V industriji več kot 60% električne energije porabijo asinhroni električni pogoni - v črpalnih, kompresorskih, prezračevalnih in drugih napravah. To je najpreprostejši, zato najcenejši in najbolj zanesljiv tip motorja.
Tehnološki proces različnih industrijskih proizvodov zahteva prilagodljivo spreminjanje hitrosti vrtenja katerega koli aktuatorja. Zahvaljujoč hitremu razvoju elektronske in računalniške tehnologije ter želji po zmanjšanju izgub električne energije so se pojavile naprave za varčno krmiljenje elektromotorjev različnih vrst. V tem članku bomo govorili o tem, kako zagotoviti najučinkovitejši nadzor električnega pogona. Delo v podjetju (skupina podjetij ), opažam, da naše stranke vse več pozornosti posvečajo energetski učinkovitosti
Večina električne energije, ki jo porabijo proizvodni in procesni obrati, se porabi za opravljanje neke vrste mehanskega dela. Za pogon delovnih delov različnih proizvodnih in tehnoloških mehanizmov se pretežno uporabljajo asinhroni elektromotorji s kletkastim rotorjem (v prihodnje bomo govorili o tem tipu elektromotorjev). Sam elektromotor, njegov krmilni sistem in mehanska naprava, ki prenaša gibanje z gredi motorja na proizvodni mehanizem, tvorijo električni pogonski sistem.
Prisotnost minimalnih izgub električne energije v navitjih zaradi regulacije hitrosti vrtenja motorja, možnost gladkega zagona zaradi enakomernega povečanja frekvence in napetosti - to so glavni postulati učinkovitega krmiljenja elektromotorjev.
Navsezadnje so prej obstajale in še vedno obstajajo takšne metode nadzora motorja, kot so:
- reostatsko krmiljenje frekvence z uvedbo dodatnih aktivnih uporov v tokokrogih navitij motorja, zaporedno kratkostično s kontaktorji;
- sprememba napetosti na sponkah statorja, medtem ko je frekvenca te napetosti konstantna in enaka frekvenci industrijskega izmeničnega omrežja;
- stopenjska regulacija s spreminjanjem števila parov polov statorskega navitja.
Toda te in druge metode regulacije frekvence nosijo s seboj glavno pomanjkljivost - velike izgube električne energije, stopenjska regulacija pa po definiciji ni dovolj prilagodljiva metoda.
Ali so izgube neizogibne?
Oglejmo si podrobneje električne izgube, ki nastanejo v asinhronem elektromotorju.
Delovanje električnega pogona zaznamujejo številne električne in mehanske količine.
Električne količine vključujejo:
- omrežna napetost,
- tok motorja,
- magnetni tok,
- elektromotorna sila (EMS).
Glavne mehanske količine so:
- hitrost vrtenja n (rpm),
- vrtilni moment M (N•m) motorja,
- mehanska moč elektromotorja P (W), določena s produktom navora in hitrosti vrtenja: P=(M•n)/(9,55).
Za označevanje hitrosti rotacijskega gibanja se poleg vrtilne frekvence n uporablja še ena iz fizike znana količina - kotna hitrost ω, ki je izražena v radianih na sekundo (rad/s). Med kotno hitrostjo ω in vrtilno frekvenco n obstaja naslednja povezava:
ob upoštevanju katerega ima formula obliko:
Odvisnost navora motorja M od hitrosti vrtenja njegovega rotorja n imenujemo mehanska karakteristika elektromotorja. Upoštevajte, da se pri delovanju asinhronega stroja tako imenovana elektromagnetna moč prenaša od statorja do rotorja skozi zračno režo z uporabo elektromagnetnega polja:
Del te moči se prenese na gred rotorja v obliki mehanske moči po izrazu (2), preostanek pa se sprosti v obliki izgub v aktivnih uporih vseh treh faz rotorskega tokokroga.
Te izgube, imenovane električne, so enake:
Tako so električne izgube določene s kvadratom toka, ki teče skozi navitja.
V veliki meri jih določa obremenitev asinhronega motorja. Vse druge vrste izgub, razen električnih, se manj bistveno spreminjajo z obremenitvijo.
Zato razmislimo, kako se spremenijo električne izgube asinhronega motorja, ko je hitrost vrtenja krmiljena.
Električne izgube neposredno v navitju rotorja elektromotorja se sproščajo v obliki toplote znotraj stroja in tako določajo njegovo segrevanje. Očitno je, da večje kot so električne izgube v tokokrogu rotorja, manjši je izkoristek motorja, manj ekonomično je njegovo delovanje.
