Na industria, máis do 60% da electricidade consomen accionamentos eléctricos asíncronos: en instalacións de bombeo, compresores, ventilación e outras. Este é o tipo de motor máis sinxelo e, polo tanto, máis barato e fiable.
O proceso tecnolóxico de diversas producións industriais require cambios flexibles na velocidade de rotación de calquera actuador. Grazas ao rápido desenvolvemento da tecnoloxía electrónica e informática, así como ao desexo de reducir as perdas de electricidade, apareceron dispositivos para o control económico de motores eléctricos de varios tipos. Neste artigo falaremos de como garantir o control máis eficiente dunha unidade eléctrica. Traballando nunha empresa (grupo de empresas ), vexo que os nosos clientes están prestando cada vez máis atención á eficiencia enerxética
A maior parte da enerxía eléctrica consumida polas plantas de fabricación e de proceso úsase para realizar algún tipo de traballo mecánico. Para impulsar as pezas de traballo de varios mecanismos de produción e tecnolóxicos, utilízanse principalmente motores eléctricos asíncronos cun rotor de gaiola de esquío (no futuro falaremos deste tipo de motores eléctricos). O propio motor eléctrico, o seu sistema de control e o dispositivo mecánico que transmite o movemento do eixe do motor ao mecanismo de produción forman un sistema de accionamento eléctrico.
A presenza de perdas de electricidade mínimas nos enrolamentos debido á regulación da velocidade de rotación do motor, a posibilidade dun arranque suave debido a un aumento uniforme da frecuencia e tensión - estes son os principais postulados do control eficaz dos motores eléctricos.
Despois de todo, antes había e aínda existen métodos de control do motor como:
- control de frecuencia reostática mediante a introdución de resistencias activas adicionais nos circuítos de bobinados do motor, curtocircuitadas secuencialmente por contactores;
- cambio de tensión nos terminais do estator, mentres que a frecuencia desta tensión é constante e igual á frecuencia da rede de CA industrial;
- regulación por pasos cambiando o número de pares de polos do devanado do estator.
Pero estes e outros métodos de regulación de frecuencia levan consigo o principal inconveniente: perdas significativas de enerxía eléctrica e a regulación por pasos, por definición, non é un método suficientemente flexible.
As perdas son inevitables?
Detémonos con máis detalle nas perdas eléctricas que se producen nun motor eléctrico asíncrono.
O funcionamento dun accionamento eléctrico caracterízase por unha serie de magnitudes eléctricas e mecánicas.
As cantidades eléctricas inclúen:
- tensión de red,
- corrente do motor,
- fluxo magnético,
- forza electromotriz (EMF).
As principais magnitudes mecánicas son:
- velocidade de rotación n (rpm),
- par de xiro M (N•m) do motor,
- potencia mecánica do motor eléctrico P (W), determinada polo produto do par e da velocidade de xiro: P=(M•n)/(9,55).
Para indicar a velocidade do movemento de rotación, xunto coa frecuencia de rotación n, utilízase outra cantidade coñecida pola física: a velocidade angular ω, que se expresa en radiáns por segundo (rad/s). Existe a seguinte relación entre a velocidade angular ω e a frecuencia de rotación n:
tendo en conta que a fórmula toma a forma:
A dependencia do par motor M da velocidade de rotación do seu rotor n chámase característica mecánica do motor eléctrico. Teña en conta que cando unha máquina asíncrona funciona, a chamada enerxía electromagnética transmítese desde o estator ao rotor a través do entrego de aire mediante un campo electromagnético:
Parte desta potencia transmítese ao eixe do rotor en forma de potencia mecánica segundo a expresión (2), e o resto liberase en forma de perdas nas resistencias activas das tres fases do circuíto do rotor.
Estas perdas, denominadas eléctricas, son iguais a:
Así, as perdas eléctricas están determinadas polo cadrado da corrente que pasa polos enrolamentos.
Están determinados en gran medida pola carga do motor asíncrono. Todos os demais tipos de perdas, excepto as eléctricas, cambian de forma menos significativa coa carga.
Polo tanto, consideremos como cambian as perdas eléctricas dun motor asíncrono cando se controla a velocidade de rotación.
As perdas eléctricas directamente no enrolamento do rotor dun motor eléctrico son liberadas en forma de calor no interior da máquina e, polo tanto, determinan o seu quecemento. Obviamente, canto máis grandes son as perdas eléctricas no circuíto do rotor, menor é a eficiencia do motor, menos económico é o seu funcionamento.
