Στη βιομηχανία, πάνω από το 60% της ηλεκτρικής ενέργειας καταναλώνεται από ασύγχρονους ηλεκτρικούς κινητήρες - σε άντληση, συμπιεστή, εξαερισμό και άλλες εγκαταστάσεις. Αυτός είναι ο απλούστερος, και επομένως ο φθηνότερος και πιο αξιόπιστος τύπος κινητήρα.
Η τεχνολογική διαδικασία διαφόρων βιομηχανικών παραγωγών απαιτεί ευέλικτες αλλαγές στην ταχύτητα περιστροφής οποιωνδήποτε ενεργοποιητών. Χάρη στην ταχεία ανάπτυξη της ηλεκτρονικής και της τεχνολογίας υπολογιστών, καθώς και στην επιθυμία μείωσης των απωλειών ηλεκτρικής ενέργειας, έχουν εμφανιστεί συσκευές για οικονομικό έλεγχο ηλεκτροκινητήρων διαφόρων τύπων. Σε αυτό το άρθρο θα μιλήσουμε για το πώς να εξασφαλίσετε τον πιο αποτελεσματικό έλεγχο μιας ηλεκτρικής κίνησης. Εργασία σε εταιρεία (ομάδα εταιρείας ), я вижу, что наши заказчики всё больше внимания уделяют энергоэффективности
Το μεγαλύτερο μέρος της ηλεκτρικής ενέργειας που καταναλώνεται από τις εγκαταστάσεις παραγωγής και επεξεργασίας χρησιμοποιείται για την εκτέλεση κάποιου είδους μηχανικής εργασίας. Για την οδήγηση των τμημάτων εργασίας διαφόρων παραγωγικών και τεχνολογικών μηχανισμών, χρησιμοποιούνται κυρίως ασύγχρονοι ηλεκτρικοί κινητήρες με ρότορα κλωβού σκίουρου (στο μέλλον θα μιλήσουμε για αυτόν τον τύπο ηλεκτροκινητήρα). Ο ίδιος ο ηλεκτροκινητήρας, το σύστημα ελέγχου του και η μηχανική συσκευή που μεταδίδει την κίνηση από τον άξονα του κινητήρα στον μηχανισμό παραγωγής σχηματίζουν ένα σύστημα ηλεκτρικής κίνησης.
Η παρουσία ελάχιστων απωλειών ηλεκτρικής ενέργειας στις περιελίξεις λόγω ρύθμισης της ταχύτητας περιστροφής του κινητήρα, η δυνατότητα ομαλής εκκίνησης λόγω ομοιόμορφης αύξησης της συχνότητας και της τάσης - αυτά είναι τα κύρια αξιώματα του αποτελεσματικού ελέγχου των ηλεκτρικών κινητήρων.
Εξάλλου, προηγουμένως υπήρχαν και εξακολουθούν να υπάρχουν τέτοιες μέθοδοι ελέγχου κινητήρα όπως:
- Ρεοστατικός έλεγχος συχνότητας με την εισαγωγή πρόσθετων ενεργών αντιστάσεων στα κυκλώματα περιέλιξης του κινητήρα, που βραχυκυκλώνονται διαδοχικά από επαφές.
- αλλαγή της τάσης στους ακροδέκτες του στάτη, ενώ η συχνότητα αυτής της τάσης είναι σταθερή και ίση με τη συχνότητα του βιομηχανικού δικτύου AC.
- ρύθμιση βήματος αλλάζοντας τον αριθμό των ζευγών πόλων της περιέλιξης του στάτη.
Αλλά αυτές και άλλες μέθοδοι ρύθμισης συχνότητας έχουν μαζί τους το κύριο μειονέκτημα - σημαντικές απώλειες ηλεκτρικής ενέργειας και η ρύθμιση βημάτων, εξ ορισμού, δεν είναι μια αρκετά ευέλικτη μέθοδος.
Είναι αναπόφευκτες οι απώλειες;
Ας σταθούμε λεπτομερέστερα στις ηλεκτρικές απώλειες που συμβαίνουν σε έναν ασύγχρονο ηλεκτροκινητήρα.
Η λειτουργία μιας ηλεκτρικής κίνησης χαρακτηρίζεται από έναν αριθμό ηλεκτρικών και μηχανικών μεγεθών.
Οι ηλεκτρικές ποσότητες περιλαμβάνουν:
- τάση δικτύου,
- ρεύμα κινητήρα,
- μαγνητική ροή,
- ηλεκτροκινητική δύναμη (EMF).
Οι κύριες μηχανικές ποσότητες είναι:
- ταχύτητα περιστροφής n (rpm),
- περιστρεφόμενη ροπή M (N•m) του κινητήρα,
- механическая мощность электродвигателя P (Вт), определяемая произведением момента на частоту вращения: P=(M•n)/(9,55).
