הדרך החסכונית ביותר לשלוט במנועים היא ממיר תדרים

בתעשייה, למעלה מ-60% מהחשמל נצרך על ידי כוננים חשמליים אסינכרוניים - במתקני שאיבה, מדחס, אוורור ועוד. זהו סוג המנוע הפשוט ביותר, ולכן הזול והאמין ביותר.

התהליך הטכנולוגי של הפקות תעשייתיות שונות דורש שינויים גמישים במהירות הסיבוב של כל מפעיל. הודות להתפתחות המהירה של טכנולוגיית אלקטרונית ומחשוב, כמו גם הרצון להפחית את הפסדי החשמל, הופיעו מכשירים לשליטה חסכונית במנועים חשמליים מסוגים שונים. במאמר זה נדבר כיצד להבטיח את השליטה היעילה ביותר בכונן חשמלי. עבודה בחברה "מהנדס ראשון" (קבוצת חברה LANIT), אני רואה שהלקוחות שלנו מקדישים יותר ויותר תשומת לב ליעילות אנרגטית

רוב האנרגיה החשמלית הנצרכת על ידי מפעלי ייצור ותהליכים משמשת לביצוע עבודה מכנית כלשהי. כדי להניע את החלקים הפועלים של מנגנוני ייצור וטכנולוגיים שונים, משתמשים בעיקר במנועים חשמליים אסינכרוניים עם רוטור של כלוב סנאי (בעתיד נדבר על סוג זה של מנוע חשמלי). המנוע החשמלי עצמו, מערכת הבקרה שלו והמכשיר המכני המעביר תנועה מציר המנוע למנגנון הייצור יוצרים מערכת הנעה חשמלית.

הנוכחות של הפסדי חשמל מינימליים בפיתולים עקב ויסות מהירות סיבוב המנוע, אפשרות של התחלה חלקה עקב עלייה אחידה בתדירות ובמתח - אלו הן ההנחות העיקריות של בקרה יעילה של מנועים חשמליים.

אחרי הכל, בעבר היו ועדיין קיימות שיטות לבקרת מנוע כמו:

• בקרת תדר ריאוסטטית על ידי החדרת התנגדויות אקטיביות נוספות במעגלי מתפתל המנוע, מקוצרים ברצף על ידי מגע;
• שינוי במתח במסופי הסטטור, בעוד שהתדירות של מתח כזה קבועה ושווה לתדר של רשת ה-AC התעשייתית;
• ויסות צעד על ידי שינוי מספר זוגות הקטבים של פיתול הסטטור.

אבל שיטות אלו ואחרות לוויסות תדרים נושאות איתן את החיסרון העיקרי - הפסדים משמעותיים של אנרגיה חשמלית, וויסות צעדים, בהגדרה, אינו שיטה גמישה מספיק.

האם הפסדים בלתי נמנעים?

הבה נתעכב ביתר פירוט על ההפסדים החשמליים המתרחשים במנוע חשמלי אסינכרוני.

פעולתו של כונן חשמלי מאופיינת במספר כמויות חשמליות ומכאניות.

כמויות החשמל כוללות:

• מתח רשת,
• זרם מנוע,
• שטף מגנטי,
• כוח חשמלי (EMF).

הכמויות המכניות העיקריות הן:

• מהירות סיבוב n (סל"ד),
• מומנט סיבוב M (N•m) של המנוע,
• הספק מכני של המנוע החשמלי P (W), נקבע לפי מכפלת המומנט ומהירות הסיבוב: P=(M•n)/(9,55).

לציון מהירות התנועה הסיבובית, יחד עם תדר הסיבוב n, נעשה שימוש בכמות נוספת המוכרת מהפיזיקה - המהירות הזוויתית ω, המתבטאת ברדיאנים לשנייה (rad/s). קיים הקשר הבא בין מהירות הזווית ω לתדר הסיבוב n:

תוך התחשבות באיזו הנוסחה לובשת את הצורה:

התלות של מומנט המנוע M במהירות הסיבוב של הרוטור n שלו נקראת המאפיין המכני של המנוע החשמלי. שימו לב שכאשר מכונה אסינכרונית פועלת, מה שנקרא כוח אלקטרומגנטי מועבר מהסטטור לרוטור דרך מרווח האוויר באמצעות שדה אלקטרומגנטי:

חלק מהכוח הזה מועבר לציר הרוטור בצורה של כוח מכני לפי ביטוי (2), והשאר משתחרר בצורה של הפסדים בהתנגדויות האקטיביות של כל שלושת השלבים של מעגל הרוטור.

הפסדים אלה, הנקראים חשמליים, שווים ל:

לפיכך, הפסדים חשמליים נקבעים על ידי ריבוע הזרם העובר דרך הפיתולים.

הם נקבעים במידה רבה על ידי העומס של המנוע האסינכרוני. כל שאר סוגי ההפסדים, למעט אלו החשמליים, משתנים פחות משמעותית עם העומס.

לכן, הבה נבחן כיצד ההפסדים החשמליים של מנוע אסינכרוני משתנים כאשר מהירות הסיבוב נשלטת.

הפסדי חשמל ישירות בפיתול הרוטור של מנוע חשמלי משתחררים בצורה של חום בתוך המכונה ולכן קובעים את החימום שלה. ברור שככל שההפסדים החשמליים במעגל הרוטור גדולים יותר, כך יעילות המנוע נמוכה יותר, כך פעולתו פחות חסכונית.

