Nell'industria, oltre il 60% dell'elettricità viene consumata da azionamenti elettrici asincroni - in impianti di pompaggio, compressori, ventilazione e altri. Questo è il tipo di motore più semplice, e quindi più economico e affidabile.
Il processo tecnologico di varie produzioni industriali richiede cambiamenti flessibili nella velocità di rotazione di qualsiasi attuatore. Grazie al rapido sviluppo della tecnologia elettronica e informatica, nonché al desiderio di ridurre le perdite di elettricità, sono comparsi dispositivi per il controllo economico di motori elettrici di vario tipo. In questo articolo parleremo di come garantire il controllo più efficiente di una trazione elettrica. Lavorare in un'azienda (gruppo societario ), vedo che i nostri clienti prestano sempre più attenzione all'efficienza energetica
La maggior parte dell’energia elettrica consumata dagli impianti di produzione e di processo viene utilizzata per eseguire qualche tipo di lavoro meccanico. Per azionare le parti funzionanti di vari meccanismi produttivi e tecnologici, vengono utilizzati prevalentemente motori elettrici asincroni con rotore a gabbia di scoiattolo (in futuro parleremo di questo tipo di motore elettrico). Il motore elettrico stesso, il suo sistema di controllo e il dispositivo meccanico che trasmette il movimento dall'albero motore al meccanismo di produzione costituiscono un sistema di azionamento elettrico.
La presenza di perdite di elettricità minime negli avvolgimenti dovute alla regolazione della velocità di rotazione del motore, la possibilità di un avviamento regolare grazie ad un aumento uniforme di frequenza e tensione: questi sono i principali postulati per un controllo efficace dei motori elettrici.
Dopotutto, in precedenza esistevano ed esistono ancora metodi di controllo del motore come:
- controllo reostatico della frequenza mediante introduzione di ulteriori resistenze attive nei circuiti di avvolgimento del motore, cortocircuitate sequenzialmente da contattori;
- variazione di tensione ai terminali dello statore, mentre la frequenza di tale tensione è costante e uguale alla frequenza della rete CA industriale;
- regolazione a gradini modificando il numero di coppie polari dell'avvolgimento statorico.
Ma questi e altri metodi di regolazione della frequenza portano con sé lo svantaggio principale: perdite significative di energia elettrica e la regolazione a gradini, per definizione, non è un metodo sufficientemente flessibile.
Le perdite sono inevitabili?
Soffermiamoci più in dettaglio sulle perdite elettriche che si verificano in un motore elettrico asincrono.
Il funzionamento di un azionamento elettrico è caratterizzato da una serie di quantità elettriche e meccaniche.
Le quantità elettriche includono:
- tensione di rete,
- corrente del motore,
- flusso magnetico,
- forza elettromotrice (EMF).
Le principali grandezze meccaniche sono:
- velocità di rotazione n (rpm),
- coppia rotante M (N•m) del motore,
- potenza meccanica del motore elettrico P (W), determinata dal prodotto della coppia e della velocità di rotazione: P=(M•n)/(9,55).
Per indicare la velocità del movimento rotatorio, insieme alla frequenza di rotazione n, viene utilizzata un'altra grandezza conosciuta dalla fisica: la velocità angolare ω, che è espressa in radianti al secondo (rad/s). Esiste la seguente relazione tra la velocità angolare ω e la frequenza di rotazione n:
tenendo conto del quale la formula assume la forma:
La dipendenza della coppia del motore M dalla velocità di rotazione del suo rotore n è chiamata caratteristica meccanica del motore elettrico. Si noti che quando una macchina asincrona funziona, la cosiddetta potenza elettromagnetica viene trasmessa dallo statore al rotore attraverso il traferro utilizzando un campo elettromagnetico:
Una parte di questa potenza viene trasmessa all'albero del rotore sotto forma di potenza meccanica secondo l'espressione (2), la parte restante viene rilasciata sotto forma di perdite nelle resistenze attive di tutte e tre le fasi del circuito del rotore.
Tali perdite, dette elettriche, sono pari a:
Pertanto, le perdite elettriche sono determinate dal quadrato della corrente che passa attraverso gli avvolgimenti.
Sono in gran parte determinati dal carico del motore asincrono. Tutti gli altri tipi di perdite, ad eccezione di quelle elettriche, cambiano in modo meno significativo con il carico.
Consideriamo quindi come cambiano le perdite elettriche di un motore asincrono quando viene controllata la velocità di rotazione.
Le perdite elettriche direttamente nell'avvolgimento del rotore di un motore elettrico vengono rilasciate sotto forma di calore all'interno della macchina e ne determinano quindi il riscaldamento. Ovviamente, quanto maggiori sono le perdite elettriche nel circuito del rotore, tanto minore è l'efficienza del motore, tanto meno economico è il suo funzionamento.
