Најекономичен начин за контрола на моторите е конвертор на фреквенција

Во индустријата, над 60% од електричната енергија се троши од асинхрони електрични погони - во пумпање, компресор, вентилација и други инсталации. Ова е наједноставниот, а со тоа и најевтиниот и најсигурен тип на мотор.

Технолошкиот процес на различни индустриски продукции бара флексибилни промени во брзината на вртење на сите актуатори. Благодарение на брзиот развој на електронската и компјутерската технологија, како и желбата да се намалат загубите на електрична енергија, се појавија уреди за економична контрола на електричните мотори од различни типови. Во оваа статија ќе зборуваме за тоа како да обезбедиме најефикасна контрола на електричниот погон. Работа во компанија „Прв инженер“ (компанија ЛАНИТ), гледам дека нашите клиенти сè повеќе посветуваат внимание на енергетската ефикасност

Поголемиот дел од електричната енергија што ја трошат производствените и процесните постројки се користи за извршување на некој вид механичка работа. За возење на работните делови на различни производни и технолошки механизми, претежно се користат асинхрони електромотори со ротор со кафез со верверица (во иднина ќе зборуваме за овој тип на електромотори). Самиот електричен мотор, неговиот контролен систем и механичкиот уред кој го пренесува движењето од вратилото на моторот до производниот механизам формираат електричен погонски систем.

Присуството на минимални загуби на електрична енергија во намотките поради регулирање на брзината на ротација на моторот, можност за непречено стартување поради подеднакво зголемување на фреквенцијата и напонот - ова се главните постулати на ефективна контрола на електричните мотори.

На крајот на краиштата, претходно постоеја и сè уште постојат такви методи за контрола на моторот како што се:

• реостатска контрола на фреквенцијата со воведување дополнителни активни отпори во кола за намотување на моторот, последователно краток спој со контактори;
• промена на напонот на терминалите на статорот, додека фреквенцијата на таквиот напон е константна и еднаква на фреквенцијата на индустриската AC мрежа;
• регулација на чекори со промена на бројот на парови на полови на намотката на статорот.

Но, овие и други методи за регулација на фреквенцијата го носат со себе главниот недостаток - значителни загуби на електрична енергија, а регулацијата на чекори, по дефиниција, не е доволно флексибилен метод.

Дали загубите се неизбежни?

Дозволете ни да се задржиме подетално на електричните загуби што се случуваат во асинхрониот електричен мотор.

Работата на електричниот погон се карактеризира со голем број електрични и механички големини.

Електричните количини вклучуваат:

• мрежен напон,
• струја на моторот,
• магнетен тек,
• електромоторна сила (ЕМП).

Главните механички количини се:

• брзина на ротација n (вртежи во минута),
• вртежен момент M (N•m) на моторот,
• механичка моќност на електромоторот P (W), определена со производот на вртежниот момент и брзината на вртење: P=(M•n)/(9,55).

За означување на брзината на ротационото движење, заедно со фреквенцијата на вртење n, се користи уште една количина позната од физиката - аголната брзина ω, која се изразува во радијани во секунда (rad/s). Постои следнава врска помеѓу аголната брзина ω и фреквенцијата на ротација n:

имајќи предвид која формула ја има формата:

Зависноста на вртежниот момент на моторот M од брзината на вртење на неговиот ротор n се нарекува механичка карактеристика на електричниот мотор. Забележете дека кога работи асинхрона машина, таканаречената електромагнетна моќ се пренесува од статорот до роторот преку воздушниот јаз користејќи електромагнетно поле:

Дел од оваа моќност се пренесува на вратилото на роторот во форма на механичка моќност според изразот (2), а остатокот се ослободува во форма на загуби во активните отпори на сите три фази на колото на роторот.

Овие загуби, наречени електрични, се еднакви на:

Така, електричните загуби се одредуваат со квадратот на струјата што минува низ намотките.

Тие се во голема мера определени од оптоварувањето на асинхрониот мотор. Сите други видови загуби, освен електричните, помалку значително се менуваат со оптоварување.

Затоа, да разгледаме како се менуваат електричните загуби на асинхрониот мотор кога се контролира брзината на ротација.

Електричните загуби директно во намотката на роторот на електричниот мотор се ослободуваат во форма на топлина во внатрешноста на машината и затоа го одредуваат неговото загревање. Очигледно, колку се поголеми електричните загуби во колото на роторот, толку е помала ефикасноста на моторот, толку е помалку економично неговото работење.

