मोटरों को नियंत्रित करने का सबसे किफायती तरीका आवृत्ति कनवर्टर है

उद्योग में, 60% से अधिक बिजली की खपत एसिंक्रोनस इलेक्ट्रिक ड्राइव द्वारा की जाती है - पंपिंग, कंप्रेसर, वेंटिलेशन और अन्य प्रतिष्ठानों में। यह सबसे सरल, और इसलिए सबसे सस्ता और सबसे विश्वसनीय प्रकार का इंजन है।

विभिन्न औद्योगिक उत्पादनों की तकनीकी प्रक्रिया के लिए किसी भी एक्चुएटर्स की रोटेशन गति में लचीले बदलाव की आवश्यकता होती है। इलेक्ट्रॉनिक और कंप्यूटर प्रौद्योगिकी के तेजी से विकास के साथ-साथ बिजली के नुकसान को कम करने की इच्छा के कारण, विभिन्न प्रकार की इलेक्ट्रिक मोटरों के किफायती नियंत्रण के लिए उपकरण सामने आए हैं। इस लेख में हम इस बारे में बात करेंगे कि इलेक्ट्रिक ड्राइव का सबसे कुशल नियंत्रण कैसे सुनिश्चित किया जाए। एक कंपनी में काम करते हैं "प्रथम इंजीनियर" (कंपनी समूह लैनिट), मैं देख रहा हूं कि हमारे ग्राहक ऊर्जा दक्षता पर अधिक ध्यान दे रहे हैं

विनिर्माण और प्रसंस्करण संयंत्रों द्वारा खपत की जाने वाली अधिकांश विद्युत ऊर्जा का उपयोग किसी प्रकार के यांत्रिक कार्य करने के लिए किया जाता है। विभिन्न उत्पादन और तकनीकी तंत्रों के कामकाजी भागों को चलाने के लिए, गिलहरी-पिंजरे रोटर के साथ अतुल्यकालिक इलेक्ट्रिक मोटर्स का मुख्य रूप से उपयोग किया जाता है (भविष्य में हम इस प्रकार की इलेक्ट्रिक मोटर के बारे में बात करेंगे)। विद्युत मोटर स्वयं, इसकी नियंत्रण प्रणाली और यांत्रिक उपकरण जो मोटर शाफ्ट से उत्पादन तंत्र तक गति संचारित करते हैं, एक विद्युत ड्राइव प्रणाली बनाते हैं।

मोटर रोटेशन गति के नियमन के कारण वाइंडिंग में न्यूनतम बिजली हानि की उपस्थिति, आवृत्ति और वोल्टेज में एक समान वृद्धि के कारण सुचारू शुरुआत की संभावना - ये इलेक्ट्रिक मोटर्स के प्रभावी नियंत्रण के मुख्य सिद्धांत हैं।

आख़िरकार, इंजन नियंत्रण के ऐसे तरीके पहले भी मौजूद थे और अब भी मौजूद हैं:

• संपर्ककर्ताओं द्वारा क्रमिक रूप से शॉर्ट-सर्किट किए गए मोटर वाइंडिंग सर्किट में अतिरिक्त सक्रिय प्रतिरोधों को पेश करके रिओस्टैटिक आवृत्ति नियंत्रण;
• स्टेटर टर्मिनलों पर वोल्टेज में परिवर्तन, जबकि ऐसे वोल्टेज की आवृत्ति स्थिर होती है और औद्योगिक एसी नेटवर्क की आवृत्ति के बराबर होती है;
• स्टेटर वाइंडिंग के पोल जोड़े की संख्या को बदलकर चरण विनियमन।

लेकिन आवृत्ति विनियमन के ये और अन्य तरीके अपने साथ मुख्य दोष लेकर आते हैं - विद्युत ऊर्जा का महत्वपूर्ण नुकसान, और चरण विनियमन, परिभाषा के अनुसार, पर्याप्त लचीली विधि नहीं है।

क्या हानि अपरिहार्य है?

आइए हम अतुल्यकालिक इलेक्ट्रिक मोटर में होने वाले विद्युत नुकसान पर अधिक विस्तार से ध्यान दें।

एक इलेक्ट्रिक ड्राइव का संचालन कई विद्युत और यांत्रिक मात्राओं की विशेषता है।

विद्युत मात्रा में शामिल हैं:

• मुख्य वोल्टेज,
• मोटर करंट,
• चुंबकीय प्रवाह,
• इलेक्ट्रोमोटिव बल (ईएमएफ)।

मुख्य यांत्रिक मात्राएँ हैं:

• घूर्णन गति n (आरपीएम),
• इंजन का घूर्णन टॉर्क एम (एन•एम),
• इलेक्ट्रिक मोटर की यांत्रिक शक्ति P (W), टॉर्क और घूर्णी गति के उत्पाद द्वारा निर्धारित: P=(M•n)/(9,55)।

