Dans l'industrie, plus de 60 % de l'électricité est consommée par des entraînements électriques asynchrones - dans les installations de pompage, de compresseur, de ventilation et autres. Il s’agit du type de moteur le plus simple, et donc le moins cher et le plus fiable.
Le processus technologique de diverses productions industrielles nécessite des changements flexibles dans la vitesse de rotation de tous les actionneurs. Grâce au développement rapide de la technologie électronique et informatique, ainsi qu'à la volonté de réduire les pertes électriques, des dispositifs sont apparus pour un contrôle économique de moteurs électriques de différents types. Dans cet article, nous expliquerons comment garantir le contrôle le plus efficace d’un entraînement électrique. Travailler dans une entreprise (groupe d'entreprises ), je constate que nos clients accordent de plus en plus d'attention à l'efficacité énergétique
La majeure partie de l’énergie électrique consommée par les usines de fabrication et de transformation est utilisée pour effectuer certains types de travaux mécaniques. Pour entraîner les parties actives de divers mécanismes de production et technologiques, on utilise principalement des moteurs électriques asynchrones à rotor à cage d'écureuil (à l'avenir, nous parlerons de ce type de moteur électrique). Le moteur électrique lui-même, son système de commande et le dispositif mécanique qui transmet le mouvement de l'arbre du moteur au mécanisme de production forment un système d'entraînement électrique.
La présence de pertes électriques minimales dans les enroulements dues à la régulation de la vitesse de rotation du moteur, la possibilité d'un démarrage en douceur grâce à une augmentation uniforme de la fréquence et de la tension - tels sont les principaux postulats d'un contrôle efficace des moteurs électriques.
Après tout, il existait auparavant et il existe toujours des méthodes de contrôle du moteur telles que :
- contrôle de la fréquence rhéostatique en introduisant des résistances actives supplémentaires dans les circuits d'enroulement du moteur, court-circuitées séquentiellement par des contacteurs ;
- changement de tension aux bornes du stator, tandis que la fréquence de cette tension est constante et égale à la fréquence du réseau AC industriel ;
- régulation par étapes en modifiant le nombre de paires de pôles de l'enroulement du stator.
Mais ces méthodes et d'autres de régulation de fréquence comportent le principal inconvénient : des pertes importantes d'énergie électrique, et la régulation par étapes, par définition, n'est pas une méthode suffisamment flexible.
Les pertes sont-elles inévitables ?
Arrêtons-nous plus en détail sur les pertes électriques qui se produisent dans un moteur électrique asynchrone.
Le fonctionnement d'un entraînement électrique est caractérisé par un certain nombre de grandeurs électriques et mécaniques.
Les quantités électriques comprennent :
- tension secteur,
- courant moteur,
- Flux magnétique,
- force électromotrice (FEM).
Les principales grandeurs mécaniques sont :
- vitesse de rotation n (tr/min),
- couple de rotation M (N•m) du moteur,
- puissance mécanique du moteur électrique P (W), déterminée par le produit du couple et de la vitesse de rotation : P=(M•n)/(9,55).
Для обозначения скорости вращательного движения наряду с частотой вращения n используется и другая известная из физики величина — угловая скорость ω, которая выражается в радианах за секунду (рад/с). Между угловой скоростью ω и частотой вращения n существует следующая связь:
sachant que la formule prend la forme :
Зависимость вращающего момента двигателя M от частоты вращения его ротора n называется механической характеристикой электродвигателя. Отметим, что при работе асинхронной машины со статора на ротор передается через воздушный зазор с помощью электромагнитного поля так называемая электромагнитная мощность:
Une partie de cette puissance est transmise à l'arbre du rotor sous forme de puissance mécanique selon l'expression (2), et le reste est libéré sous forme de pertes dans les résistances actives des trois phases du circuit rotorique.
Ces pertes, dites électriques, sont égales à :
Ainsi, les pertes électriques sont déterminées par le carré du courant traversant les enroulements.
Ils sont largement déterminés par la charge du moteur asynchrone. Tous les autres types de pertes, à l’exception des pertes électriques, varient de manière moins significative avec la charge.
Par conséquent, considérons comment les pertes électriques d'un moteur asynchrone évoluent lorsque la vitesse de rotation est contrôlée.
Les pertes électriques directement dans le bobinage du rotor d'un moteur électrique sont dégagées sous forme de chaleur à l'intérieur de la machine et déterminent donc son échauffement. Évidemment, plus les pertes électriques dans le circuit rotorique sont importantes, plus le rendement du moteur est faible, moins son fonctionnement est économique.
