در صنعت، بیش از 60 درصد برق توسط درایوهای الکتریکی ناهمزمان - در پمپاژ، کمپرسور، تهویه و سایر تاسیسات مصرف می شود. این ساده ترین و در نتیجه ارزان ترین و مطمئن ترین نوع موتور است.
فرآیند تکنولوژیکی تولیدات صنعتی مختلف نیازمند تغییرات انعطاف پذیر در سرعت چرخش هر محرک است. به لطف توسعه سریع فناوری های الکترونیکی و رایانه ای و همچنین تمایل به کاهش تلفات برق، دستگاه هایی برای کنترل اقتصادی موتورهای الکتریکی در انواع مختلف ظاهر شده اند. در این مقاله در مورد چگونگی اطمینان از کارآمدترین کنترل یک درایو الکتریکی صحبت خواهیم کرد. کار در یک شرکت (گروه شرکت من می بینم که مشتریان ما بیشتر و بیشتر به بهره وری انرژی توجه می کنند
بیشتر انرژی الکتریکی مصرف شده توسط کارخانه های تولیدی و فرآیندی برای انجام نوعی کار مکانیکی استفاده می شود. برای به حرکت درآوردن قطعات کار مکانیسم های مختلف تولید و فناوری، موتورهای الکتریکی ناهمزمان با روتور قفس سنجابی عمدتاً استفاده می شود (در آینده در مورد این نوع موتور الکتریکی صحبت خواهیم کرد). خود موتور الکتریکی، سیستم کنترل آن و دستگاه مکانیکی که حرکت را از محور موتور به مکانیسم تولید منتقل می کند، یک سیستم محرک الکتریکی را تشکیل می دهند.
وجود حداقل تلفات برق در سیم پیچ ها به دلیل تنظیم سرعت چرخش موتور، امکان شروع صاف به دلیل افزایش یکنواخت فرکانس و ولتاژ - اینها اصول اصلی کنترل موثر موتورهای الکتریکی هستند.
از این گذشته ، قبلاً چنین روشهایی برای کنترل موتور وجود داشت و هنوز هم وجود دارد:
- کنترل فرکانس رئوستاتیک با وارد کردن مقاومت‌های فعال اضافی در مدارهای سیم‌پیچ موتور که به‌طور متوالی توسط کنتاکتورها به هم متصل می‌شوند.
- تغییر ولتاژ در پایانه های استاتور، در حالی که فرکانس چنین ولتاژی ثابت و برابر با فرکانس شبکه AC صنعتی است.
- تنظیم پله با تغییر تعداد جفت قطب های سیم پیچ استاتور.
اما این و سایر روش های تنظیم فرکانس دارای اشکال اصلی هستند - تلفات قابل توجه انرژی الکتریکی، و تنظیم پله، طبق تعریف، یک روش به اندازه کافی انعطاف پذیر نیست.
آیا ضرر و زیان اجتناب ناپذیر است؟
اجازه دهید با جزئیات بیشتری در مورد تلفات الکتریکی که در موتور الکتریکی ناهمزمان رخ می دهد صحبت کنیم.
عملکرد یک درایو الکتریکی با تعدادی کمیت های الکتریکی و مکانیکی مشخص می شود.
مقادیر الکتریکی عبارتند از:
- ولتاژ شبکه،
- جریان موتور،
- شار مغناطیسی،
- نیروی الکتروموتور (EMF).
مقادیر مکانیکی اصلی عبارتند از:
- سرعت چرخش n (rpm)
- گشتاور چرخشی M (N•m) موتور،
- قدرت مکانیکی موتور الکتریکی P (W)، تعیین شده توسط حاصل ضرب گشتاور و سرعت چرخش: P=(M•n)/(9,55).
برای نشان دادن سرعت حرکت چرخشی، همراه با فرکانس چرخش n، کمیت دیگری که از فیزیک شناخته شده است استفاده می شود - سرعت زاویه ای ω، که بر حسب رادیان در ثانیه (rad/s) بیان می شود. رابطه زیر بین سرعت زاویه ای ω و فرکانس چرخش n وجود دارد:
با در نظر گرفتن اینکه کدام فرمول به شکل زیر است:
وابستگی گشتاور موتور M به سرعت دورانی روتور آن n مشخصه مکانیکی موتور الکتریکی نامیده می شود. توجه داشته باشید که وقتی یک ماشین ناهمزمان کار می کند، به اصطلاح نیروی الکترومغناطیسی از طریق شکاف هوا با استفاده از یک میدان الکترومغناطیسی از استاتور به روتور منتقل می شود:
بخشی از این نیرو طبق عبارت (2) به صورت نیروی مکانیکی به محور روتور منتقل می شود و بقیه به صورت تلفات در مقاومت های فعال هر سه فاز مدار روتور آزاد می شود.
این تلفات که الکتریکی نامیده می شود برابر است با:
بنابراین، تلفات الکتریکی با مجذور جریان عبوری از سیم پیچ ها تعیین می شود.
آنها تا حد زیادی توسط بار موتور ناهمزمان تعیین می شوند. همه انواع دیگر تلفات، به جز تلفات الکتریکی، با بارگذاری کمتر تغییر می کنند.
بنابراین، اجازه دهید در نظر بگیریم که چگونه تلفات الکتریکی یک موتور ناهمزمان با کنترل سرعت چرخش تغییر می کند.
تلفات الکتریکی مستقیماً در سیم پیچ روتور موتور الکتریکی به صورت گرما در داخل دستگاه آزاد می شود و بنابراین گرمایش آن را تعیین می کند. بدیهی است که هرچه تلفات الکتریکی در مدار روتور بیشتر باشد، راندمان موتور کمتر است، کارکرد آن به صرفه تر خواهد بود.
