V priemysle viac ako 60 % elektriny spotrebujú asynchrónne elektrické pohony – v čerpacích, kompresorových, ventilačných a iných zariadeniach. Ide o najjednoduchší, a teda najlacnejší a najspoľahlivejší typ motora.
Technologický proces rôznych priemyselných výrob vyžaduje flexibilné zmeny rýchlosti otáčania akýchkoľvek pohonov. Vďaka rýchlemu rozvoju elektronickej a počítačovej techniky, ako aj túžbe znižovať straty elektriny sa objavili zariadenia na hospodárne riadenie elektromotorov rôznych typov. V tomto článku si povieme, ako zabezpečiť čo najefektívnejšie ovládanie elektrického pohonu. Práca vo firme (skupina spoločností ), Vidím, že naši zákazníci venujú čoraz väčšiu pozornosť energetickej efektívnosti
Väčšina elektrickej energie spotrebovanej vo výrobných a spracovateľských závodoch sa používa na vykonávanie nejakého druhu mechanickej práce. Na pohon pracovných častí rôznych výrobných a technologických mechanizmov sa prevažne používajú asynchrónne elektromotory s rotorom nakrátko (v budúcnosti si povieme o tomto type elektromotora). Samotný elektromotor, jeho riadiaci systém a mechanické zariadenie, ktoré prenáša pohyb z hriadeľa motora na výrobný mechanizmus tvoria elektrický pohonný systém.
Prítomnosť minimálnych strát elektriny vo vinutí v dôsledku regulácie rýchlosti otáčania motora, možnosť hladkého štartu v dôsledku rovnomerného zvýšenia frekvencie a napätia - to sú hlavné postuláty efektívneho riadenia elektromotorov.
Koniec koncov, predtým existovali a stále existujú také metódy riadenia motora ako:
- reostatická frekvenčná regulácia zavedením dodatočných aktívnych odporov do obvodov vinutia motora, sekvenčne skratovaných stýkačmi;
- zmena napätia na svorkách statora, pričom frekvencia takéhoto napätia je konštantná a rovná sa frekvencii priemyselnej siete AC;
- kroková regulácia zmenou počtu pólových párov statorového vinutia.
Tieto a ďalšie metódy frekvenčnej regulácie však nesú so sebou hlavnú nevýhodu - značné straty elektrickej energie a stupňovitá regulácia už podľa definície nie je dostatočne flexibilná metóda.
Sú straty nevyhnutné?
Pozrime sa podrobnejšie na elektrické straty, ktoré sa vyskytujú v asynchrónnom elektromotore.
Činnosť elektrického pohonu je charakterizovaná množstvom elektrických a mechanických veličín.
Elektrické veličiny zahŕňajú:
- sieťové napätie,
- prúd motora,
- magnetický tok,
- elektromotorická sila (EMF).
Hlavné mechanické veličiny sú:
- rýchlosť otáčania n (ot./min),
- krútiaci moment M (N•m) motora,
- mechanický výkon elektromotora P (W), určený súčinom krútiaceho momentu a otáčok: P=(M•n)/(9,55).
Na označenie rýchlosti otáčavého pohybu spolu s frekvenciou otáčania n sa používa ďalšia veličina známa z fyziky - uhlová rýchlosť ω, ktorá sa vyjadruje v radiánoch za sekundu (rad/s). Medzi uhlovou rýchlosťou ω a frekvenciou otáčania n existuje nasledujúci vzťah:
berúc do úvahy, ktorý vzorec má formu:
Závislosť krútiaceho momentu motora M od otáčok jeho rotora n sa nazýva mechanická charakteristika elektromotora. Všimnite si, že keď pracuje asynchrónny stroj, takzvaná elektromagnetická sila sa prenáša zo statora na rotor cez vzduchovú medzeru pomocou elektromagnetického poľa:
Časť tohto výkonu sa prenáša na hriadeľ rotora vo forme mechanického výkonu podľa výrazu (2) a zvyšok sa uvoľňuje vo forme strát v aktívnych odporoch všetkých troch fáz obvodu rotora.
Tieto straty, nazývané elektrické, sa rovnajú:
Elektrické straty sú teda určené druhou mocninou prúdu prechádzajúceho vinutím.
Sú do značnej miery určené zaťažením asynchrónneho motora. Všetky ostatné druhy strát, okrem elektrických, sa so záťažou menia menej výrazne.
Preto zvážme, ako sa menia elektrické straty asynchrónneho motora, keď je riadená rýchlosť otáčania.
Elektrické straty priamo vo vinutí rotora elektromotora sa uvoľňujú vo forme tepla vo vnútri stroja a tým ovplyvňujú jeho zahrievanie. Je zrejmé, že čím väčšie sú elektrické straty v obvode rotora, tým nižšia je účinnosť motora, tým menej hospodárna je jeho prevádzka.
