Teollisuudessa yli 60 % sähköstä kulutetaan asynkronisilla sähkökäyttöillä - pumppauksessa, kompressorissa, ilmanvaihdossa ja muissa asennuksissa. Tämä on yksinkertaisin ja siksi halvin ja luotettavin moottorityyppi.
Erilaisten teollisten tuotantojen teknologinen prosessi vaatii joustavia muutoksia minkä tahansa toimilaitteen pyörimisnopeuteen. Elektroniikka- ja tietokonetekniikan nopean kehityksen sekä halun vähentää sähköhäviöitä on ilmaantunut laitteita erityyppisten sähkömoottoreiden taloudelliseen ohjaukseen. Tässä artikkelissa puhumme siitä, kuinka varmistaa sähkökäytön tehokkain ohjaus. Työskentely yrityksessä (yritysryhmä ), huomaan, että asiakkaamme kiinnittävät yhä enemmän huomiota energiatehokkuuteen
Suurin osa tuotanto- ja prosessilaitosten kuluttamasta sähköenergiasta käytetään jonkinlaiseen mekaaniseen työhön. Erilaisten tuotanto- ja teknologisten mekanismien työosien ohjaamiseen käytetään pääasiassa asynkronisia sähkömoottoreita, joissa on oravahäkkiroottori (tulevaisuudessa puhumme tämän tyyppisistä sähkömoottoreista). Itse sähkömoottori, sen ohjausjärjestelmä ja mekaaninen laite, joka välittää liikkeen moottorin akselilta tuotantomekanismiin, muodostavat sähköisen käyttöjärjestelmän.
Vähäisten sähköhäviöiden esiintyminen käämeissä moottorin pyörimisnopeuden säätelyn vuoksi, tasaisen käynnistyksen mahdollisuus taajuuden ja jännitteen tasaisen nousun vuoksi - nämä ovat sähkömoottoreiden tehokkaan ohjauksen pääpostulaatit.
Loppujen lopuksi aiemmin oli ja on edelleen sellaisia moottorin ohjausmenetelmiä kuin:
- reostaattisen taajuuden säätö ottamalla käyttöön ylimääräisiä aktiivisia resistanssia moottorin käämipiireihin, jotka peräkkäin oikosuljetaan kontaktoreilla;
- jännitteen muutos staattorin liittimissä, kun tällaisen jännitteen taajuus on vakio ja yhtä suuri kuin teollisuuden vaihtovirtaverkon taajuus;
- porrassäätö muuttamalla staattorikäämin napaparien lukumäärää.
Mutta näillä ja muilla taajuudensäätömenetelmillä on mukanaan suurin haittapuoli - merkittävät sähköenergian häviöt, ja askelsäätö ei ole määritelmän mukaan riittävän joustava menetelmä.
Ovatko tappiot väistämättömiä?
Tarkastellaanpa tarkemmin sähköhäviöitä, joita esiintyy asynkronisessa sähkömoottorissa.
Sähkökäytön toiminnalle on tunnusomaista useat sähköiset ja mekaaniset suureet.
Sähkömäärät sisältävät:
- verkkojännite,
- moottorin virta,
- magneettinen virtaus,
- sähkömotorinen voima (EMF).
Tärkeimmät mekaaniset suuret ovat:
- pyörimisnopeus n (rpm),
- moottorin vääntömomentti M (N•m),
- sähkömoottorin mekaaninen teho P (W), joka määräytyy vääntömomentin ja pyörimisnopeuden tulolla: P=(M•n)/(9,55).
Pyörimisliikkeen nopeuden kuvaamiseen käytetään pyörimistaajuuden n ohella toista fysiikasta tunnettua suuretta - kulmanopeutta ω, joka ilmaistaan radiaaneina sekunnissa (rad/s). Kulmanopeuden ω ja pyörimistaajuuden n välillä on seuraava suhde:
ottaen huomioon, minkä kaavan muoto on:
Moottorin vääntömomentin M riippuvuutta sen roottorin n pyörimisnopeudesta kutsutaan sähkömoottorin mekaaniseksi ominaispiirteeksi. Huomaa, että kun asynkroninen kone toimii, niin sanottu sähkömagneettinen teho välittyy staattorista roottoriin ilmaraon kautta sähkömagneettisen kentän avulla:
Osa tästä tehosta välittyy roottorin akselille mekaanisen tehon muodossa lausekkeen (2) mukaisesti ja loput vapautetaan häviöiden muodossa roottoripiirin kaikkien kolmen vaiheen aktiivisissa vastuksissa.
Nämä häviöt, joita kutsutaan sähköisiksi, ovat yhtä suuria kuin:
Siten sähköhäviöt määräytyvät käämien läpi kulkevan virran neliön mukaan.
Ne määräytyvät suurelta osin asynkronisen moottorin kuormituksen mukaan. Kaikki muut häviöt, paitsi sähköiset, muuttuvat vähemmän merkittävästi kuormituksen myötä.
Tarkastellaan siis, kuinka asynkronisen moottorin sähköhäviöt muuttuvat pyörimisnopeutta säädettäessä.
Sähköhäviöt suoraan sähkömoottorin roottorikäämissä vapautuvat lämmön muodossa koneen sisällä ja määräävät siten sen lämpenemisen. Ilmeisesti mitä suuremmat sähköhäviöt roottoripiirissä ovat, mitä pienempi moottorin hyötysuhde, sitä taloudellisempaa sen toiminta.
