U industriji više od 60% električne energije troše asinkroni električni pogoni - u crpnim, kompresorskim, ventilacijskim i drugim instalacijama. Ovo je najjednostavniji, a time i najjeftiniji i najpouzdaniji tip motora.
Tehnološki proces raznih industrijskih proizvodnja zahtijeva fleksibilne promjene brzine rotacije bilo kojeg aktuatora. Zahvaljujući brzom razvoju elektroničke i računalne tehnologije, kao i želji za smanjenjem gubitaka električne energije, pojavili su se uređaji za ekonomično upravljanje elektromotorima raznih vrsta. U ovom ćemo članku govoriti o tome kako osigurati najučinkovitije upravljanje električnim pogonom. Rad u poduzeću (grupa poduzeća ), Vidim da naši kupci sve više pažnje posvećuju energetskoj učinkovitosti
Većina električne energije koju troše proizvodna i procesna postrojenja koristi se za obavljanje neke vrste mehaničkog rada. Za pogon radnih dijelova raznih proizvodno-tehnoloških mehanizama pretežno se koriste asinkroni elektromotori s kaveznim rotorom (u budućnosti će biti riječi o ovoj vrsti elektromotora). Sam elektromotor, njegov upravljački sustav i mehanički uređaj koji prenosi gibanje s osovine motora na proizvodni mehanizam čine električni pogonski sustav.
Prisutnost minimalnih gubitaka električne energije u namotima zbog regulacije brzine vrtnje motora, mogućnost glatkog pokretanja zbog ravnomjernog povećanja frekvencije i napona - to su glavni postulati učinkovitog upravljanja elektromotorima.
Uostalom, ranije su postojale i još uvijek postoje takve metode upravljanja motorom kao što su:
- reostatska kontrola frekvencije uvođenjem dodatnih aktivnih otpora u krugove namota motora, sekvencijalno kratko spojenih kontaktorima;
- promjena napona na stezaljkama statora, dok je frekvencija takvog napona konstantna i jednaka frekvenciji industrijske izmjenične mreže;
- stepenasta regulacija promjenom broja pari polova namota statora.
Ali ove i druge metode regulacije frekvencije nose sa sobom glavni nedostatak - značajne gubitke električne energije, a stepenasta regulacija po definiciji nije dovoljno fleksibilna metoda.
Jesu li gubici neizbježni?
Zadržimo se detaljnije na električnim gubicima koji se javljaju u asinkronom elektromotoru.
Rad električnog pogona karakterizira niz električnih i mehaničkih veličina.
Električne veličine uključuju:
- mrežni napon,
- struja motora,
- magnetski tok,
- elektromotorna sila (EMS).
Glavne mehaničke veličine su:
- brzina vrtnje n (rpm),
- rotacijski moment M (N•m) motora,
- mehanička snaga elektromotora P (W), određena umnoškom momenta i brzine vrtnje: P=(M•n)/(9,55).
Za označavanje brzine rotacijskog gibanja, uz frekvenciju rotacije n, koristi se još jedna veličina poznata iz fizike - kutna brzina ω, koja se izražava u radijanima po sekundi (rad/s). Između kutne brzine ω i frekvencije rotacije n postoji sljedeći odnos:
uzimajući u obzir što formula ima oblik:
Ovisnost momenta motora M o brzini vrtnje njegovog rotora n naziva se mehanička karakteristika elektromotora. Imajte na umu da kada asinkroni stroj radi, takozvana elektromagnetska energija se prenosi od statora do rotora kroz zračni raspor pomoću elektromagnetskog polja:
Dio te snage prenosi se na osovinu rotora u obliku mehaničke snage prema izrazu (2), a ostatak se oslobađa u obliku gubitaka u aktivnim otporima sve tri faze kruga rotora.
Ovi gubici, koji se nazivaju električni, jednaki su:
Dakle, električni gubici određeni su kvadratom struje koja prolazi kroz namote.
Oni su u velikoj mjeri određeni opterećenjem asinkronog motora. Sve ostale vrste gubitaka, osim električnih, manje se značajno mijenjaju s opterećenjem.
Stoga, razmotrimo kako se mijenjaju električni gubici asinkronog motora kada se kontrolira brzina vrtnje.
Električni gubici izravno u namotu rotora elektromotora oslobađaju se u obliku topline unutar stroja i stoga određuju njegovo zagrijavanje. Očito, što su veći električni gubici u krugu rotora, to je niža učinkovitost motora, to je manje ekonomičan njegov rad.