Имајќи предвид дека загубите на статорот се приближно пропорционални со загубите на роторот, желбата да се намалат електричните загуби во роторот е уште поразбирлива. Економичен е тој начин на регулирање на брзината на моторот, кај кој електричните загуби во роторот се релативно мали.

Од анализата на изразите произлегува дека најекономичен начин за контрола на моторите е при брзина на роторот блиску до синхрони.

Дискови со променлива фреквенција

Инсталации како што се погони со променлива фреквенција (VFD), исто така наречени фреквентни конвертори (FCs) ). Овие поставки ви овозможуваат да ја промените фреквенцијата и амплитудата на трифазниот напон што се доставува до електричниот мотор, поради што се постигнува флексибилна промена во режимите на работа на контролните механизми.

Високонапонски погон со променлива фреквенција

VFD дизајн

Еве краток опис на постоечките конвертори на фреквенција.

Структурно, конверторот се состои од функционално поврзани блокови: влезен трансформаторски блок (трансформаторски кабинет); инвертер на повеќе нивоа (кабинет со инвертер) и систем за контрола и заштита со единица за внесување информации и прикажување (контролна и заштитна ормара).

Кабинетот на влезниот трансформатор ја пренесува енергијата од трифазното напојување до влезен трансформатор со повеќе намотки, кој го дистрибуира намалениот напон до инвертер со повеќе нивоа.

Инвертер на повеќе нивоа се состои од унифицирани ќелии - конвертори. Бројот на ќелии се одредува според специфичниот дизајн и производителот. Секоја ќелија е опремена со исправувач и филтер за еднонасочна врска со инвертер на напон на мост кој користи модерни IGBT транзистори (биполарен транзистор со изолирана порта). Влезната наизменична струја првично се коригира, а потоа се претвора во наизменична струја со прилагодлива фреквенција и напон со помош на инвертер во цврста состојба.

Добиените извори на контролиран наизменичен напон се поврзани во серија во врски, формирајќи фаза на напон. Изградбата на трифазен излезен систем за напојување за асинхрон мотор се врши со поврзување на врски според колото „STAR“.

Системот за контрола на заштитата се наоѓа во контролниот и заштитниот кабинет и е претставен со мултифункционална микропроцесорска единица со систем за напојување од сопствениот извор на енергија на конверторот, уред за влез/излез на информации и примарни сензори на електричните режими на работа на конверторот.

Заштеда на потенцијал: броење заедно

Врз основа на податоците обезбедени од Mitsubishi Electric, ќе го процениме потенцијалот за заштеда на енергија при воведување фреквентни конвертори.

Прво, да видиме како се менува моќноста при различни режими на контрола на моторот:

Сега да дадеме пример за пресметка.

Ефикасност на електричниот мотор: 96,5%;
Ефикасност на погонот со променлива фреквенција: 97%;
Моќност на вратилото на вентилаторот при номинален волумен: 1100 kW;
Карактеристики на вентилаторот: H=1,4 p.u. во Q=0;
Полно работно време годишно: 8000 ч.
 
Режими на работа на вентилаторот според распоредот:

Од графиконот ги добиваме следните податоци:

100% потрошувачка на воздух – 20% од времето на работа годишно;
70% потрошувачка на воздух – 50% од времето на работа годишно;
50% потрошувачка на воздух – 30% работно време годишно.

 
Заштедите помеѓу работата при номинално оптоварување и работата со способноста за контрола на брзината на моторот (работа во врска со VFD) се еднакви на:

7 kWh/годишно - 446 kWh/година= 400 kWh/год.

Да ја земеме предвид тарифата за електрична енергија еднаква на 1 kWh / 5,5 рубли. Вреди да се напомене дека трошокот се зема според првата ценовна категорија и просечната вредност за едно од индустриските претпријатија на Приморската територија за 2019 година.

Ајде да ги добиеме заштедите во парична смисла:

3 kWh/година*600 rub/kWh= 000 rub/годишно

Практиката на спроведување на вакви проекти овозможува, земајќи ги предвид трошоците за работа и поправки, како и трошоците за самите фреквентни конвертори, да се постигне период на враќање од 3 години.

Како што покажуваат бројките, нема сомнеж за економската изводливост за воведување VFD. Сепак, ефектот од нивното спроведување не е ограничен само на економијата. VFD непречено го стартува моторот, значително намалувајќи го неговото абење, но за ова ќе зборувам следниот пат.

Извор: www.habr.com