घूर्णी गति की गति को दर्शाने के लिए, घूर्णन आवृत्ति n के साथ, भौतिकी से ज्ञात एक और मात्रा का उपयोग किया जाता है - कोणीय वेग ω, जो रेडियन प्रति सेकंड (रेड/एस) में व्यक्त किया जाता है। कोणीय वेग ω और घूर्णन आवृत्ति n के बीच निम्नलिखित संबंध है:

जिसे ध्यान में रखते हुए सूत्र इस प्रकार बनता है:

इसके रोटर n की घूर्णी गति पर इंजन टॉर्क M की निर्भरता को इलेक्ट्रिक मोटर की यांत्रिक विशेषता कहा जाता है। ध्यान दें कि जब एक अतुल्यकालिक मशीन संचालित होती है, तो तथाकथित विद्युत चुम्बकीय शक्ति एक विद्युत चुम्बकीय क्षेत्र का उपयोग करके वायु अंतराल के माध्यम से स्टेटर से रोटर तक प्रेषित होती है:

इस शक्ति का एक हिस्सा अभिव्यक्ति (2) के अनुसार यांत्रिक शक्ति के रूप में रोटर शाफ्ट को प्रेषित किया जाता है, और बाकी रोटर सर्किट के सभी तीन चरणों के सक्रिय प्रतिरोधों में नुकसान के रूप में जारी किया जाता है।

ये हानियाँ, जिन्हें विद्युत कहा जाता है, बराबर हैं:

इस प्रकार, विद्युत हानि वाइंडिंग से गुजरने वाली धारा के वर्ग द्वारा निर्धारित की जाती है।

वे काफी हद तक एसिंक्रोनस मोटर के भार से निर्धारित होते हैं। बिजली को छोड़कर अन्य सभी प्रकार के नुकसान, लोड के साथ कम महत्वपूर्ण रूप से बदलते हैं।

इसलिए, आइए विचार करें कि घूर्णन गति को नियंत्रित करने पर एक अतुल्यकालिक मोटर की विद्युत हानि कैसे बदलती है।

विद्युत मोटर की रोटर वाइंडिंग में सीधे विद्युत हानि मशीन के अंदर गर्मी के रूप में जारी होती है और इसलिए इसकी हीटिंग निर्धारित करती है। जाहिर है, रोटर सर्किट में विद्युत हानि जितनी अधिक होगी, इंजन की दक्षता उतनी ही कम होगी, इसका संचालन उतना ही कम किफायती होगा।

यह ध्यान में रखते हुए कि स्टेटर हानियाँ लगभग रोटर हानियों के समानुपाती होती हैं, रोटर में विद्युत हानियों को कम करने की इच्छा और भी अधिक समझ में आती है। इंजन की गति को नियंत्रित करने की वह विधि किफायती है, जिसमें रोटर में विद्युत हानि अपेक्षाकृत कम होती है।

अभिव्यक्तियों के विश्लेषण से यह पता चलता है कि मोटरों को नियंत्रित करने का सबसे किफायती तरीका सिंक्रोनस के करीब रोटर गति पर है।

चर आवृत्ति ड्राइव

वैरिएबल-फ़्रीक्वेंसी ड्राइव (वीएफडी) जैसे इंस्टॉलेशन, जिन्हें फ़्रीक्वेंसी कन्वर्टर्स (एफसी) भी कहा जाता है)। ये सेटिंग्स आपको इलेक्ट्रिक मोटर को आपूर्ति की गई तीन-चरण वोल्टेज की आवृत्ति और आयाम को बदलने की अनुमति देती हैं, जिसके कारण नियंत्रण तंत्र के ऑपरेटिंग मोड में एक लचीला परिवर्तन प्राप्त होता है।

उच्च वोल्टेज परिवर्तनीय आवृत्ति ड्राइव

वीएफडी डिज़ाइन

यहां मौजूदा फ़्रीक्वेंसी कन्वर्टर्स का संक्षिप्त विवरण दिया गया है।

संरचनात्मक रूप से, कनवर्टर में कार्यात्मक रूप से संबंधित ब्लॉक होते हैं: इनपुट ट्रांसफार्मर ब्लॉक (ट्रांसफार्मर कैबिनेट); एक बहु-स्तरीय इन्वर्टर (इन्वर्टर कैबिनेट) और एक सूचना इनपुट और डिस्प्ले यूनिट (नियंत्रण और सुरक्षा कैबिनेट) के साथ एक नियंत्रण और सुरक्षा प्रणाली।

इनपुट ट्रांसफार्मर कैबिनेट तीन-चरण बिजली आपूर्ति से ऊर्जा को एक बहु-घुमावदार इनपुट ट्रांसफार्मर में स्थानांतरित करता है, जो कम वोल्टेज को एक बहु-स्तरीय इन्वर्टर में वितरित करता है।