S obzirom da su gubici u statoru približno proporcionalni gubicima na rotoru, želja za smanjenjem električnih gubitaka u rotoru još je razumljivija. Ekonomičan je takav način regulacije broja okretaja motora, kod kojeg su električni gubici u rotoru relativno mali.
Iz analize izraza proizlazi da je najekonomičniji način upravljanja motorima pri brzini rotora bliskoj sinkronoj.
Pogoni promjenjive frekvencije
Instalacije kao što su pogoni s promjenjivom frekvencijom (VFD), koji se nazivaju i pretvarači frekvencije (FC). Ove postavke omogućuju vam promjenu frekvencije i amplitude trofaznog napona koji se dovodi do elektromotora, zbog čega se postiže fleksibilna promjena načina rada upravljačkih mehanizama.
Visokonaponski pogon promjenjive frekvencije
VFD dizajn
Ovdje je kratak opis postojećih pretvarača frekvencije.
Strukturno, pretvarač se sastoji od funkcionalno povezanih blokova: ulazni transformatorski blok (transformatorski ormar); višerazinski inverter (ormar invertera) i sustav upravljanja i zaštite s jedinicom za unos i prikaz informacija (ormar upravljanja i zaštite).
Ulazni transformatorski ormar prenosi energiju iz trofaznog napajanja u višenamotni ulazni transformator, koji distribuira reducirani napon na višerazinski pretvarač.
Višerazinski pretvarač sastoji se od objedinjenih ćelija - pretvarača. Broj ćelija određen je specifičnim dizajnom i proizvođačem. Svaka ćelija je opremljena ispravljačem i filtrom istosmjernog međukruga s mosnim pretvaračem napona koji koristi moderne IGBT tranzistore (bipolarni tranzistor s izoliranim vratima). Ulazna izmjenična struja prvo se ispravlja, a zatim pretvara u izmjeničnu struju s podesivom frekvencijom i naponom pomoću poluprovodničkog pretvarača.
Rezultirajući izvori kontroliranog izmjeničnog napona spojeni su serijski u veze, tvoreći naponsku fazu. Izgradnja trofaznog izlaznog elektroenergetskog sustava za asinkroni motor provodi se spajanjem veza prema krugu "STAR".
Sustav upravljanja zaštitom nalazi se u upravljačko-zaštitnom ormaru i predstavlja ga višenamjenska mikroprocesorska jedinica sa sustavom napajanja iz vlastitog izvora napajanja pretvarača, informacijskim ulazno/izlaznim uređajem i primarnim senzorima električnih načina rada pretvarača.
Potencijal uštede: računamo zajedno
Na temelju podataka koje nam je dostavio Mitsubishi Electric, procijenit ćemo potencijal uštede energije pri uvođenju frekvencijskih pretvarača.
Prvo, da vidimo kako se snaga mijenja pod različitim načinima upravljanja motorom:
Sada dajmo primjer izračuna.
Učinkovitost elektromotora: 96,5%;
Učinkovitost pogona varijabilne frekvencije: 97%;
Snaga osovine ventilatora pri nazivnoj zapremini: 1100 kW;
Karakteristike ventilatora: H=1,4 p.u. na Q=0;
Puno radno vrijeme godišnje: 8000 h.
Načini rada ventilatora prema rasporedu:
Iz grafikona dobivamo sljedeće podatke:
100% potrošnja zraka – 20% radnog vremena godišnje;
70% potrošnja zraka – 50% radnog vremena godišnje;
50% potrošnje zraka – 30% radnog vremena godišnje.
Uštede između rada pri nazivnom opterećenju i rada s mogućnošću kontrole brzine motora (rad u kombinaciji s VFD) jednake su:
7 kWh/godina - 446 kWh/godina= 400 kWh/godina
Uzmimo u obzir tarifu električne energije jednaku 1 kWh / 5,5 rubalja. Vrijedno je napomenuti da se trošak uzima prema prvoj cjenovnoj kategoriji i prosječnoj vrijednosti za jedno od industrijskih poduzeća Primorskog teritorija za 2019. godinu.
Uštedimo u novcu:
3 kWh/godina*600 rub/kWh= 000 rub/godina
Praksa provedbe takvih projekata omogućuje, uzimajući u obzir troškove rada i popravaka, kao i troškove samih pretvarača frekvencije, postizanje razdoblja povrata od 3 godine.
Kao što brojke pokazuju, nema sumnje u ekonomsku isplativost uvođenja VFD-ova. Međutim, učinak njihove primjene nije ograničen samo na gospodarstvo. VFD-ovi glatko pokreću motor, značajno smanjujući njegovo trošenje, ali o tome ću sljedeći put.
Izvor: www.habr.com