I industrien forbrukes over 60 % av elektrisiteten av asynkrone elektriske stasjoner - i pumping, kompressor, ventilasjon og andre installasjoner. Dette er den enkleste, og derfor billigste og mest pålitelige motortypen.
Den teknologiske prosessen til ulike industrielle produksjoner krever fleksible endringer i rotasjonshastigheten til alle aktuatorer. Takket være den raske utviklingen av elektronisk og datateknologi, samt ønsket om å redusere elektrisitetstap, har det dukket opp enheter for økonomisk kontroll av elektriske motorer av forskjellige typer. I denne artikkelen skal vi snakke om hvordan du sikrer den mest effektive kontrollen av en elektrisk stasjon. Jobber i en bedrift (bedriftsgruppe ), ser jeg at kundene våre legger mer og mer vekt på energieffektivitet
Mesteparten av den elektriske energien som forbrukes av produksjons- og prosessanlegg brukes til å utføre en slags mekanisk arbeid. For å drive arbeidsdelene til forskjellige produksjons- og teknologiske mekanismer, brukes hovedsakelig asynkrone elektriske motorer med en ekorn-burrotor (i fremtiden vil vi snakke om denne typen elektrisk motor). Selve den elektriske motoren, dens kontrollsystem og den mekaniske enheten som overfører bevegelse fra motorakselen til produksjonsmekanismen danner et elektrisk drivsystem.
Tilstedeværelsen av minimale elektrisitetstap i viklingene på grunn av regulering av motorens rotasjonshastighet, muligheten for en jevn start på grunn av en jevn økning i frekvens og spenning - dette er hovedpostulatene for effektiv kontroll av elektriske motorer.
Tross alt, tidligere var det og eksisterer fortsatt slike metoder for motorkontroll som:
- reostatisk frekvenskontroll ved å introdusere ekstra aktive motstander i motorviklingskretsene, sekvensielt kortsluttet av kontaktorer;
- endring i spenning ved statorterminalene, mens frekvensen til slik spenning er konstant og lik frekvensen til det industrielle AC-nettverket;
- trinnregulering ved å endre antall polpar på statorviklingen.
Men disse og andre metoder for frekvensregulering har med seg hovedulempen - betydelige tap av elektrisk energi, og trinnregulering er per definisjon ikke en fleksibel nok metode.
Er tap uunngåelige?
La oss dvele mer detaljert på de elektriske tapene som oppstår i en asynkron elektrisk motor.
Driften av en elektrisk drift er preget av en rekke elektriske og mekaniske størrelser.
Elektriske mengder inkluderer:
- nettspenning,
- motorstrøm,
- magnetisk fluks,
- elektromotorisk kraft (EMF).
De viktigste mekaniske størrelsene er:
- rotasjonshastighet n (rpm),
- roterende dreiemoment M (N•m) til motoren,
- mekanisk kraft til den elektriske motoren P (W), bestemt av produktet av dreiemoment og rotasjonshastighet: P=(M•n)/(9,55).
For å betegne hastigheten på rotasjonsbevegelsen, sammen med rotasjonsfrekvensen n, brukes en annen mengde kjent fra fysikken - vinkelhastigheten ω, som uttrykkes i radianer per sekund (rad/s). Det er følgende forhold mellom vinkelhastigheten ω og rotasjonsfrekvensen n:
tatt i betraktning hvilken formel har formen:
Avhengigheten av motormomentet M av rotasjonshastigheten til rotoren n kalles den mekaniske egenskapen til den elektriske motoren. Merk at når en asynkron maskin fungerer, overføres såkalt elektromagnetisk kraft fra statoren til rotoren gjennom luftgapet ved hjelp av et elektromagnetisk felt:
En del av denne kraften overføres til rotorakselen i form av mekanisk kraft i henhold til uttrykk (2), og resten frigjøres i form av tap i de aktive motstandene til alle tre fasene i rotorkretsen.
Disse tapene, kalt elektriske, er lik:
Dermed bestemmes elektriske tap av kvadratet på strømmen som går gjennom viklingene.
De bestemmes i stor grad av belastningen til asynkronmotoren. Alle andre typer tap, unntatt elektriske, endres mindre betydelig med belastning.
La oss derfor vurdere hvordan de elektriske tapene til en asynkronmotor endres når rotasjonshastigheten kontrolleres.
Elektriske tap direkte i rotorviklingen til en elektrisk motor frigjøres i form av varme inne i maskinen og bestemmer derfor oppvarmingen. Selvfølgelig, jo større elektriske tap i rotorkretsen, jo lavere virkningsgrad av motoren, jo mindre økonomisk drift.
