У промисловості понад 60% електроенергії споживається асинхронними електроприводами – у насосних, компресорних, вентиляційних та інших установках. Це найбільш простий, а тому дешевий та надійний тип двигуна.
Технологічний процес різних виробництв у промисловості вимагає гнучкої зміни частоти обертання будь-яких виконавчих механізмів. Завдяки бурхливому розвитку електронної та обчислювальної техніки, а також прагненню знизити втрати електроенергії з'явилися пристрої для економного керування електродвигунами різного типу. У цій статті якраз і поговоримо про те, як забезпечити максимально ефективне керування електроприводом. Працюючи в компанії (група компаній ), я бачу, що наші замовники все більше уваги приділяють енергоефективності.
Більшість електричної енергії, що споживається виробничими та технологічними установками, використовується для виконання будь-якої механічної роботи. Для приведення в рух робочих органів різних виробничих та технологічних механізмів переважно використовуються асинхронні електричні двигуни з короткозамкненим ротором (надалі саме про цей тип електродвигуна і вестимемо розповідь). Сам електродвигун, його система управління та механічний пристрій, що передає рух від валу двигуна до виробничого механізму, утворюють систему електричного приводу.
Наявність мінімальних втрат електроенергії в обмотках за рахунок регулювання частоти обертання двигуна, можливість плавного пуску за рахунок рівномірного збільшення частоти та напруги – це основні постулати ефективного керування електродвигунами.
Адже раніше існували і досі існують такі способи керування двигуном, як:
- реостатне регулювання частоти шляхом введення додаткових активних опорів у ланцюгу обмоток двигуна, що послідовно закорочуються контакторами;
- зміна напруги на затискачах статора, при цьому частота такої напруги стала і дорівнює частоті промислової мережі змінного струму;
- ступінчасте регулювання шляхом зміни числа пар полюсів обмотки статора.
Але ці та інші способи регулювання частоти несуть із собою головний недолік — значні втрати електричної енергії, а ступінчасте регулювання визначення є недостатньо гнучким способом.
Втрати неминучі?
Зупинимося докладніше на електричних втрат, що виникають в асинхронному електродвигуні.
Робота електричного приводу характеризується цілим рядом електричних та механічних величин.
До електричних величин відносяться:
- напруга мережі,
- струм електродвигуна,
- магнітний потік,
- електрорушійна сила (ЕРС).
Основними механічними величинами є:
- частота обертання n (про/хв),
- момент, що обертається M (Н•м) двигуна,
- механічна потужність електродвигуна P (Вт), що визначається добутком моменту на частоту обертання: P=(M•n)/(9,55).
Для позначення швидкості обертального руху поряд із частотою обертання n використовується й інша відома з фізики величина - кутова швидкість ω, яка виражається в радіанах за секунду (рад/с). Між кутовою швидкістю і частотою обертання n існує наступний зв'язок:
при обліку якої формула набуває вигляду:
Залежність моменту, що обертає двигуна M від частоти обертання його ротора n називається механічною характеристикою електродвигуна. При роботі асинхронної машини зі статора на ротор передається через повітряний зазор за допомогою електромагнітного поля так звана електромагнітна потужність:
Частина цієї потужності передається на вал ротора у вигляді механічної потужності згідно з виразом (2), а решта виділяється у вигляді втрат в активних опорах всіх трьох фаз роторного ланцюга.
Ці втрати, які називають електричними, рівні:
Таким чином, електричні втрати визначаються квадратом струму, що проходить обмотками.
Вони сильно визначаються навантаженням асинхронного двигуна. Всі інші види втрат, окрім електричних, змінюються із навантаженням менш суттєво.
Тому розглянемо, як змінюються електричні втрати асинхронного двигуна під час регулювання частоти обертання.
Електричні втрати безпосередньо в обмотці ротора електродвигуна виділяються у вигляді тепла усередині машини і тому визначають її нагрівання. Вочевидь, що більше електричні втрати у ланцюга ротора, то менше ККД двигуна, тим менш економічна його робота.
Враховуючи, що втрати в статорі приблизно пропорційні втрат у роторі, ще більш зрозумілим є прагнення зменшити електричні втрати в роторі. Той спосіб регулювання частоти обертання двигуна є економічним, у якому електричні втрати у роторі щодо невеликі.
