In der Industrie werden über 60 % des Stroms durch asynchrone Elektroantriebe verbraucht – in Pumpen, Kompressoren, Lüftungsanlagen und anderen Anlagen. Dies ist der einfachste und damit günstigste und zuverlässigste Motortyp.
Der technologische Prozess verschiedener industrieller Produktionen erfordert flexible Änderungen der Drehzahl aller Aktuatoren. Dank der rasanten Entwicklung der Elektronik- und Computertechnologie sowie dem Wunsch, Stromverluste zu reduzieren, sind Geräte zur wirtschaftlichen Steuerung verschiedener Arten von Elektromotoren entstanden. In diesem Artikel sprechen wir darüber, wie man die effizienteste Steuerung eines Elektroantriebs gewährleistet. Arbeiten in einem Unternehmen (Unternehmensgruppe ) sehe ich, dass unsere Kunden immer mehr auf Energieeffizienz achten
Der Großteil der in Fertigungs- und Prozessanlagen verbrauchten elektrischen Energie wird für die Ausführung mechanischer Arbeiten verwendet. Zum Antrieb der Arbeitsteile verschiedener Produktions- und Technologiemechanismen werden überwiegend asynchrone Elektromotoren mit Käfigläufer eingesetzt (in Zukunft werden wir über diesen Elektromotortyp sprechen). Der Elektromotor selbst, sein Steuerungssystem und die mechanische Vorrichtung, die die Bewegung von der Motorwelle auf den Produktionsmechanismus überträgt, bilden ein elektrisches Antriebssystem.
Das Vorhandensein minimaler Stromverluste in den Wicklungen durch die Regulierung der Motordrehzahl, die Möglichkeit eines sanften Starts durch einen gleichmäßigen Anstieg von Frequenz und Spannung – das sind die Hauptpostulate einer effektiven Steuerung von Elektromotoren.
Schließlich gab und gibt es früher und heute solche Methoden der Motorsteuerung wie:
- rheostatische Frequenzsteuerung durch Einführung zusätzlicher aktiver Widerstände in den Motorwicklungskreisen, die nacheinander durch Schütze kurzgeschlossen werden;
- Spannungsänderung an den Statorklemmen, wobei die Frequenz dieser Spannung konstant und gleich der Frequenz des industriellen Wechselstromnetzes ist;
- Stufenregelung durch Änderung der Polpaarzahl der Statorwicklung.
Diese und andere Methoden der Frequenzregelung bringen jedoch den Hauptnachteil mit sich: erhebliche Verluste an elektrischer Energie, und die Stufenregelung ist per Definition keine ausreichend flexible Methode.
Sind Verluste unvermeidlich?
Lassen Sie uns näher auf die elektrischen Verluste eingehen, die in einem asynchronen Elektromotor auftreten.
Der Betrieb eines Elektroantriebs wird durch eine Reihe elektrischer und mechanischer Größen charakterisiert.
Zu den elektrischen Größen gehören:
- Netzspannung,
- Motorstrom,
- magnetischer Fluss,
- elektromotorische Kraft (EMF).
Die wichtigsten mechanischen Größen sind:
- Drehzahl n (U/min),
- Drehmoment M (N•m) des Motors,
- mechanische Leistung des Elektromotors P (W), bestimmt durch das Produkt aus Drehmoment und Drehzahl: P=(M•n)/(9,55).
Zur Bezeichnung der Geschwindigkeit der Rotationsbewegung wird neben der Rotationsfrequenz n eine weitere aus der Physik bekannte Größe verwendet – die Winkelgeschwindigkeit ω, die im Bogenmaß pro Sekunde (rad/s) ausgedrückt wird. Zwischen der Winkelgeschwindigkeit ω und der Rotationsfrequenz n besteht folgender Zusammenhang:
Unter Berücksichtigung dessen hat die Formel die Form:
Die Abhängigkeit des Motordrehmoments M von der Drehzahl seines Rotors n wird als mechanische Kennlinie des Elektromotors bezeichnet. Beachten Sie, dass beim Betrieb einer Asynchronmaschine mithilfe eines elektromagnetischen Feldes sogenannte elektromagnetische Leistung vom Stator über den Luftspalt auf den Rotor übertragen wird:
Ein Teil dieser Leistung wird gemäß Gleichung (2) in Form mechanischer Leistung auf die Rotorwelle übertragen, der Rest wird in Form von Verlusten in den Wirkwiderständen aller drei Phasen des Rotorkreises abgegeben.
Diese elektrischen Verluste sind gleich:
Somit werden elektrische Verluste durch das Quadrat des durch die Wicklungen fließenden Stroms bestimmt.
Sie werden maßgeblich durch die Belastung des Asynchronmotors bestimmt. Alle anderen Arten von Verlusten, mit Ausnahme der elektrischen, ändern sich mit der Belastung weniger stark.
Betrachten wir daher, wie sich die elektrischen Verluste eines Asynchronmotors ändern, wenn die Drehzahl gesteuert wird.
Elektrische Verluste direkt in der Rotorwicklung eines Elektromotors werden in Form von Wärme im Inneren der Maschine abgegeben und bestimmen so deren Erwärmung. Je größer die elektrischen Verluste im Rotorkreis sind, desto geringer ist natürlich der Wirkungsgrad des Motors und desto unwirtschaftlicher ist sein Betrieb.
