In industrie, peste 60% din energie electrica este consumata de actionari electrice asincrone - in instalatii de pompare, compresoare, ventilatie si alte instalatii. Acesta este cel mai simplu și, prin urmare, cel mai ieftin și mai fiabil tip de motor.
Procesul tehnologic al diverselor producții industriale necesită modificări flexibile ale vitezei de rotație a oricăror actuatori. Datorită dezvoltării rapide a tehnologiei electronice și informatice, precum și dorinței de a reduce pierderile de energie electrică, au apărut dispozitive pentru controlul economic al motoarelor electrice de diferite tipuri. În acest articol vom vorbi despre cum să asigurăm cel mai eficient control al unui motor electric. Lucrul într-o companie (grup de companii ), văd că clienții noștri acordă din ce în ce mai multă atenție eficienței energetice
Cea mai mare parte a energiei electrice consumată de fabricile de producție și procesare este utilizată pentru a efectua un fel de lucrări mecanice. Pentru a conduce piesele de lucru ale diferitelor mecanisme de producție și tehnologice, se folosesc în mod predominant motoare electrice asincrone cu rotor cu colivie (în viitor vom vorbi despre acest tip de motor electric). Motorul electric în sine, sistemul său de control și dispozitivul mecanic care transmite mișcarea de la arborele motorului la mecanismul de producție formează un sistem de antrenare electric.
Prezența pierderilor minime de energie electrică în înfășurări datorită reglării vitezei de rotație a motorului, posibilitatea de pornire lină datorită creșterii uniforme a frecvenței și tensiunii - acestea sunt principalele postulate ale controlului eficient al motoarelor electrice.
La urma urmei, anterior au existat și încă există metode de control al motorului precum:
- controlul frecvenței reostatice prin introducerea de rezistențe active suplimentare în circuitele de înfășurare a motorului, scurtcircuitat secvențial de contactoare;
- modificarea tensiunii la bornele statorului, în timp ce frecvența unei astfel de tensiuni este constantă și egală cu frecvența rețelei industriale de curent alternativ;
- reglare în trepte prin modificarea numărului de perechi de poli ai înfășurării statorului.
Dar acestea și alte metode de reglare a frecvenței poartă cu ele principalul dezavantaj - pierderi semnificative de energie electrică, iar reglarea în trepte, prin definiție, nu este o metodă suficient de flexibilă.
Sunt pierderile inevitabile?
Să ne oprim mai în detaliu asupra pierderilor electrice care apar într-un motor electric asincron.
Funcționarea unei acționări electrice este caracterizată de o serie de mărimi electrice și mecanice.
Cantitatile electrice includ:
- tensiunea principala,
- curent motor,
- flux magnetic,
- forța electromotoare (EMF).
Principalele marimi mecanice sunt:
- viteza de rotație n (rpm),
- cuplul de rotație M (N•m) al motorului,
- puterea mecanică a motorului electric P (W), determinată de produsul cuplului și vitezei de rotație: P=(M•n)/(9,55).
Pentru a desemna viteza mișcării de rotație, împreună cu frecvența de rotație n, se folosește o altă cantitate cunoscută din fizică - viteza unghiulară ω, care se exprimă în radiani pe secundă (rad/s). Există următoarea relație între viteza unghiulară ω și frecvența de rotație n:
ținând cont de care formula ia forma:
Dependența cuplului motor M de viteza de rotație a rotorului său n se numește caracteristica mecanică a motorului electric. Rețineți că, atunci când funcționează o mașină asincronă, așa-numita putere electromagnetică este transmisă de la stator la rotor prin spațiul de aer folosind un câmp electromagnetic:
O parte din această putere este transmisă arborelui rotorului sub formă de putere mecanică conform expresiei (2), iar restul este eliberată sub formă de pierderi în rezistențele active ale tuturor celor trei faze ale circuitului rotoric.
Aceste pierderi, numite electrice, sunt egale cu:
Astfel, pierderile electrice sunt determinate de pătratul curentului care trece prin înfășurări.
Ele sunt determinate în mare măsură de sarcina motorului asincron. Toate celelalte tipuri de pierderi, cu excepția celor electrice, se modifică mai puțin semnificativ cu sarcina.
Prin urmare, să luăm în considerare modul în care pierderile electrice ale unui motor asincron se modifică atunci când viteza de rotație este controlată.
Pierderile electrice direct în înfășurarea rotorului a unui motor electric sunt eliberate sub formă de căldură în interiorul mașinii și, prin urmare, determină încălzirea acesteia. Evident, cu cât sunt mai mari pierderile electrice în circuitul rotorului, cu atât eficiența motorului este mai mică, cu atât funcționarea acestuia este mai puțin economică.