با توجه به اینکه تلفات استاتور تقریباً متناسب با تلفات روتور است، تمایل به کاهش تلفات الکتریکی در روتور حتی بیشتر قابل درک است. آن روش تنظیم دور موتور مقرون به صرفه است که در آن تلفات الکتریکی در روتور نسبتاً کم است.
از تجزیه و تحلیل عبارات به دست می آید که اقتصادی ترین راه برای کنترل موتورها در سرعت روتور نزدیک به سنکرون است.
درایوهای فرکانس متغیر
تأسیساتی مانند درایوهای فرکانس متغیر (VFD) که مبدل فرکانس (FC) نیز نامیده می شود. این تنظیمات به شما امکان می دهد فرکانس و دامنه ولتاژ سه فاز عرضه شده به موتور الکتریکی را تغییر دهید و به همین دلیل تغییر انعطاف پذیری در حالت های عملکرد مکانیسم های کنترل حاصل می شود.
درایو فرکانس متغیر ولتاژ بالا
طراحی VFD
در اینجا توضیح مختصری از مبدل های فرکانس موجود می باشد.
از نظر ساختاری، مبدل از بلوک های مرتبط با عملکرد تشکیل شده است: بلوک ترانسفورماتور ورودی (کابینت ترانسفورماتور). یک اینورتر چند سطحی (کابینت اینورتر) و یک سیستم کنترل و حفاظت با ورودی اطلاعات و واحد نمایش (کابینت کنترل و حفاظت).
کابینه ترانسفورماتور ورودی انرژی را از منبع تغذیه سه فاز به یک ترانسفورماتور ورودی چند سیم پیچ منتقل می کند، که ولتاژ کاهش یافته را به یک اینورتر چند سطحی توزیع می کند.
یک اینورتر چند سطحی از سلول های یکپارچه - مبدل تشکیل شده است. تعداد سلول ها توسط طراحی و سازنده خاص تعیین می شود. هر سلول مجهز به یکسو کننده و یک فیلتر لینک DC با یک اینورتر ولتاژ پل با استفاده از ترانزیستورهای مدرن IGBT (ترانزیستور دوقطبی گیت عایق) است. جریان AC ورودی ابتدا یکسو می شود و سپس با استفاده از یک اینورتر حالت جامد به جریان متناوب با فرکانس و ولتاژ قابل تنظیم تبدیل می شود.
منابع حاصل از ولتاژ متناوب کنترل شده به صورت سری به پیوند متصل می شوند و یک فاز ولتاژ را تشکیل می دهند. ساخت یک سیستم قدرت خروجی سه فاز برای یک موتور ناهمزمان با پیوندهای اتصال مطابق مدار "STAR" انجام می شود.
سیستم کنترل حفاظتی در کابینه کنترل و حفاظت قرار دارد و توسط یک واحد ریزپردازنده چند منظوره با یک سیستم منبع تغذیه از منبع برق خود مبدل، یک دستگاه ورودی/خروجی اطلاعات و حسگرهای اولیه حالت‌های عملکرد الکتریکی مبدل نشان داده می‌شود.
صرفه جویی در پتانسیل: با هم شمارش
بر اساس داده های ارائه شده توسط میتسوبیشی الکتریک، ما پتانسیل صرفه جویی در انرژی را هنگام معرفی مبدل های فرکانس ارزیابی خواهیم کرد.
ابتدا، بیایید ببینیم که چگونه قدرت در حالت های مختلف کنترل موتور تغییر می کند:
حالا بیایید یک مثال از یک محاسبه ارائه دهیم.
راندمان موتور الکتریکی: ٪۱۰۰;
راندمان درایو فرکانس متغیر: ٪۱۰۰;
قدرت شفت فن در حجم اسمی: 1100 کیلو وات;
مشخصات فن: H=1,4 p.u. در Q=0،XNUMX،XNUMX،XNUMX;
زمان کار کامل در سال: 8000 ساعت.
حالت های عملکرد فن طبق برنامه:
از نمودار داده های زیر را بدست می آوریم:
100٪ مصرف هوا - 20٪ زمان کار در سال.
70٪ مصرف هوا - 50٪ زمان کار در سال.
50٪ مصرف هوا - 30٪ زمان کار در سال.
صرفه جویی بین عملکرد در بار نامی و عملکرد با قابلیت کنترل سرعت موتور (عملکرد همراه با VFD) برابر است با:
7 کیلووات ساعت در سال - 446 کیلووات ساعت در سال = 400 کیلووات ساعت در سال
بیایید تعرفه برق را برابر با 1 کیلووات ساعت / 5,5 روبل در نظر بگیریم. شایان ذکر است که هزینه بر اساس طبقه بندی اول قیمت و میانگین ارزش برای یکی از شرکت های صنعتی منطقه پریمورسکی برای سال 2019 گرفته شده است.
بیایید پس انداز را به صورت پولی دریافت کنیم:
3 کیلووات ساعت در سال * 600 روبل / کیلووات ساعت = 000 روبل در سال
تمرین اجرای چنین پروژه هایی با در نظر گرفتن هزینه های بهره برداری و تعمیرات و همچنین هزینه خود مبدل های فرکانس امکان دستیابی به دوره بازپرداخت 3 ساله را فراهم می کند.
همانطور که ارقام نشان می دهد، در زمینه اقتصادی بودن معرفی VFD ها تردیدی وجود ندارد. با این حال، تأثیر اجرای آنها تنها به اقتصاد محدود نمی شود. VFD ها به آرامی موتور را روشن می کنند و سایش آن را به میزان قابل توجهی کاهش می دهند، اما دفعه بعد در مورد این موضوع صحبت خواهم کرد.
منبع: www.habr.com