Az iparban a villamos energia több mint 60%-át aszinkron elektromos hajtások fogyasztják – szivattyúzásban, kompresszorban, szellőztetőben és egyéb berendezésekben. Ez a legegyszerűbb, ezért legolcsóbb és legmegbízhatóbb motortípus.
A különféle ipari gyártás technológiai folyamata bármely hajtómű forgási sebességének rugalmas változtatását igényli. Az elektronikai és számítástechnika gyors fejlődésének, valamint az elektromos veszteségek csökkentésének vágyának köszönhetően megjelentek a különféle típusú villanymotorok gazdaságos vezérlésére szolgáló eszközök. Ebben a cikkben arról fogunk beszélni, hogyan biztosíthatjuk az elektromos hajtás leghatékonyabb vezérlését. Munka egy cégnél (cégcsoport ), úgy látom, ügyfeleink egyre jobban odafigyelnek az energiahatékonyságra
A gyártó- és feldolgozóüzemek által felhasznált elektromos energia nagy részét valamilyen mechanikai munka elvégzésére fordítják. A különféle gyártási és technológiai mechanizmusok munkarészeinek meghajtására túlnyomórészt mókuskalitkás rotorral ellátott aszinkron villanymotorokat használnak (a jövőben erről a típusú villanymotorról beszélünk). Maga a villanymotor, annak vezérlőrendszere és a mozgást a motor tengelyétől a gyártószerkezet felé továbbító mechanikus berendezés elektromos hajtásrendszert alkot.
A minimális elektromos veszteség jelenléte a tekercsekben a motor forgási sebességének szabályozása miatt, a zökkenőmentes indítás lehetősége a frekvencia és feszültség egyenletes növekedése miatt - ezek az elektromos motorok hatékony szabályozásának fő előfeltételei.
Végül is korábban léteztek és léteznek olyan motorvezérlési módszerek, mint:
- reosztatikus frekvenciaszabályozás további aktív ellenállások bevezetésével a motortekercs-áramkörökben, kontaktorok által egymás után rövidre zárva;
- feszültségváltozás az állórész kivezetésein, miközben az ilyen feszültség frekvenciája állandó és megegyezik az ipari váltakozó áramú hálózat frekvenciájával;
- lépésszabályozás az állórész tekercselés póluspárjainak megváltoztatásával.
De ezek és más frekvenciaszabályozási módszerek magukban hordozzák a fő hátrányt - jelentős elektromos energiaveszteséget, és a lépésszabályozás értelemszerűen nem elég rugalmas módszer.
Elkerülhetetlenek a veszteségek?
Nézzük meg részletesebben az aszinkron villanymotorban előforduló elektromos veszteségeket.
Az elektromos hajtás működését számos elektromos és mechanikai mennyiség jellemzi.
Az elektromos mennyiségek a következőket tartalmazzák:
- hálózati feszültség,
- motor áram,
- mágneses fluxus,
- elektromotoros erő (EMF).
A fő mechanikai mennyiségek a következők:
- n forgási sebesség (rpm),
- a motor M (N•m) forgatónyomatéka,
- a villanymotor mechanikai teljesítménye P (W), amelyet a nyomaték és a fordulatszám szorzata határoz meg: P=(M•n)/(9,55).
A forgási sebesség jelölésére az n forgási frekvencia mellett egy másik, a fizikából ismert mennyiséget is használnak - az ω szögsebességet, amelyet radián per másodpercben (rad/s) fejeznek ki. Az ω szögsebesség és az n forgási frekvencia között a következő összefüggés van:
figyelembe véve a képlet alakját:
A motor M nyomatékának n forgórészének forgási sebességétől való függését a villanymotor mechanikai jellemzőjének nevezzük. Vegye figyelembe, hogy amikor egy aszinkron gép működik, az úgynevezett elektromágneses teljesítmény az állórészről a forgórészre a légrésen keresztül, elektromágneses tér segítségével kerül továbbításra:
Ennek a teljesítménynek egy része a (2) kifejezésnek megfelelő mechanikai teljesítmény formájában a forgórész tengelyére kerül, a többi pedig a forgórész áramkör mindhárom fázisának aktív ellenállásaiban bekövetkező veszteségek formájában szabadul fel.
Ezek az elektromos veszteségek egyenlőek:
Így az elektromos veszteségeket a tekercseken áthaladó áram négyzete határozza meg.
Ezeket nagyrészt az aszinkron motor terhelése határozza meg. Az elektromos veszteségek kivételével minden más típusú veszteség kevésbé változik a terhelés hatására.
Ezért nézzük meg, hogyan változnak az aszinkron motor elektromos veszteségei, ha a forgási sebességet szabályozzuk.
A közvetlenül az elektromos motor forgórészének tekercsében keletkező elektromos veszteségek hő formájában szabadulnak fel a gép belsejében, és ezért meghatározzák annak fűtését. Nyilvánvaló, hogy minél nagyobb az elektromos veszteség a forgórész áramkörében, annál alacsonyabb a motor hatásfoka, annál kevésbé gazdaságos a működése.