Considerando che le perdite dello statore sono approssimativamente proporzionali alle perdite del rotore, il desiderio di ridurre le perdite elettriche nel rotore è ancora più comprensibile. È economico quel metodo di regolazione del numero di giri del motore in cui le perdite elettriche nel rotore sono relativamente piccole.
Dall'analisi delle espressioni ne consegue che il modo più economico per controllare i motori è con una velocità del rotore prossima a quella sincrona.
Azionamenti a frequenza variabile
Installazioni come azionamenti a frequenza variabile (VFD), chiamati anche convertitori di frequenza (FC)). Queste impostazioni consentono di modificare la frequenza e l'ampiezza della tensione trifase fornita al motore elettrico, grazie alla quale si ottiene un cambiamento flessibile nelle modalità operative dei meccanismi di controllo.
Azionamento a frequenza variabile ad alta tensione
Progettazione VFD
Ecco una breve descrizione dei convertitori di frequenza esistenti.
Strutturalmente, il convertitore è costituito da blocchi funzionalmente correlati: blocco trasformatore di ingresso (armadio trasformatore); un inverter multilivello (armadio inverter) e un sistema di controllo e protezione con un'unità di ingresso e visualizzazione delle informazioni (armadio di controllo e protezione).
L'armadio del trasformatore di ingresso trasferisce l'energia dall'alimentazione trifase a un trasformatore di ingresso multi-avvolgimento, che distribuisce la tensione ridotta ad un inverter multilivello.
Un inverter multilivello è costituito da celle unificate: convertitori. Il numero di celle è determinato dal design e dal produttore specifici. Ogni cella è dotata di un raddrizzatore e di un filtro del collegamento DC con invertitore di tensione a ponte che utilizza moderni transistor IGBT (transistor bipolare a gate isolato). La corrente AC in ingresso viene inizialmente raddrizzata e poi convertita in corrente alternata con frequenza e tensione regolabili mediante un inverter a stato solido.
Le sorgenti risultanti di tensione alternata controllata sono collegate in serie in collegamenti, formando una fase di tensione. La costruzione di un sistema di potenza in uscita trifase per un motore asincrono viene effettuata collegando i collegamenti secondo il circuito "STAR".
Il sistema di controllo della protezione si trova nell'armadio di controllo e protezione ed è rappresentato da un'unità multifunzionale a microprocessore con un sistema di alimentazione dalla fonte di alimentazione propria del convertitore, un dispositivo di input/output di informazioni e sensori primari delle modalità operative elettriche del convertitore.
Potenziale di risparmio: contare insieme
Sulla base dei dati forniti da Mitsubishi Electric, valuteremo il potenziale di risparmio energetico con l'introduzione dei convertitori di frequenza.
Innanzitutto, vediamo come cambia la potenza nelle diverse modalità di controllo del motore:
Ora diamo un esempio di calcolo.
Efficienza del motore elettrico: 96,5%;
Efficienza del convertitore di frequenza: 97%;
Potenza albero ventilatore al volume nominale: 1100 kW;
Caratteristiche del ventilatore: H=1,4 p.u. a Q = 0;
Orario di lavoro completo all'anno: ore 8000.
Modalità di funzionamento del ventilatore secondo il programma:
Dal grafico otteniamo i seguenti dati:
Consumo d'aria al 100% – 20% del tempo di funzionamento all'anno;
Consumo d'aria al 70% – 50% del tempo di funzionamento all'anno;
50% di consumo d'aria – 30% di tempo di funzionamento all'anno.
Il risparmio tra il funzionamento a carico nominale e il funzionamento con la possibilità di controllare la velocità del motore (funzionamento in combinazione con un VFD) è pari a:
7 kWh/anno - 446 kWh/anno= 400 kWh/anno
Prendiamo in considerazione la tariffa elettrica pari a 1 kWh / 5,5 rubli. Vale la pena notare che il costo viene calcolato in base alla prima categoria di prezzo e al valore medio di una delle imprese industriali del Territorio di Primorsky per il 2019.
Prendiamo il risparmio in termini monetari:
3 kWh/anno*600 rubli/kWh= 000 rubli/anno
La pratica di implementare tali progetti consente, tenendo conto dei costi di funzionamento e riparazione, nonché del costo dei convertitori di frequenza stessi, di raggiungere un periodo di ammortamento di 3 anni.
Come mostrano le cifre, non vi sono dubbi sulla fattibilità economica dell’introduzione dei VFD. Tuttavia, l’effetto della loro attuazione non si limita alla sola economia. I VFD avviano dolcemente il motore, riducendone significativamente l'usura, ma di questo ne parlerò la prossima volta.
Fonte: habr.com