Na indústria, mais de 60% da eletricidade é consumida por acionamentos elétricos assíncronos - em instalações de bombeamento, compressores, ventilação e outras. Este é o tipo de motor mais simples e, portanto, mais barato e confiável.
O processo tecnológico de diversas produções industriais requer mudanças flexíveis na velocidade de rotação de quaisquer atuadores. Graças ao rápido desenvolvimento da tecnologia eletrônica e informática, bem como ao desejo de reduzir as perdas de eletricidade, surgiram dispositivos para controle econômico de motores elétricos de vários tipos. Neste artigo falaremos sobre como garantir o controle mais eficiente de um acionamento elétrico. Trabalhar em uma empresa (grupo de empresas ), vejo que os nossos clientes estão cada vez mais atentos à eficiência energética
A maior parte da energia elétrica consumida pelas plantas de produção e processamento é utilizada para realizar algum tipo de trabalho mecânico. Para acionar as partes funcionais de diversos mecanismos produtivos e tecnológicos, utilizam-se predominantemente motores elétricos assíncronos com rotor de gaiola de esquilo (futuramente falaremos sobre esse tipo de motor elétrico). O próprio motor elétrico, seu sistema de controle e o dispositivo mecânico que transmite o movimento do eixo do motor para o mecanismo de produção formam um sistema de acionamento elétrico.
A presença de perdas mínimas de eletricidade nos enrolamentos devido à regulação da velocidade de rotação do motor, a possibilidade de um arranque suave devido ao aumento uniforme da frequência e da tensão - estes são os principais postulados do controlo eficaz dos motores elétricos.
Afinal, anteriormente existiam e ainda existem métodos de controle do motor como:
- controle reostático de frequência através da introdução de resistências ativas adicionais nos circuitos dos enrolamentos do motor, curto-circuitados sequencialmente pelos contatores;
- mudança de tensão nos terminais do estator, enquanto a frequência dessa tensão é constante e igual à frequência da rede CA industrial;
- regulação escalonada alterando o número de pares de pólos do enrolamento do estator.
Mas estes e outros métodos de regulação de frequência trazem consigo a principal desvantagem - perdas significativas de energia elétrica, e a regulação escalonada, por definição, não é um método suficientemente flexível.
As perdas são inevitáveis?
Detenhamo-nos mais detalhadamente nas perdas elétricas que ocorrem em um motor elétrico assíncrono.
A operação de um acionamento elétrico é caracterizada por uma série de grandezas elétricas e mecânicas.
As grandezas elétricas incluem:
- tensão de rede,
- corrente do motor,
- fluxo magnético,
- força eletromotriz (EMF).
As principais grandezas mecânicas são:
- velocidade de rotação n (rpm),
- torque giratório M (N•m) do motor,
- potência mecânica do motor elétrico P (W), determinada pelo produto do torque pela velocidade de rotação: P=(M•n)/(9,55).
Para denotar a velocidade do movimento rotacional, juntamente com a frequência de rotação n, é usada outra quantidade conhecida da física - a velocidade angular ω, que é expressa em radianos por segundo (rad/s). Existe a seguinte relação entre a velocidade angular ω e a frequência de rotação n:
levando em consideração que a fórmula assume a forma:
A dependência do torque do motor M da velocidade de rotação de seu rotor n é chamada de característica mecânica do motor elétrico. Observe que quando uma máquina assíncrona opera, a chamada energia eletromagnética é transmitida do estator para o rotor através do entreferro usando um campo eletromagnético:
Parte dessa potência é transmitida ao eixo do rotor na forma de potência mecânica conforme expressão (2), e o restante é liberado na forma de perdas nas resistências ativas de todas as três fases do circuito do rotor.
Essas perdas, chamadas elétricas, são iguais a:
Assim, as perdas elétricas são determinadas pelo quadrado da corrente que passa pelos enrolamentos.
Eles são em grande parte determinados pela carga do motor assíncrono. Todos os outros tipos de perdas, exceto as elétricas, mudam menos significativamente com a carga.
Portanto, consideremos como as perdas elétricas de um motor assíncrono mudam quando a velocidade de rotação é controlada.
As perdas elétricas diretamente no enrolamento do rotor de um motor elétrico são liberadas na forma de calor no interior da máquina e, portanto, determinam o seu aquecimento. Obviamente, quanto maiores as perdas elétricas no circuito do rotor, menor será a eficiência do motor e menos econômico será seu funcionamento.