Considérant que les pertes statoriques sont approximativement proportionnelles aux pertes rotoriques, la volonté de réduire les pertes électriques dans le rotor est d'autant plus compréhensible. Ce procédé de régulation du régime moteur est économique, dans lequel les pertes électriques dans le rotor sont relativement faibles.
De l'analyse des expressions, il s'ensuit que le moyen le plus économique de contrôler les moteurs est à une vitesse de rotor proche du synchrone.
Entraînements à fréquence variable
Installations telles que les variateurs de fréquence (VFD), également appelés convertisseurs de fréquence (FC)). Ces réglages vous permettent de modifier la fréquence et l'amplitude de la tension triphasée fournie au moteur électrique, grâce à quoi un changement flexible des modes de fonctionnement des mécanismes de commande est obtenu.
Entraînement à fréquence variable haute tension
Conception du VFD
Voici une brève description des convertisseurs de fréquence existants.
Structurellement, le convertisseur se compose de blocs fonctionnellement liés : bloc de transformateur d'entrée (armoire de transformateur) ; un onduleur multiniveau (armoire d'onduleur) et un système de contrôle et de protection avec une unité de saisie et d'affichage des informations (armoire de contrôle et de protection).
L'armoire du transformateur d'entrée transfère l'énergie de l'alimentation triphasée vers un transformateur d'entrée à plusieurs enroulements, qui distribue la tension réduite à un onduleur à plusieurs niveaux.
Un onduleur à plusieurs niveaux se compose de cellules-convertisseurs unifiées. Le nombre de cellules est déterminé par la conception et le fabricant spécifiques. Chaque cellule est équipée d'un redresseur et d'un filtre de liaison CC avec un inverseur de tension en pont utilisant des transistors IGBT (transistor bipolaire à grille isolée) modernes. Le courant alternatif d'entrée est initialement redressé puis converti en courant alternatif avec une fréquence et une tension réglables à l'aide d'un onduleur à semi-conducteurs.
Les sources de tension alternative contrôlées résultantes sont connectées en série en liaisons, formant une phase de tension. La construction d'un système d'alimentation de sortie triphasé pour un moteur asynchrone est réalisée par des liaisons de connexion selon le circuit « STAR ».
Le système de contrôle de protection est situé dans l'armoire de commande et de protection et est représenté par une unité à microprocesseur multifonctionnelle avec un système d'alimentation à partir de la propre source d'énergie du convertisseur, un dispositif d'entrée/sortie d'informations et des capteurs primaires des modes de fonctionnement électriques du convertisseur.
Potentiel d’économies : compter ensemble
Sur la base des données fournies par Mitsubishi Electric, nous évaluerons le potentiel d'économie d'énergie lors de l'introduction de convertisseurs de fréquence.
Вначале посмотрим, как меняется мощность при различных режимах регулирования двигателя:
Donnons maintenant un exemple de calcul.
Efficacité du moteur électrique : 96,5%;
Efficacité du variateur de fréquence : 97%;
Puissance à l'arbre du ventilateur au volume nominal : 1100 kW;
Характеристика вентилятора: H = 1,4 p.u. à Q=0;
Temps de travail complet par an : Heures 8000.
Modes de fonctionnement du ventilateur selon le planning :
À partir du graphique, nous obtenons les données suivantes :
100 % de consommation d’air – 20 % du temps de fonctionnement par an ;
70 % de consommation d’air – 50 % du temps de fonctionnement par an ;
50 % de consommation d’air – 30 % de temps de fonctionnement par an.
Les économies entre le fonctionnement à charge nominale et le fonctionnement avec possibilité de contrôler la vitesse du moteur (fonctionnement en association avec un VFD) sont égales à :
7 446 400 kWh/an - 3 846 400 kWh/an= 3 600 000 kWh/an
Prenons en compte le tarif de l'électricité égal à 1 kWh / 5,5 roubles. Il convient de noter que le coût est pris en fonction de la première catégorie de prix et de la valeur moyenne de l'une des entreprises industrielles du territoire de Primorsky pour 2019.
Получим экономию в денежном выражении:
3 600 000 kWh/an*5,5 roubles/kWh= 19 800 000 roubles/an
La pratique de la mise en œuvre de tels projets permet, compte tenu des coûts d'exploitation et de réparation, ainsi que du coût des convertisseurs de fréquence eux-mêmes, d'atteindre une période d'amortissement de 3 ans.
Comme le montrent les chiffres, la faisabilité économique de l’introduction des VFD ne fait aucun doute. Toutefois, l’effet de leur mise en œuvre ne se limite pas à la seule économie. Les VFD démarrent le moteur en douceur, réduisant considérablement son usure, mais j'en parlerai la prochaine fois.
Source: habr.com