בהתחשב בכך שהפסדי הסטטור הם פרופורציונליים בקירוב לאובדי הרוטור, הרצון להפחית את הפסדי החשמל ברוטור מובן אפילו יותר. שיטה זו לוויסות מהירות המנוע היא חסכונית, שבה הפסדי החשמל ברוטור קטנים יחסית.

מניתוח הביטויים עולה שהדרך החסכונית ביותר לשלוט במנועים היא במהירות הרוטור הקרובה לסינכרונית.

כונני תדר משתנה

התקנות כגון כוננים בתדר משתנה (VFDs), המכונים גם ממירי תדרים (FCs) ). הגדרות אלה מאפשרות לך לשנות את התדירות והמשרעת של המתח התלת פאזי המסופק למנוע החשמלי, שבגללו מושג שינוי גמיש במצבי הפעולה של מנגנוני הבקרה.

כונן תדר משתנה במתח גבוה

עיצוב VFD

להלן תיאור קצר של ממירי תדרים קיימים.

מבחינה מבנית, הממיר מורכב מבלוקים הקשורים פונקציונלית: בלוק שנאי קלט (ארון שנאי); מהפך רב-מפלסי (ארון אינוורטר) ומערכת בקרה והגנה עם יחידת קלט מידע ותצוגה (ארון בקרה ומיגון).

ארון שנאי הקלט מעביר אנרגיה מאספקת החשמל התלת פאזית לשנאי קלט רב מפותל, המפיץ את המתח המופחת למהפך רב מפלסי.

מהפך רב-שכבתי מורכב מתאים מאוחדים - ממירים. מספר התאים נקבע על ידי העיצוב והיצרן הספציפיים. כל תא מצויד במיישר ומסנן קישור DC עם מהפך מתח גשר באמצעות טרנזיסטורי IGBT מודרניים (טרנזיסטור דו-קוטבי שער מבודד). זרם ה-AC המבוא מתוקן בתחילה ולאחר מכן מומר לזרם חילופין עם תדר ומתח מתכווננים באמצעות מהפך במצב מוצק.

המקורות המתקבלים של מתח חילופין מבוקר מחוברים בסדרה לקישורים, ויוצרים שלב מתח. בניית מערכת כוח פלט תלת פאזי עבור מנוע אסינכרוני מתבצעת על ידי חיבור קישורים לפי מעגל "STAR".

מערכת בקרת ההגנה ממוקמת בארון הבקרה וההגנה ומיוצגת על ידי יחידת מיקרו-מעבד רב תכליתית עם מערכת אספקת חשמל ממקור החשמל של הממיר עצמו, התקן קלט/פלט מידע וחיישנים ראשיים של מצבי ההפעלה החשמליים של הממיר.

פוטנציאל חיסכון: סופרים ביחד

בהתבסס על נתונים שסיפקה מיצובישי אלקטריק, אנו נעריך את פוטנציאל החיסכון באנרגיה בעת הצגת ממירי תדר.

ראשית, בואו נראה כיצד הכוח משתנה במצבי בקרת מנוע שונים:

עכשיו בואו ניתן דוגמה לחישוב.

יעילות מנוע חשמלי: 96,5%;
יעילות כונן תדר משתנה: 97%;
כוח גל מאוורר בנפח נומינלי: 1100 קילוואט;
מאפייני מאוורר: H=1,4 p.u. при ש = 0;
זמן עבודה מלא בשנה: 8000.
 
מצבי הפעלה של מאוורר בהתאם ללוח הזמנים:

מהגרף נקבל את הנתונים הבאים:

100% צריכת אוויר – 20% מזמן ההפעלה בשנה;
70% צריכת אוויר – 50% מזמן ההפעלה בשנה;
50% צריכת אוויר – 30% זמן פעולה בשנה.

 
החיסכון בין פעולה בעומס מדורג לבין פעולה עם היכולת לשלוט על מהירות המנוע (פעולה בשילוב עם VFD) שווה ל:

7 קוט"ש/שנה - 446 קוט"ש/שנה= 400 קוט"ש/שנה

בואו ניקח בחשבון את תעריף החשמל השווה ל-1 קילוואט / 5,5 רובל. ראוי לציין כי העלות נלקחת לפי קטגוריית המחיר הראשונה והערך הממוצע לאחד ממפעלי התעשייה של טריטוריית פרימורסקי לשנת 2019.

בואו נקבל את החיסכון במונחים כספיים:

3 קוט"ש לשנה*600 שפשוף/קוט"ש= 000 שפשוף לשנה

הפרקטיקה של יישום פרויקטים כאלה מאפשרת, תוך התחשבות בעלויות התפעול והתיקונים, כמו גם עלות ממירי התדרים עצמם, להשיג תקופת החזר של 3 שנים.

כפי שהנתונים מראים, אין ספק לגבי ההיתכנות הכלכלית של הכנסת VFDs. עם זאת, השפעת יישומם אינה מוגבלת לכלכלה בלבד. VFDs מתניעים את המנוע בצורה חלקה, ומפחיתים משמעותית את הבלאי שלו, אבל אני אדבר על זה בפעם הבאה.

מקור: www.habr.com