Figyelembe véve, hogy az állórész veszteségei megközelítőleg arányosak a forgórész veszteségeivel, még érthetőbb a forgórész elektromos veszteségének csökkentésére irányuló törekvés. A motorfordulatszám szabályozásának az a módszere gazdaságos, amelynél a forgórész elektromos veszteségei viszonylag kicsik.
A kifejezések elemzéséből az következik, hogy a motorok vezérlésének leggazdaságosabb módja a szinkronhoz közeli forgórész-fordulatszám.
Változó frekvenciájú meghajtók
Telepítések, például változtatható frekvenciájú meghajtók (VFD), más néven frekvenciaváltók (FC-k). Ezek a beállítások lehetővé teszik az elektromos motorhoz táplált háromfázisú feszültség frekvenciájának és amplitúdójának megváltoztatását, aminek köszönhetően a vezérlőmechanizmusok működési módjai rugalmasan változnak.
Változófrekvenciás nagyfeszültségű meghajtó
VFD kialakítás
Itt található a meglévő frekvenciaváltók rövid leírása.
Szerkezetileg az átalakító funkcionálisan kapcsolódó blokkokból áll: bemeneti transzformátor blokk (transzformátor szekrény); egy többszintű inverter (inverter szekrény) és egy vezérlő és védelmi rendszer információbeviteli és kijelző egységgel (vezérlő és védő szekrény).
A bemeneti transzformátor szekrény energiát ad át a háromfázisú tápegységről egy több tekercses bemeneti transzformátorra, amely a csökkentett feszültséget egy többszintű inverterre osztja el.
A többszintű inverter egységes cellákból - konverterekből áll. A cellák számát az adott kivitel és gyártó határozza meg. Mindegyik cella egy egyenirányítóval és egy DC-köri szűrővel van felszerelve, modern IGBT tranzisztorokat (szigetelt kapu bipoláris tranzisztor) használó hídfeszültség inverterrel. A bemeneti váltóáramot kezdetben egyenirányítják, majd egy szilárdtest-inverterrel állítható frekvenciájú és feszültségű váltakozó árammá alakítják.
Az így létrejövő szabályozott váltakozó feszültség forrásai sorba vannak kapcsolva linkekbe, feszültségfázisot képezve. Az aszinkron motor háromfázisú kimeneti teljesítményrendszerének felépítése a „STAR” áramkör szerinti összeköttetésekkel történik.
A védelmi vezérlőrendszer a vezérlő- és védelmi szekrényben található, és egy többfunkciós mikroprocesszoros egység képviseli az átalakító saját áramforrásáról táplált táprendszerrel, egy információs bemeneti/kimeneti eszközzel és a konverter elektromos üzemmódjainak elsődleges érzékelőivel.
Megtakarítási lehetőség: együtt számolunk
A Mitsubishi Electric által szolgáltatott adatok alapján értékeljük az energiamegtakarítási potenciált a frekvenciaváltók bevezetésekor.
Először nézzük meg, hogyan változik a teljesítmény a különböző motorvezérlési módokban:
Most adjunk példát egy számításra.
КПД электродвигателя: 96,5%;
A frekvenciaváltó hatásfoka: 97%;
Ventilátortengely teljesítmény névleges térfogaton: 1100 kW;
A ventilátor jellemzői: H=1,4 p.u. -on Q=0;
Teljes munkaidő évente: 8000 h.
Ventilátor üzemmódok az ütemterv szerint:
A grafikonból a következő adatokat kapjuk:
100%-os levegőfogyasztás – az üzemidő 20%-a évente;
70%-os levegőfogyasztás – az üzemidő 50%-a évente;
50% levegőfogyasztás – évi 30% üzemidő.
A névleges terhelés melletti működés és a motor fordulatszám-szabályozási képességével (a VFD-vel való működés) közötti megtakarítás egyenlő:
7 446 400 kWh/év - 3 846 400 kWh/év = 3 600 000 kWh/év
Vegyük figyelembe az 1 kWh / 5,5 rubelnek megfelelő villamosenergia-tarifát. Érdemes megjegyezni, hogy a költségeket az első árkategória és a Primorsky terület egyik ipari vállalkozásának 2019-es átlagértéke alapján számítják ki.
Nézzük a megtakarítást pénzben kifejezve:
3 600 000 kWh/év*5,5 rubel/kWh = 19 800 000 rubel/év
Az ilyen projektek megvalósításának gyakorlata, figyelembe véve az üzemeltetési és javítási költségeket, valamint maguknak a frekvenciaváltóknak a költségeit, lehetővé teszi a 3 éves megtérülési idő elérését.
Amint a számok mutatják, a VFD-k bevezetésének gazdasági megvalósíthatóságához nem fér kétség. Megvalósításuk hatása azonban nem korlátozódik pusztán a gazdaságra. A VFD-k simán beindítják a motort, jelentősen csökkentve a kopását, de erről majd legközelebb.
Forrás: will.com