З аналізу виразів випливає, що найекономічніший спосіб керування двигунами полягає в частоті обертання ротора, близької до синхронної.
Частотно-регульовані приводи
У побут різних сфер промисловості, які використовують насосне, вентиляційне обладнання, конвеєрні установки, об'єкти генерації (ТЕЦ, ГРЕС тощо) та ін. увійшли такі установки, як частотно-регульовані приводи (ЧРП), також звані перетворювачами частоти (ПЧ) ). Дані установки дозволяють змінювати частоту і амплітуду трифазної напруги, що надходить на електродвигун, за рахунок чого і досягається гнучка зміна режимів роботи керуючих механізмів.
Високовольтний частотно-регульований привід
Конструктив ЧРП
Наведемо короткий опис існуючих перетворювачів частоти.
Конструктивно перетворювач складається з функціонально пов'язаних блоків: блоку вхідного трансформатора (шафа трансформатора); багаторівневого інвертора (шафа інвертора) та системи управління та захисту з блоком введення та відображення інформації (шафа управління та захистів).
У шафі вхідного трансформатора здійснюється передача енергії від трифазного джерела живлення вхідним багатообмотувальним трансформатором, який розподіляє знижену напругу багаторівневий інвертор.
Багаторівневий інвертор складається з уніфікованих осередків – перетворювачів. Кількість осередків визначається конкретним конструктивом та заводом-виробником. Кожен осередок оснащений випрямлячем та фільтром ланки постійного струму з мостовим інвертором напруги на сучасних IGBT транзисторах (біполярний транзистор із ізольованим затвором). Спочатку випрямляється вхідний змінний струм, а потім за допомогою напівпровідникового інвертора перетворюється на змінний струм з регульованою частотою і напругою.
Отримані джерела керованої змінної напруги з'єднуються послідовно у ланки, формуючи фазу напруги. Побудова вихідної трифазної системи живлення асинхронного двигуна здійснюється включенням ланок за схемою «ЗІРКА».
Система управління захисту розташовується в шафі управління та захисту та представлена багатофункціональним мікропроцесорним блоком із системою живлення від джерела власних потреб перетворювача, пристроєм введення-виведення інформації та первинними сенсорами електричних режимів роботи перетворювача.
Потенціал економії: рахуємо разом
На підставі даних, наданих компанією Mitsubishi Electric, оцінимо потенціал енергозбереження під час впровадження перетворювачів частоти.
Спочатку подивимося, як змінюється потужність при різних режимах регулювання двигуна:
А тепер наведемо приклад розрахунку.
ККД електродвигуна: 96,5%;
ККД частотно-регульованого приводу: 97%;
Потужність на валу вентилятора при номінальному обсязі: 1100 кВт;
Характеристика вентилятора: H=1,4 о. при Q=0;
Повний робочий час протягом року: 8000 ч.
Режими роботи вентилятора згідно з графіком:
З графіка отримуємо такі дані:
100% витрати повітря – 20% часу роботи протягом року;
70% витрати повітря – 50% часу роботи протягом року;
50% витрат повітря – 30% часу роботи протягом року.
Економія між роботою під номінальним навантаженням та роботою з можливістю регулювання швидкості обертання двигуна (робота спільно з ЧРП) дорівнює:
7 446 400 кВт * год / рік - 3 846 400 кВт * год / год = 3 600 000 кВт * год / год
Врахуємо тариф на електроенергію рівним - 1 кВт * год / 5,5 руб. Варто зазначити, що вартість взята за першою ціновою категорією та усередненим значенням для одного з промислових підприємств Приморського краю за 2019 р.
Отримаємо економію в грошах:
3 кВт * год / рік * 600 руб / кВт * год = 000 руб / рік
Практика реалізації подібних проектів дозволяє з урахуванням витрат на експлуатацію та ремонти, а також вартості самих перетворювачів частоти досягти терміну окупності в 3 роки.
Як показують цифри, в економічній доцільності впровадження ЧРП не варто сумніватися. Однак однією економікою ефект від їхнього впровадження не обмежується. ЧРП здійснюють плавний пуск двигуна, значно зменшуючи його зношування, але про це я розповім наступного разу.
Джерело: habr.com