モーターを制御する最も経済的な方法は周波数変換器です

産業界では、電力の 60% 以上がポンプ、コンプレッサー、換気装置、その他の設備の非同期電気ドライブによって消費されています。 これは最も単純なため、最も安価で信頼性の高いタイプのエンジンです。

さまざまな工業生産の技術プロセスでは、アクチュエータの回転速度を柔軟に変更することが必要です。 電子技術とコンピュータ技術の急速な発展、および電力損失を削減したいという要望のおかげで、さまざまな種類の電気モーターを経済的に制御するための装置が登場しました。 この記事では、電気駆動装置を最も効率的に制御する方法について説明します。 会社で働く 「ファーストエンジニア」 (企業グループ LANIT)、お客様がエネルギー効率にますます注目していることがわかります。

製造工場や加工工場で消費される電気エネルギーのほとんどは、何らかの機械的作業を行うために使用されます。 さまざまな生産および技術メカニズムの作動部分を駆動するために、かご型ローターを備えた非同期電気モーターが主に使用されます（将来的には、このタイプの電気モーターについて説明します）。 電気モーター自体、その制御システム、およびモーターシャフトから生産機構に動きを伝達する機械装置が電気駆動システムを形成します。

モーターの回転速度の調整による巻線での電気損失が最小限に抑えられること、周波数と電圧の均一な増加によるスムーズな始動の可能性 - これらは、電気モーターの効果的な制御の主な前提条件です。

結局のところ、以前は次のようなエンジン制御方法が存在し、現在も存在しています。

• モータ巻線回路に追加のアクティブ抵抗を導入し、コンタクタによって順次短絡することによるレオスタティック周波数制御。
• 固定子端子の電圧の変化。そのような電圧の周波数は一定であり、産業用 AC ネットワークの周波数に等しい。
• 固定子巻線の極対の数を変更することによるステップ調整。

しかし、これらおよび他の周波数調整方法には、電気エネルギーの大幅な損失という主な欠点があり、ステップ調整は、定義上、十分な柔軟性を備えた方法ではありません。

損失は​​避けられないのでしょうか？

非同期電気モーターで発生する電気損失についてさらに詳しく見てみましょう。

電気駆動装置の動作は、多くの電気的および機械的量によって特徴付けられます。

電気量には次のものが含まれます。

• 主電源電圧、
• モーター電流、
• 磁束、
• 起電力（EMF）。

主な力学量は次のとおりです。

• 回転速度 n (rpm)、
• エンジンの回転トルクM(N・m)、
• 電気モーターの機械的出力 P (W)。トルクと回転速度の積によって決まります: P=(M・n)/(9,55)。

回転運動の速度を表すには、回転周波数 n とともに、物理学で知られている別の量である角速度 ω が使用されます。これはラジアン/秒 (rad/s) で表されます。 角速度 ω と回転周波数 n の間には次の関係があります。

式が次の形式をとることを考慮すると、

エンジントルク M のローター n の回転速度への依存性は、電気モーターの機械的特性と呼ばれます。 非同期機械が動作するとき、いわゆる電磁力は、電磁場を使用してエアギャップを介してステーターからローターに伝達されることに注意してください。

この動力の一部は、式 (2) に従って機械動力の形でローター シャフトに伝達され、残りはローター回路の XNUMX 相すべてのアクティブ抵抗の損失の形で放出されます。

電気的損失と呼ばれるこれらの損失は次のとおりです。

したがって、電気損失は巻線を流れる電流の二乗によって決まります。

これらは主に非同期モーターの負荷によって決まります。 電気的損失を除く他のすべてのタイプの損失は、負荷によってそれほど大きく変化しません。

そこで、非同期モータの回転数を制御した場合に電気損失がどのように変化するかを考えてみましょう。

電気モーターのローター巻線で直接発生する電気損失は、機械内部の熱の形で放出されるため、その発熱が決まります。 明らかに、ローター回路の電気損失が大きくなるほど、エンジンの効率が低下し、その動作が経済的でなくなります。

