úspory v peněžním vyjádření:
3 600 000 kWh/rok*5,5 rublů/kWh= 19 800 000 rublů/rok
Praxe realizace takových projektů umožňuje, s přihlédnutím k nákladům na provoz a opravy, jakož i k nákladům na samotné frekvenční měniče, dosáhnout doby návratnosti 3 roky.
Jak ukazují čísla, není pochyb o ekonomické proveditelnosti zavedení VFD. Efekt jejich implementace však není omezen pouze na ekonomiku. VFD plynule nastartují motor a výrazně snižují jeho opotřebení, ale o tom budu mluvit příště.
Zdroj: www.habr.com