Considerando que as perdas do estator são aproximadamente proporcionais às perdas do rotor, o desejo de reduzir as perdas elétricas no rotor é ainda mais compreensível. Esse método de regulação da rotação do motor é econômico, no qual as perdas elétricas no rotor são relativamente pequenas.
Da análise das expressões conclui-se que a forma mais econômica de controlar motores é com uma velocidade de rotor próxima da síncrona.
Inversores de Frequência Variável
Instalações como inversores de frequência variável (VFDs), também chamados de conversores de frequência (FCs). Essas configurações permitem alterar a frequência e amplitude da tensão trifásica fornecida ao motor elétrico, conseguindo assim uma mudança flexível nos modos de operação dos mecanismos de controle.
Unidade de frequência variável de alta tensão
Projeto de inversor de frequência
Aqui está uma breve descrição dos conversores de frequência existentes.
Estruturalmente, o conversor consiste em blocos funcionalmente relacionados: bloco do transformador de entrada (gabinete do transformador); um inversor multinível (gabinete inversor) e um sistema de controle e proteção com unidade de entrada e exibição de informações (gabinete de controle e proteção).
O gabinete do transformador de entrada transfere energia da fonte de alimentação trifásica para um transformador de entrada multienrolamento, que distribui a tensão reduzida para um inversor multinível.
Um inversor multinível consiste em células unificadas - conversores. O número de células é determinado pelo projeto e fabricante específicos. Cada célula é equipada com um retificador e um filtro de link CC com um inversor de tensão em ponte usando modernos transistores IGBT (transistor bipolar de porta isolada). A corrente CA de entrada é inicialmente retificada e depois convertida em corrente alternada com frequência e tensão ajustáveis usando um inversor de estado sólido.
As fontes resultantes de tensão alternada controlada são conectadas em série em links, formando uma fase de tensão. A construção de um sistema de potência de saída trifásico para um motor assíncrono é realizada conectando links de acordo com o circuito “STAR”.
O sistema de controle de proteção está localizado no gabinete de controle e proteção e é representado por uma unidade microprocessada multifuncional com sistema de alimentação da própria fonte de energia do conversor, dispositivo de entrada/saída de informações e sensores primários dos modos de operação elétrica do conversor.
Potencial de poupança: contando juntos
Com base nos dados fornecidos pela Mitsubishi Electric, avaliaremos o potencial de poupança de energia ao introduzir conversores de frequência.
Primeiro, vamos ver como a potência muda sob diferentes modos de controle do motor:
Agora vamos dar um exemplo de cálculo.
Eficiência do motor elétrico: 96,5%;
Eficiência do inversor de frequência variável: 97%;
Potência do eixo do ventilador em volume nominal: 1100 kW;
Características do ventilador: H=1,4 p.u. em Q = 0;
Tempo integral de trabalho por ano: 8000 horas.
Modos de operação do ventilador de acordo com a programação:
Do gráfico obtemos os seguintes dados:
100% de consumo de ar – 20% do tempo de operação por ano;
70% de consumo de ar – 50% do tempo de operação por ano;
50% de consumo de ar – 30% de tempo de operação por ano.
A economia entre a operação em carga nominal e a operação com capacidade de controlar a velocidade do motor (operação em conjunto com um VFD) é igual a:
7 kWh/ano - 446 kWh/ano= 400 kWh/ano
Vamos levar em consideração a tarifa de eletricidade igual a 1 kWh / 5,5 rublos. Vale ressaltar que o custo é calculado de acordo com a primeira categoria de preço e o valor médio de uma das empresas industriais do Território de Primorsky para 2019.
Vamos obter as economias em termos monetários:
3 kWh/ano*600 rublos/kWh= 000 rublos/ano
A prática de implementação de tais projetos permite, tendo em conta os custos de operação e reparação, bem como o custo dos próprios conversores de frequência, atingir um período de retorno de 3 anos.
Como mostram os números, não há dúvidas sobre a viabilidade económica da introdução de VFDs. No entanto, o efeito da sua implementação não se limita apenas à economia. Os VFDs dão partida no motor suavemente, reduzindo significativamente seu desgaste, mas falarei sobre isso na próxima vez.
Fonte: habr.com