Ottaen huomioon, että staattorihäviöt ovat suunnilleen verrannollisia roottorin häviöihin, halu vähentää roottorin sähköhäviöitä on vieläkin ymmärrettävämpää. Se menetelmä moottorin kierrosluvun säätöön on taloudellinen, jossa roottorin sähköhäviöt ovat suhteellisen pieniä.
Lausekkeiden analyysistä seuraa, että edullisin tapa ohjata moottoreita on roottorin nopeudella, joka on lähellä synkronista.
Taajuusmuuttajat
Asennukset, kuten taajuusmuuttajat (VFD), joita kutsutaan myös taajuusmuuntimiksi (FCs) ). Näiden asetusten avulla voit muuttaa sähkömoottoriin syötettävän kolmivaiheisen jännitteen taajuutta ja amplitudia, minkä ansiosta ohjausmekanismien toimintatilojen joustava muutos saavutetaan.
Korkean jännitteen taajuusmuuttaja
VFD-suunnittelu
Tässä on lyhyt kuvaus olemassa olevista taajuusmuuttajista.
Rakenteellisesti muunnin koostuu toiminnallisesti liittyvistä lohkoista: tulomuuntajalohko (muuntajakaappi); monitasoinen invertteri (invertterikaappi) ja ohjaus- ja suojausjärjestelmä tiedonsyöttö- ja näyttöyksiköllä (ohjaus- ja suojakaappi).
Tulomuuntajakaappi siirtää energiaa kolmivaiheisesta teholähteestä monikäämiiseen tulomuuntajaan, joka jakaa alennetun jännitteen monitasoiseen invertteriin.
Monitasoinen invertteri koostuu yhtenäisistä soluista - muuntimista. Kennojen lukumäärä määräytyy tietyn suunnittelun ja valmistajan mukaan. Jokainen kenno on varustettu tasasuuntaajalla ja DC-välipiirisuodattimella siltajänniteinvertterillä käyttämällä nykyaikaisia IGBT-transistoreja (eristetty hila-bipolaaritransistori). Tulo vaihtovirta tasasuunnetaan aluksi ja muunnetaan sitten vaihtovirraksi säädettävällä taajuudella ja jännitteellä käyttämällä puolijohdeinvertteriä.
Tuloksena olevat ohjatun vaihtojännitteen lähteet on kytketty sarjaan linkeiksi muodostaen jännitevaiheen. Kolmivaiheisen lähtötehojärjestelmän rakentaminen asynkroniselle moottorille suoritetaan kytkemällä linkit "STAR"-piirin mukaan.
Suojauksen ohjausjärjestelmä sijaitsee ohjaus- ja suojakaapissa ja sitä edustaa monitoiminen mikroprosessoriyksikkö, jossa on virransyöttö taajuusmuuttajan omasta virtalähteestä, tiedon syöttö/lähtölaite ja muuntimen sähköisten toimintatilojen ensisijaiset anturit.
Säästöpotentiaali: lasketaan yhdessä
Mitsubishi Electricin toimittamien tietojen perusteella arvioimme energiansäästöpotentiaalia otettaessa käyttöön taajuusmuuttajia.
Katsotaan ensin, kuinka teho muuttuu eri moottorin ohjaustiloissa:
Otetaan nyt esimerkki laskennasta.
Sähkömoottorin hyötysuhde: 96,5%;
Taajuusmuuttajan hyötysuhde: 97%;
Tuulettimen akselin teho nimellistilavuudella: 1100 kW;
Tuulettimen ominaisuudet: H = 1,4 p.u. at Q = 0;
Täysi työaika vuodessa: 8000 h.
Tuulettimen toimintatilat aikataulun mukaan:
Kaaviosta saamme seuraavat tiedot:
100 % ilmankulutus – 20 % käyttöajasta vuodessa;
70 % ilmankulutus – 50 % käyttöajasta vuodessa;
50 % ilmankulutus – 30 % käyttöaika vuodessa.
Säästöt nimelliskuormalla käytön ja moottorin nopeuden säätömahdollisuuden (käyttö VFD:n kanssa) välillä ovat yhtä suuret:
7 446 400 kWh/vuosi - 3 846 400 kWh/vuosi = 3 600 000 kWh/vuosi
Otetaan huomioon sähkötariffi, joka on 1 kWh / 5,5 ruplaa. On syytä huomata, että kustannukset otetaan ensimmäisen hintaluokan ja yhden Primorskyn alueen teollisuusyrityksen keskiarvon mukaan vuodelle 2019.
Otetaan säästöt rahallisesti:
3 600 000 kWh/vuosi*5,5 ruplaa/kWh = 19 800 000 ruplaa/vuosi
Tällaisten hankkeiden toteuttamiskäytäntö mahdollistaa 3 vuoden takaisinmaksuajan saavuttamisen, ottaen huomioon käyttö- ja korjauskustannukset sekä itse taajuusmuuttajien kustannukset.
Kuten luvut osoittavat, VFD:iden käyttöönoton taloudellisesta kannattavuudesta ei ole epäilystäkään. Niiden täytäntöönpanon vaikutus ei kuitenkaan rajoitu pelkästään talouteen. VFD:t käynnistävät moottorin sujuvasti vähentäen merkittävästi sen kulumista, mutta puhun tästä ensi kerralla.
Lähde: will.com