Vzhľadom na to, že straty statora sú približne úmerné stratám rotora, je túžba znížiť elektrické straty v rotore ešte pochopiteľnejšia. Tento spôsob regulácie otáčok motora je ekonomický, pri ktorom sú elektrické straty v rotore relatívne malé.
Z analýzy výrazov vyplýva, že najhospodárnejší spôsob riadenia motorov je pri rýchlosti rotora blízkej synchrónnej.
Pohony s premenlivou frekvenciou
Inštalácie, ako sú pohony s premenlivou frekvenciou (VFD), tiež nazývané frekvenčné meniče (FC) ). Tieto nastavenia umožňujú zmeniť frekvenciu a amplitúdu trojfázového napätia dodávaného do elektromotora, čím sa dosiahne flexibilná zmena prevádzkových režimov ovládacích mechanizmov.
Vysokonapäťový pohon s premenlivou frekvenciou
VFD dizajn
Tu je stručný popis existujúcich frekvenčných meničov.
Konštrukčne pozostáva menič z funkčne súvisiacich blokov: vstupný transformátorový blok (skriňa transformátora); viacúrovňový invertor (invertorová skriňa) a riadiaci a ochranný systém s informačnou vstupnou a zobrazovacou jednotkou (riadiaca a ochranná skriňa).
Vstupná transformátorová skriňa prenáša energiu z trojfázového zdroja na viacvinutý vstupný transformátor, ktorý redukované napätie distribuuje do viacúrovňového meniča.
Viacúrovňový menič sa skladá z unifikovaných buniek - meničov. Počet článkov je určený konkrétnou konštrukciou a výrobcom. Každý článok je vybavený usmerňovačom a medziobvodovým filtrom s mostíkovým meničom napätia s použitím moderných IGBT tranzistorov (bipolárny tranzistor s izolovaným hradlom). Vstupný striedavý prúd je najprv usmernený a potom pomocou polovodičového meniča prevedený na striedavý prúd s nastaviteľnou frekvenciou a napätím.
Výsledné zdroje riadeného striedavého napätia sú zapojené do série do článkov, ktoré tvoria napäťovú fázu. Konštrukcia trojfázového výstupného napájacieho systému pre asynchrónny motor sa vykonáva spojovacími článkami podľa obvodu „STAR“.
Riadiaci systém ochrany je umiestnený v riadiacej a ochrannej skrini a je reprezentovaný multifunkčnou mikroprocesorovou jednotkou so systémom napájania z vlastného zdroja meniča, informačným vstupno/výstupným zariadením a primárnymi snímačmi elektrických prevádzkových režimov meniča.
Potenciál úspor: počítajte spolu
Na základe údajov poskytnutých spoločnosťou Mitsubishi Electric vyhodnotíme potenciál úspory energie pri zavádzaní frekvenčných meničov.
Najprv sa pozrime, ako sa výkon mení v rôznych režimoch riadenia motora:
Teraz uveďme príklad výpočtu.
Účinnosť elektromotora: 96,5%;
Účinnosť pohonu s premenlivou frekvenciou: 97%;
Výkon hriadeľa ventilátora pri menovitom objeme: 1100 kW;
Vlastnosti ventilátora: H = 1,4 p.u. na Q = 0;
Úplný pracovný čas za rok: 8000 h.
Prevádzkové režimy ventilátora podľa plánu:
Z grafu získame nasledujúce údaje:
100 % spotreba vzduchu – 20 % prevádzkového času za rok;
70 % spotreba vzduchu – 50 % prevádzkového času za rok;
50 % spotreba vzduchu – 30 % prevádzkového času za rok.
Úspory medzi prevádzkou pri menovitom zaťažení a prevádzkou s možnosťou regulácie otáčok motora (prevádzka v spojení s VFD) sa rovnajú:
7 446 400 kWh/rok – 3 846 400 kWh/rok= 3 600 000 kWh/rok
Zoberme do úvahy tarifu elektrickej energie rovnajúcu sa 1 kWh / 5,5 rubľov. Stojí za zmienku, že náklady sa berú podľa prvej cenovej kategórie a priemernej hodnoty pre jeden z priemyselných podnikov Primorského územia na rok 2019.
Zoberme si úspory v peňažnom vyjadrení:
3 600 000 kWh/rok*5,5 rub./kWh= 19 800 000 rub./rok
Prax realizácie takýchto projektov umožňuje, berúc do úvahy náklady na prevádzku a opravy, ako aj náklady na samotné frekvenčné meniče, dosiahnuť dobu návratnosti 3 roky.
Ako ukazujú čísla, niet pochýb o ekonomickej uskutočniteľnosti zavedenia VFD. Efekt ich implementácie sa však neobmedzuje len na ekonomiku. VFD hladko štartujú motor, čím sa výrazne znižuje jeho opotrebovanie, ale o tom budem hovoriť nabudúce.
Zdroj: hab.com