Având în vedere că pierderile la stator sunt aproximativ proporționale cu pierderile la rotor, dorința de a reduce pierderile electrice în rotor este și mai de înțeles. Acea metodă de reglare a turației motorului este economică, în care pierderile electrice din rotor sunt relativ mici.
Din analiza expresiilor rezultă că cea mai economică modalitate de a controla motoarele este la o turație a rotorului apropiată de sincronă.
Unități de frecvență variabilă
Instalații precum variatoarele de frecvență (VFD), numite și convertoare de frecvență (FC). Aceste setări vă permit să modificați frecvența și amplitudinea tensiunii trifazate furnizate motorului electric, datorită căreia se realizează o schimbare flexibilă a modurilor de funcționare ale mecanismelor de control.
Acționare cu frecvență variabilă de înaltă tensiune
Design VFD
Iată o scurtă descriere a convertoarelor de frecvență existente.
Din punct de vedere structural, convertorul este format din blocuri legate funcțional: bloc transformator de intrare (cabinet transformator); un invertor cu mai multe niveluri (cabinet invertor) și un sistem de control și protecție cu o unitate de introducere și afișare a informațiilor (dulap de control și protecție).
Dulapul transformatorului de intrare transferă energia de la sursa de alimentare trifazată la un transformator de intrare cu mai multe înfășurări, care distribuie tensiunea redusă la un invertor cu mai multe niveluri.
Un invertor pe mai multe niveluri este format din celule unificate - convertoare. Numărul de celule este determinat de proiectul și producătorul specific. Fiecare celulă este echipată cu un redresor și un filtru DC cu un invertor de tensiune în punte care utilizează tranzistoare IGBT moderne (tranzistor bipolar cu poartă izolată). Curentul AC de intrare este inițial rectificat și apoi convertit în curent alternativ cu frecvență și tensiune reglabile utilizând un invertor solid.
Sursele rezultate de tensiune alternativă controlată sunt conectate în serie în legături, formând o fază de tensiune. Construcția unui sistem de putere de ieșire trifazat pentru un motor asincron se realizează prin legături de conectare conform circuitului „STAR”.
Sistemul de control al protecției este amplasat în dulapul de comandă și protecție și este reprezentat de o unitate microprocesor multifuncțională cu un sistem de alimentare de la sursa de energie proprie a convertorului, un dispozitiv de intrare/ieșire a informațiilor și senzori primari ai modurilor de funcționare electrice a convertorului.
Potenţial de economisire: numărând împreună
Pe baza datelor furnizate de Mitsubishi Electric, vom evalua potențialul de economisire a energiei la introducerea convertoarelor de frecvență.
Mai întâi, să vedem cum se modifică puterea în diferite moduri de control al motorului:
Acum să dăm un exemplu de calcul.
Eficiența motorului electric: 96,5%;
Eficiența variatorului de frecvență: 97%;
Puterea arborelui ventilatorului la volumul nominal: 1100 kW;
Caracteristicile ventilatorului: H=1,4 p.u. la Q = 0;
Timp de lucru complet pe an: 8000 h.
Moduri de funcționare a ventilatorului conform programului:
Din grafic obținem următoarele date:
100% consum de aer – 20% din timpul de funcționare pe an;
70% consum de aer – 50% din timpul de funcționare pe an;
50% consum de aer – 30% timp de funcționare pe an.
Economiile între funcționarea la sarcină nominală și funcționarea cu capacitatea de a controla turația motorului (funcționare în combinație cu un VFD) sunt egale cu:
7 kWh/an - 446 kWh/an= 400 kWh/an
Să luăm în considerare tariful de energie electrică egal cu 1 kWh / 5,5 ruble. Este de remarcat faptul că costul este luat în funcție de prima categorie de preț și de valoarea medie pentru una dintre întreprinderile industriale ale Teritoriului Primorsky pentru 2019.
Să obținem economiile în termeni monetari:
3 kWh/an*600 rub/kWh= 000 rub/an
Practica implementării unor astfel de proiecte permite, ținând cont de costurile de funcționare și reparații, precum și de costul convertizoarelor de frecvență în sine, să se realizeze o perioadă de rambursare de 3 ani.
După cum arată cifrele, nu există nicio îndoială cu privire la fezabilitatea economică a introducerii VFD-urilor. Cu toate acestea, efectul implementării lor nu se limitează doar la economie. VFD-urile pornesc fără probleme motorul, reducându-i semnificativ uzura, dar voi vorbi despre asta data viitoare.
Sursa: www.habr.com