ステータ損失がロータ損失にほぼ比例することを考慮すると、ロータの電気損失を削減したいという要望はさらに理解できます。 エンジン速度を調整するこの方法は経済的であり、ローターにおける電気損失が比較的小さい。

式の分析から、モーターを制御する最も経済的な方法は、同期に近いローター速度であることがわかります。

可変周波数ドライブ

可変周波数ドライブ (VFD) などの設備 (周波数変換器 (FC) とも呼ばれます)。 これらの設定により、電気モーターに供給される三相電圧の周波数と振幅を変更できるため、制御機構の動作モードを柔軟に変更できます。

高電圧可変周波数ドライブ

VFD設計

ここでは既存の周波数変換器について簡単に説明します。

構造的に、コンバータは機能的に関連したブロックで構成されています。入力変圧器ブロック (変圧器キャビネット)。 マルチレベルインバータ（インバータキャビネット）と、情報入力および表示ユニットを備えた制御および保護システム（制御および保護キャビネット）。

入力変圧器キャビネットは、三相電源からのエネルギーを多巻線入力変圧器に転送し、減圧された電圧をマルチレベル インバータに分配します。

マルチレベルインバーターは、統合されたセル、つまりコンバーターで構成されます。 セルの数は、特定の設計および製造業者によって決定されます。 各セルには、最新の IGBT トランジスタ (絶縁ゲート バイポーラ トランジスタ) を使用したブリッジ電圧インバータを備えた整流器と DC リンク フィルタが装備されています。 入力 AC 電流は最初に整流され、次にソリッドステート インバーターを使用して周波数と電圧が調整可能な交流に変換されます。

結果として生じる制御された交流電圧源はリンクに直列に接続され、電圧位相を形成します。 非同期モーターの三相出力電力システムの構築は、「STAR」回路に従ってリンクを接続することによって実行されます。

保護制御システムは制御および保護キャビネット内に配置されており、コンバータ自体の電源からの電力供給システム、情報入出力デバイス、およびコンバータの電気動作モードの主要センサーを備えた多機能マイクロプロセッサ ユニットによって表されます。

節約の可能性: 一緒に計算する

三菱電機が提供するデータをもとに、周波数変換器導入時の省エネ効果を評価します。

まず、さまざまなエンジン制御モードで出力がどのように変化するかを見てみましょう。

では、計算例を見てみましょう。

電動モーターの効率: 視聴者の３８%が;
可変周波数駆動効率: 視聴者の３８%が;
公称容積でのファンシャフト出力: 1100キロワット;
ファンの特性: H=1,4pu. при Q = 0;
年間のフル労働時間: 8000時間.
 
スケジュールに従ったファン動作モード:

グラフから次のデータが得られます。

100% の空気消費量 - 年間稼働時間の 20%。
70% の空気消費量 - 年間稼働時間の 50%。
空気消費量 50% – 年間稼働時間 30%。

 
定格負荷での動作と、モーター速度を制御できる動作 (VFD と組み合わせた動作) との間の節約量は、次のとおりです。

7 kWh/年 - 446 kWh/年= 400 kWh/年

1kWh / 5,5ルーブルに等しい電気料金を考慮してみましょう。 コストは、2019年の沿海地方の産業企業のXNUMXつの最初の価格カテゴリーと平均値に従って計算されることは注目に値します。

節約額を金額的に見てみましょう。

3 kWh/年*600 摩擦/kWh= 000 摩擦/年

このようなプロジェクトを実施すると、周波数変換器自体のコストに加え、運用と修理のコストを考慮すると、3 年の投資回収期間を達成できます。

数字が示すように、VFD 導入の経済的実現可能性については疑いの余地がありません。 しかし、その導入の効果は経済だけに限定されません。 VFDはエンジンをスムーズに始動させ、摩耗を大幅に軽減しますが、これについては次回お話します。

出所： habr.com