Για να υποδηλώσει την ταχύτητα της περιστροφικής κίνησης, μαζί με τη συχνότητα περιστροφής n, χρησιμοποιείται μια άλλη ποσότητα γνωστή από τη φυσική - η γωνιακή ταχύτητα ω, η οποία εκφράζεται σε ακτίνια ανά δευτερόλεπτο (rad/s). Υπάρχει η ακόλουθη σχέση μεταξύ της γωνιακής ταχύτητας ω και της συχνότητας περιστροφής n:
λαμβάνοντας υπόψη ποιος τύπος έχει τη μορφή:
Η εξάρτηση της ροπής M του κινητήρα από την ταχύτητα περιστροφής του ρότορά του n ονομάζεται μηχανικό χαρακτηριστικό του ηλεκτροκινητήρα. Σημειώστε ότι όταν λειτουργεί ένα ασύγχρονο μηχάνημα, η λεγόμενη ηλεκτρομαγνητική ισχύς μεταδίδεται από τον στάτορα στον ρότορα μέσω του διακένου αέρα χρησιμοποιώντας ένα ηλεκτρομαγνητικό πεδίο:
Μέρος αυτής της ισχύος μεταδίδεται στον άξονα του ρότορα με τη μορφή μηχανικής ισχύος σύμφωνα με την έκφραση (2) και το υπόλοιπο απελευθερώνεται με τη μορφή απωλειών στις ενεργές αντιστάσεις και των τριών φάσεων του κυκλώματος του δρομέα.
Αυτές οι απώλειες, που ονομάζονται ηλεκτρικές, είναι ίσες με:
Таким образом, электрические потери определяются квадратом тока, проходящего по обмоткам.
Καθορίζονται σε μεγάλο βαθμό από το φορτίο του ασύγχρονου κινητήρα. Όλοι οι άλλοι τύποι απωλειών, εκτός από τις ηλεκτρικές, αλλάζουν λιγότερο σημαντικά με το φορτίο.
Επομένως, ας εξετάσουμε πώς αλλάζουν οι ηλεκτρικές απώλειες ενός ασύγχρονου κινητήρα όταν ελέγχεται η ταχύτητα περιστροφής.
Οι ηλεκτρικές απώλειες απευθείας στην περιέλιξη του ρότορα ενός ηλεκτροκινητήρα απελευθερώνονται με τη μορφή θερμότητας μέσα στο μηχάνημα και επομένως καθορίζουν τη θέρμανση του. Προφανώς, όσο μεγαλύτερες είναι οι ηλεκτρικές απώλειες στο κύκλωμα του ρότορα, τόσο χαμηλότερη είναι η απόδοση του κινητήρα, τόσο λιγότερο οικονομική η λειτουργία του.
Λαμβάνοντας υπόψη ότι οι απώλειες του στάτη είναι περίπου ανάλογες με τις απώλειες του ρότορα, η επιθυμία μείωσης των ηλεκτρικών απωλειών στον ρότορα είναι ακόμη πιο κατανοητή. Αυτή η μέθοδος ρύθμισης των στροφών του κινητήρα είναι οικονομική, στην οποία οι ηλεκτρικές απώλειες στον ρότορα είναι σχετικά μικρές.
Από την ανάλυση των εκφράσεων προκύπτει ότι ο πιο οικονομικός τρόπος ελέγχου των κινητήρων είναι σε ταχύτητα ρότορα κοντά στη σύγχρονη.
Δίσκοι μεταβλητής συχνότητας
Εγκαταστάσεις όπως μονάδες μεταβλητής συχνότητας (VFD), που ονομάζονται επίσης μετατροπείς συχνότητας (FCs) ). Αυτές οι ρυθμίσεις σάς επιτρέπουν να αλλάξετε τη συχνότητα και το πλάτος της τριφασικής τάσης που παρέχεται στον ηλεκτροκινητήρα, λόγω της οποίας επιτυγχάνεται μια ευέλικτη αλλαγή στους τρόπους λειτουργίας των μηχανισμών ελέγχου.
Κίνηση μεταβλητής συχνότητας υψηλής τάσης
Σχεδίαση VFD
Ακολουθεί μια σύντομη περιγραφή των υπαρχόντων μετατροπέων συχνότητας.
Δομικά, ο μετατροπέας αποτελείται από λειτουργικά σχετικά μπλοκ: μπλοκ μετασχηματιστή εισόδου (ντουλάπι μετασχηματιστή). ένας μετατροπέας πολλαπλών επιπέδων (ντουλάπι μετατροπέα) και ένα σύστημα ελέγχου και προστασίας με μονάδα εισαγωγής πληροφοριών και ενδείξεων (ερμάριο ελέγχου και προστασίας).
Ο πίνακας μετασχηματιστή εισόδου μεταφέρει ενέργεια από το τριφασικό τροφοδοτικό σε έναν μετασχηματιστή εισόδου πολλαπλών περιελίξεων, ο οποίος διανέμει τη μειωμένη τάση σε έναν μετατροπέα πολλαπλών επιπέδων.