Tendo en conta que as perdas do estator son aproximadamente proporcionais ás perdas do rotor, o desexo de reducir as perdas eléctricas no rotor é aínda máis comprensible. Ese método de regulación da velocidade do motor é económico, no que as perdas eléctricas no rotor son relativamente pequenas.
Da análise das expresións despréndese que a forma máis económica de controlar os motores é a unha velocidade do rotor próxima á síncrona.
Unidades de frecuencia variable
Instalacións como unidades de frecuencia variable (VFD), tamén chamadas convertidores de frecuencia (FC). Estes axustes permiten cambiar a frecuencia e amplitude da tensión trifásica subministrada ao motor eléctrico, polo que se consegue un cambio flexible nos modos de funcionamento dos mecanismos de control.
Unidade de frecuencia variable de alta tensión
Deseño VFD
Aquí tes unha breve descrición dos convertidores de frecuencia existentes.
Estruturalmente, o conversor consta de bloques relacionados funcionalmente: bloque transformador de entrada (armario do transformador); un inversor multinivel (armario inversor) e un sistema de control e protección cunha unidade de entrada e visualización de información (armario de control e protección).
O armario do transformador de entrada transfire enerxía da fonte de alimentación trifásica a un transformador de entrada de devanados múltiples, que distribúe a tensión reducida a un inversor de varios niveis.
Un inversor multinivel consiste en células unificadas - conversores. O número de celas está determinado polo deseño e fabricante específicos. Cada célula está equipada cun rectificador e un filtro de enlace de CC cun inversor de tensión en ponte que utiliza transistores IGBT modernos (transistor bipolar de porta illada). A corrente alterna de entrada rectifícase inicialmente e despois convértese en corrente alterna con frecuencia e tensión axustables mediante un inversor de estado sólido.
As fontes resultantes de tensión alterna controlada conéctanse en serie en enlaces, formando unha fase de tensión. A construción dun sistema de potencia de saída trifásico para un motor asíncrono realízase conectando enlaces segundo o circuíto "STAR".
O sistema de control de protección está situado no armario de control e protección e está representado por unha unidade de microprocesador multifuncional cun sistema de alimentación procedente da propia fonte de enerxía do conversor, un dispositivo de entrada/saída de información e sensores primarios dos modos eléctricos de funcionamento do conversor.
Potencial de aforro: contando xuntos
A partir dos datos proporcionados por Mitsubishi Electric, avaliaremos o potencial de aforro enerxético ao introducir convertidores de frecuencia.
En primeiro lugar, vexamos como cambia a potencia nos diferentes modos de control do motor:
Agora imos dar un exemplo de cálculo.
Eficiencia do motor eléctrico: 96,5%;
Eficiencia do convertidor de frecuencia variable: 97%;
Potencia do eixo do ventilador ao volume nominal: 1100 kW;
Características do ventilador: H = 1,4 p.u. en Q=0;
Tempo de traballo completo ao ano: 8000 h.
Modos de funcionamento do ventilador segundo a programación:
Da gráfica obtemos os seguintes datos:
100% de consumo de aire - 20% do tempo de funcionamento ao ano;
70% de consumo de aire - 50% do tempo de funcionamento ao ano;
50% de consumo de aire - 30% de tempo de funcionamento ao ano.
O aforro entre o funcionamento a carga nominal e o funcionamento coa capacidade de controlar a velocidade do motor (operación en conxunto cun VFD) son iguais a:
7 kWh/ano - 446 kWh/ano= 400 kWh/ano
Temos en conta a tarifa eléctrica igual a 1 kWh / 5,5 rublos. Paga a pena notar que o custo tómase segundo a primeira categoría de prezos e o valor medio dunha das empresas industriais do Territorio de Primorsky para 2019.
Imos conseguir o aforro en termos monetarios:
3 kWh/ano*600 rublos/kWh= 000 rublos/ano
A práctica de implementar tales proxectos permite, tendo en conta os custos de operación e reparación, así como o custo dos propios convertidores de frecuencia, acadar un período de amortización de 3 anos.
Como mostran as cifras, non hai dúbida sobre a viabilidade económica de introducir VFD. Non obstante, o efecto da súa implementación non se limita só á economía. Os VFD arrancan o motor sen problemas, reducindo significativamente o seu desgaste, pero falarei diso a próxima vez.
Fonte: www.habr.com