Glede na to, da so statorske izgube približno sorazmerne z izgubami rotorja, je želja po zmanjšanju električnih izgub v rotorju še toliko bolj razumljiva. Ekonomičen je tisti način regulacije števila vrtljajev motorja, pri katerem so električne izgube v rotorju relativno majhne.
Iz analize izrazov sledi, da je najbolj ekonomičen način krmiljenja motorjev pri hitrosti rotorja, ki je blizu sinhroni.
Frekvenčni pogoni
Naprave, kot so pogoni s spremenljivo frekvenco (VFD), imenovani tudi frekvenčni pretvorniki (FC). Te nastavitve vam omogočajo spreminjanje frekvence in amplitude trifazne napetosti, ki se napaja na elektromotor, zaradi česar se doseže prilagodljiva sprememba načinov delovanja krmilnih mehanizmov.
Visokonapetostni pogon s spremenljivo frekvenco
VFD zasnova
Tukaj je kratek opis obstoječih frekvenčnih pretvornikov.
Strukturno je pretvornik sestavljen iz funkcionalno povezanih blokov: blok vhodnega transformatorja (transformatorska omara); večnivojski razsmernik (inverterska omara) in krmilno-zaščitni sistem z enoto za vnos in prikaz informacij (krmilno-zaščitna omara).
Vhodna transformatorska omarica prenaša energijo iz trifaznega napajanja na večnavitni vhodni transformator, ki razdeli zmanjšano napetost na večnivojski razsmernik.
Večnivojski razsmernik je sestavljen iz enotnih celic - pretvornikov. Število celic je določeno s specifično zasnovo in proizvajalcem. Vsaka celica je opremljena z usmernikom in filtrom enosmernega vmesnega toka z mostnim napetostnim inverterjem z uporabo sodobnih IGBT tranzistorjev (bipolarni tranzistor z izoliranimi vrati). Vhodni izmenični tok se najprej popravi in nato pretvori v izmenični tok z nastavljivo frekvenco in napetostjo s polprevodniškim pretvornikom.
Nastali viri nadzorovane izmenične napetosti so zaporedno povezani v povezave in tvorijo napetostno fazo. Konstrukcija trifaznega izhodnega napajalnega sistema za asinhroni motor se izvede s povezovanjem povezav po vezju "STAR".
Zaščitno krmilni sistem se nahaja v krmilno-zaščitni omari in ga predstavlja večnamenska mikroprocesorska enota s sistemom napajanja iz lastnega vira energije pretvornika, informacijsko vhodno/izhodno napravo in primarnimi senzorji električnih načinov delovanja pretvornika.
Potencial varčevanja: štetje skupaj
Na podlagi podatkov Mitsubishi Electric bomo ocenili potencial varčevanja z energijo pri uvedbi frekvenčnih pretvornikov.
Najprej poglejmo, kako se spreminja moč v različnih načinih krmiljenja motorja:
Zdaj pa navedimo primer izračuna.
Učinkovitost elektromotorja: 96,5%;
Učinkovitost pogona s spremenljivo frekvenco: 97%;
Moč gredi ventilatorja pri nazivni prostornini: 1100 kW;
Lastnosti ventilatorja: H=1,4 p.u. na Q = 0;
Polni delovni čas na leto: 8000 h.
Načini delovanja ventilatorja po urniku:
Iz grafa dobimo naslednje podatke:
100% poraba zraka – 20% obratovalnega časa na leto;
70% poraba zraka – 50% obratovalnega časa na leto;
50 % poraba zraka – 30 % obratovalni čas na leto.
Prihranki med delovanjem pri nazivni obremenitvi in delovanjem z možnostjo krmiljenja hitrosti motorja (delovanje v povezavi z VFD) so enaki:
7 kWh/leto - 446 kWh/leto= 400 kWh/leto
Upoštevajmo tarifo električne energije, ki je enaka 1 kWh / 5,5 rubljev. Omeniti velja, da so stroški vzeti glede na prvo cenovno kategorijo in povprečno vrednost za eno od industrijskih podjetij Primorskega ozemlja za leto 2019.
Prihranimo v denarju:
3 kWh/leto*600 rub./kWh= 000 rub./leto
Praksa izvajanja takšnih projektov omogoča, da se ob upoštevanju stroškov delovanja in popravil ter stroškov samih frekvenčnih pretvornikov doseže vračilna doba 3 leta.
Kot kažejo številke, ni nobenega dvoma o ekonomski upravičenosti uvedbe VFD. Učinek njihovega izvajanja pa ni omejen le na gospodarstvo. VFD-ji gladko zaženejo motor in znatno zmanjšajo njegovo obrabo, a o tem bom govoril naslednjič.
Vir: www.habr.com