Tatt i betraktning at statortap er tilnærmet proporsjonale med rotortap, er ønsket om å redusere elektriske tap i rotoren enda mer forståelig. Denne metoden for å regulere motorhastigheten er økonomisk, der de elektriske tapene i rotoren er relativt små.
Fra analysen av uttrykkene følger det at den mest økonomiske måten å styre motorer på er ved en rotorhastighet nær synkron.
Drivere med variabel frekvens
Installasjoner som frekvensomformere (VFD), også kalt frekvensomformere (FCer) ). Disse innstillingene lar deg endre frekvensen og amplituden til den trefasede spenningen som leveres til den elektriske motoren, på grunn av hvilken en fleksibel endring i driftsmodusene til kontrollmekanismene oppnås.
Høyspent variabel frekvensomformer
VFD-design
Her er en kort beskrivelse av eksisterende frekvensomformere.
Strukturelt består omformeren av funksjonelt relaterte blokker: inngangstransformatorblokk (transformatorskap); en multi-level inverter (inverter kabinett) og et kontroll- og beskyttelsessystem med en informasjonsinngang og displayenhet (kontroll- og beskyttelsesskap).
Inngangstransformatorskapet overfører energi fra den trefasede strømforsyningen til en flerviklings inngangstransformator, som distribuerer den reduserte spenningen til en flernivåomformer.
En multilevel inverter består av enhetlige celler - omformere. Antall celler bestemmes av den spesifikke designen og produsenten. Hver celle er utstyrt med en likeretter og et DC link-filter med en brospenningsomformer som bruker moderne IGBT-transistorer (isolert gate bipolar transistor). Inngangsvekselstrømmen blir først likrettet og deretter omgjort til vekselstrøm med justerbar frekvens og spenning ved hjelp av en solid-state omformer.
De resulterende kildene til kontrollert vekselspenning er koblet i serie til lenker, og danner en spenningsfase. Konstruksjonen av et trefaset utgangskraftsystem for en asynkronmotor utføres ved å koble koblinger i henhold til "STAR"-kretsen.
Beskyttelseskontrollsystemet er plassert i kontroll- og beskyttelsesskapet og er representert av en multifunksjonell mikroprosessorenhet med et strømforsyningssystem fra omformerens egen strømkilde, en informasjonsinngang/utgangsenhet og primærsensorer for omformerens elektriske driftsmoduser.
Sparepotensial: å telle sammen
Basert på data levert av Mitsubishi Electric, vil vi evaluere energisparepotensialet når vi introduserer frekvensomformere.
La oss først se hvordan kraften endres under forskjellige motorkontrollmoduser:
La oss nå gi et eksempel på en beregning.
Effektivitet for elektrisk motor: 96,5%;
Effektivitet med variabel frekvens: 97%;
Vifteakseleffekt ved nominelt volum: 1100 kW;
Vifteegenskaper: H=1,4 p.u. på Q=0;
Full arbeidstid per år: 8000 h.
Driftsmoduser for vifte i henhold til planen:
Fra grafen får vi følgende data:
100 % luftforbruk – 20 % av driftstiden per år;
70 % luftforbruk – 50 % av driftstiden per år;
50 % luftforbruk – 30 % driftstid per år.
Besparelsene mellom drift ved nominell belastning og drift med muligheten til å kontrollere motorhastigheten (drift i forbindelse med en VFD) er lik:
7 446 400 kWh/år - 3 846 400 kWh/år= 3 600 000 kWh/år
La oss ta hensyn til strømtariffen lik 1 kWh / 5,5 rubler. Det er verdt å merke seg at kostnadene tas i henhold til den første priskategorien og gjennomsnittsverdien for en av industribedriftene i Primorsky-territoriet for 2019.
La oss få besparelsene i penger:
3 600 000 kWh/år*5,5 rub/kWh= 19 800 000 rub/år
Praksisen med å implementere slike prosjekter gjør det mulig å oppnå en tilbakebetalingstid på 3 år, tatt i betraktning kostnadene ved drift og reparasjoner, samt kostnadene for selve frekvensomformerne.
Som tallene viser, er det ingen tvil om den økonomiske gjennomførbarheten av å innføre VFD. Effekten av implementeringen er imidlertid ikke begrenset til økonomien alene. VFD-er starter motoren jevnt, noe som reduserer slitasjen betydelig, men jeg skal snakke om dette neste gang.
Kilde: www.habr.com