एक बहुस्तरीय इन्वर्टर में एकीकृत सेल - कन्वर्टर्स होते हैं। कोशिकाओं की संख्या विशिष्ट डिज़ाइन और निर्माता द्वारा निर्धारित की जाती है। प्रत्येक सेल आधुनिक आईजीबीटी ट्रांजिस्टर (इंसुलेटेड गेट बाइपोलर ट्रांजिस्टर) का उपयोग करके ब्रिज वोल्टेज इन्वर्टर के साथ एक रेक्टिफायर और एक डीसी लिंक फिल्टर से सुसज्जित है। इनपुट एसी करंट को शुरू में ठीक किया जाता है और फिर एक सॉलिड-स्टेट इन्वर्टर का उपयोग करके समायोज्य आवृत्ति और वोल्टेज के साथ प्रत्यावर्ती धारा में परिवर्तित किया जाता है।

नियंत्रित वैकल्पिक वोल्टेज के परिणामी स्रोत श्रृंखला में लिंक से जुड़े होते हैं, जिससे वोल्टेज चरण बनता है। एक अतुल्यकालिक मोटर के लिए तीन-चरण आउटपुट पावर सिस्टम का निर्माण "स्टार" सर्किट के अनुसार लिंक जोड़कर किया जाता है।

सुरक्षा नियंत्रण प्रणाली नियंत्रण और सुरक्षा कैबिनेट में स्थित है और इसे कनवर्टर के स्वयं के पावर स्रोत, एक सूचना इनपुट/आउटपुट डिवाइस और कनवर्टर के विद्युत ऑपरेटिंग मोड के प्राथमिक सेंसर से बिजली आपूर्ति प्रणाली के साथ एक बहुआयामी माइक्रोप्रोसेसर इकाई द्वारा दर्शाया जाता है।

बचत क्षमता: एक साथ गिनती

मित्सुबिशी इलेक्ट्रिक द्वारा उपलब्ध कराए गए आंकड़ों के आधार पर, हम फ़्रीक्वेंसी कन्वर्टर्स पेश करते समय ऊर्जा बचत क्षमता का मूल्यांकन करेंगे।

सबसे पहले, आइए देखें कि विभिन्न इंजन नियंत्रण मोड के तहत शक्ति कैसे बदलती है:

अब एक गणना का उदाहरण देते हैं.

इलेक्ट्रिक मोटर दक्षता: 96,5% तक ;
परिवर्तनीय आवृत्ति ड्राइव दक्षता: 97% तक ;
नाममात्र मात्रा पर पंखे की शाफ्ट शक्ति: 1100 किलोवाट;
पंखे की विशेषताएं: एच=1,4 पी.यू. में क्यू = 0;
प्रति वर्ष पूर्ण कार्य समय: 8000 घंटे.
 
शेड्यूल के अनुसार फैन ऑपरेटिंग मोड:

ग्राफ़ से हमें निम्नलिखित डेटा मिलता है:

100% वायु खपत - प्रति वर्ष परिचालन समय का 20%;
70% वायु खपत - प्रति वर्ष परिचालन समय का 50%;
50% वायु खपत - प्रति वर्ष 30% परिचालन समय।

 
रेटेड लोड पर संचालन और मोटर गति को नियंत्रित करने की क्षमता (वीएफडी के साथ संयोजन में संचालन) के बीच बचत बराबर है:

7 kWh/वर्ष - 446 kWh/वर्ष = 400 kWh/वर्ष

आइए 1 kWh / 5,5 रूबल के बराबर बिजली शुल्क को ध्यान में रखें। यह ध्यान देने योग्य है कि लागत पहली मूल्य श्रेणी और 2019 के लिए प्रिमोर्स्की क्षेत्र के औद्योगिक उद्यमों में से एक के औसत मूल्य के अनुसार ली गई है।

आइए मौद्रिक संदर्भ में बचत प्राप्त करें:

3 kWh/वर्ष*600 रूबल/kWh= 000 रूबल/वर्ष

ऐसी परियोजनाओं को लागू करने का अभ्यास, संचालन और मरम्मत की लागत के साथ-साथ आवृत्ति कन्वर्टर्स की लागत को ध्यान में रखते हुए, 3 साल की पेबैक अवधि प्राप्त करने की अनुमति देता है।

जैसा कि आंकड़े बताते हैं, वीएफडी शुरू करने की आर्थिक व्यवहार्यता के बारे में कोई संदेह नहीं है। हालाँकि, इनके कार्यान्वयन का प्रभाव केवल अर्थव्यवस्था तक ही सीमित नहीं है। वीएफडी इंजन को सुचारू रूप से शुरू करते हैं, जिससे इसकी टूट-फूट काफी कम हो जाती है, लेकिन मैं इस बारे में अगली बार बात करूंगा।

स्रोत: www.habr.com