Ένας μετατροπέας πολλαπλών επιπέδων αποτελείται από ενοποιημένες κυψέλες - μετατροπείς. Ο αριθμός των κυττάρων καθορίζεται από το συγκεκριμένο σχέδιο και τον κατασκευαστή. Κάθε στοιχείο είναι εξοπλισμένο με έναν ανορθωτή και ένα φίλτρο σύνδεσης DC με έναν μετατροπέα τάσης γέφυρας που χρησιμοποιεί σύγχρονα τρανζίστορ IGBT (διπολικό τρανζίστορ με μόνωση πύλης). Το ρεύμα AC εισόδου αρχικά διορθώνεται και στη συνέχεια μετατρέπεται σε εναλλασσόμενο ρεύμα με ρυθμιζόμενη συχνότητα και τάση χρησιμοποιώντας έναν μετατροπέα στερεάς κατάστασης.
Οι προκύπτουσες πηγές ελεγχόμενης εναλλασσόμενης τάσης συνδέονται σε σειρά σε συνδέσμους, σχηματίζοντας μια φάση τάσης. Η κατασκευή ενός τριφασικού συστήματος ισχύος εξόδου για έναν ασύγχρονο κινητήρα πραγματοποιείται με συνδέσμους σύνδεσης σύμφωνα με το κύκλωμα "STAR".
Το σύστημα ελέγχου προστασίας βρίσκεται στον πίνακα ελέγχου και προστασίας και αντιπροσωπεύεται από μια πολυλειτουργική μονάδα μικροεπεξεργαστή με σύστημα τροφοδοσίας από την ίδια πηγή ισχύος του μετατροπέα, μια συσκευή εισόδου/εξόδου πληροφοριών και κύριους αισθητήρες των τρόπων λειτουργίας ηλεκτρικής λειτουργίας του μετατροπέα.
Εξοικονόμηση δυνατοτήτων: μετρώντας μαζί
Με βάση τα δεδομένα που παρέχονται από τη Mitsubishi Electric, θα αξιολογήσουμε τις δυνατότητες εξοικονόμησης ενέργειας κατά την εισαγωγή μετατροπέων συχνότητας.
Αρχικά, ας δούμε πώς αλλάζει η ισχύς σε διαφορετικές λειτουργίες ελέγχου κινητήρα:
Τώρα ας δώσουμε ένα παράδειγμα υπολογισμού.
Απόδοση ηλεκτρικού κινητήρα: 96,5%;
Απόδοση κίνησης μεταβλητής συχνότητας: 97%;
Ισχύς άξονα ανεμιστήρα στην ονομαστική ένταση: 1100 kW;
Χαρακτηριστικά ανεμιστήρων: H=1,4 p.u. στο Q = 0;
Πλήρης χρόνος εργασίας ανά έτος: 8000 h.
Τρόποι λειτουργίας ανεμιστήρα σύμφωνα με το πρόγραμμα:
Από το γράφημα παίρνουμε τα ακόλουθα δεδομένα:
100% κατανάλωση αέρα – 20% του χρόνου λειτουργίας ετησίως.
70% κατανάλωση αέρα – 50% του χρόνου λειτουργίας ετησίως.
50% κατανάλωση αέρα – 30% χρόνος λειτουργίας ετησίως.
Η εξοικονόμηση μεταξύ λειτουργίας με ονομαστικό φορτίο και λειτουργίας με δυνατότητα ελέγχου της ταχύτητας του κινητήρα (λειτουργία σε συνδυασμό με VFD) είναι ίση με:
7 kWh/έτος - 446 kWh/έτος= 400 kWh/έτος
Ας λάβουμε υπόψη το τιμολόγιο ηλεκτρικής ενέργειας ίσο με 1 kWh / 5,5 ρούβλια. Αξίζει να σημειωθεί ότι το κόστος λαμβάνεται σύμφωνα με την πρώτη κατηγορία τιμής και τη μέση αξία για μία από τις βιομηχανικές επιχειρήσεις της περιοχής Primorsky για το 2019.
Ας πάρουμε την εξοικονόμηση σε χρηματικούς όρους:
3 kWh/έτος*600 τρίψιμο/kWh= 000 τρίψιμο/έτος
Η πρακτική υλοποίησης τέτοιων έργων επιτρέπει, λαμβάνοντας υπόψη το κόστος λειτουργίας και επισκευών, καθώς και το κόστος των ίδιων των μετατροπέων συχνότητας, να επιτευχθεί περίοδος απόσβεσης 3 ετών.
Όπως δείχνουν τα στοιχεία, δεν υπάρχει αμφιβολία για την οικονομική σκοπιμότητα της εισαγωγής VFD. Ωστόσο, το αποτέλεσμα της εφαρμογής τους δεν περιορίζεται μόνο στην οικονομία. Τα VFD ξεκινούν ομαλά τον κινητήρα, μειώνοντας σημαντικά τη φθορά του, αλλά θα μιλήσω για αυτό την επόμενη φορά.
Πηγή: www.habr.com