Wenn man bedenkt, dass Statorverluste ungefähr proportional zu Rotorverlusten sind, ist der Wunsch, die elektrischen Verluste im Rotor zu reduzieren, umso verständlicher. Diese Art der Motordrehzahlregelung ist wirtschaftlich, da die elektrischen Verluste im Rotor relativ gering sind.
Aus der Analyse der Ausdrücke folgt, dass die wirtschaftlichste Art der Motorsteuerung eine nahezu synchrone Rotordrehzahl ist.
Antriebe mit variabler Frequenz
Anlagen wie Frequenzumrichter (VFDs), auch Frequenzumrichter (FCs) genannt). Mit diesen Einstellungen können Sie die Frequenz und Amplitude der dem Elektromotor zugeführten Drehspannung ändern, wodurch eine flexible Änderung der Betriebsarten der Steuermechanismen erreicht wird.
Hochspannungs-Frequenzumrichter
VFD-Design
Hier finden Sie eine kurze Beschreibung vorhandener Frequenzumrichter.
Strukturell besteht der Konverter aus funktional verwandten Blöcken: Eingangstransformatorblock (Transformatorschrank); einem mehrstufigen Wechselrichter (Wechselrichterschrank) und einem Steuer- und Schutzsystem mit einer Informationseingabe- und Anzeigeeinheit (Steuer- und Schutzschrank).
Der Eingangstransformatorschrank überträgt Energie von der dreiphasigen Stromversorgung an einen Eingangstransformator mit mehreren Wicklungen, der die reduzierte Spannung an einen mehrstufigen Wechselrichter verteilt.
Ein Multilevel-Wechselrichter besteht aus einheitlichen Zellen – Konvertern. Die Anzahl der Zellen wird durch das jeweilige Design und den Hersteller bestimmt. Jede Zelle ist mit einem Gleichrichter und einem Zwischenkreisfilter mit Brückenspannungswechselrichter unter Verwendung moderner IGBT-Transistoren (Insulated Gate Bipolar Transistor) ausgestattet. Der Eingangswechselstrom wird zunächst gleichgerichtet und dann mithilfe eines Halbleiterwechselrichters in Wechselstrom mit einstellbarer Frequenz und Spannung umgewandelt.
Die resultierenden Quellen kontrollierter Wechselspannung werden in Reihe zu Verbindungen geschaltet und bilden eine Spannungsphase. Der Aufbau eines dreiphasigen Ausgangsstromsystems für einen Asynchronmotor erfolgt durch Verbindungsglieder nach der „STAR“-Schaltung.
Das Schutzsteuerungssystem befindet sich im Steuer- und Schutzschrank und wird durch eine multifunktionale Mikroprozessoreinheit mit einem Stromversorgungssystem aus der eigenen Stromquelle des Umrichters, einem Informationseingabe-/-ausgabegerät und primären Sensoren für die elektrischen Betriebsarten des Umrichters repräsentiert.
Sparpotenzial: Gemeinsam zählen
Auf Basis der von Mitsubishi Electric bereitgestellten Daten bewerten wir das Energieeinsparpotenzial bei der Einführung von Frequenzumrichtern.
Sehen wir uns zunächst an, wie sich die Leistung in verschiedenen Motorsteuerungsmodi ändert:
Lassen Sie uns nun ein Beispiel für eine Berechnung geben.
Wirkungsgrad des Elektromotors: 96,5%;
Wirkungsgrad des Frequenzumrichters: 97%;
Ventilatorwellenleistung bei Nennvolumen: 1100 kW;
Lüftereigenschaften: H=1,4 p.u. при Q = 0;
Volle Arbeitszeit pro Jahr: 8000 Stunden.
Lüfterbetriebsarten gemäß Zeitplan:
Aus der Grafik erhalten wir folgende Daten:
100 % Luftverbrauch – 20 % der Betriebszeit pro Jahr;
70 % Luftverbrauch – 50 % der Betriebszeit pro Jahr;
50 % Luftverbrauch – 30 % Betriebszeit pro Jahr.
Die Einsparungen zwischen dem Betrieb bei Nennlast und dem Betrieb mit der Möglichkeit zur Steuerung der Motordrehzahl (Betrieb in Verbindung mit einem Frequenzumrichter) betragen:
7 kWh/Jahr - 446 kWh/Jahr = 400 kWh/Jahr
Berücksichtigen wir den Stromtarif von 1 kWh / 5,5 Rubel. Es ist erwähnenswert, dass die Kosten nach der ersten Preiskategorie und dem Durchschnittswert für eines der Industrieunternehmen des Primorje-Territoriums für 2019 berechnet werden.
Lassen Sie uns die Einsparungen in Geld ausdrücken:
3 kWh/Jahr*600 Rubel/kWh= 000 Rubel/Jahr
Die Praxis der Umsetzung solcher Projekte ermöglicht unter Berücksichtigung der Betriebs- und Reparaturkosten sowie der Kosten der Frequenzumrichter selbst eine Amortisationszeit von 3 Jahren.
Wie die Zahlen zeigen, besteht kein Zweifel an der wirtschaftlichen Machbarkeit der Einführung von VFDs. Die Wirkung ihrer Umsetzung beschränkt sich jedoch nicht nur auf die Wirtschaft. VFDs starten den Motor sanft und reduzieren so seinen Verschleiß erheblich, aber darüber werde ich das nächste Mal sprechen.
Source: habr.com