在工业中，超过 60% 的电力是由异步电力驱动器消耗的 - 在泵、压缩机、通风和其他装置中。 这是最简单、因此最便宜且最可靠的发动机类型。
各种工业生产的工艺流程要求任意执行器的转速能够灵活变化。 由于电子和计算机技术的快速发展以及减少电力损耗的愿望，出现了用于经济地控制各种类型的电动机的设备。 在本文中，我们将讨论如何确保最有效的电力驱动控制。 在公司工作 （公司集团 ），我看到我们的客户越来越关注能源效率
制造和加工厂消耗的大部分电能用于执行某种机械工作。 为了驱动各种生产和技术机构的工作机构，主要使用带有鼠笼式转子的异步电动机（稍后我们将讨论这种类型的电动机）。 电动机本身、其控制系统以及将运动从电动机轴传递到生产机构的机械装置构成了电力驱动系统。
由于调节电机转速而使绕组中的电力损耗最小，由于频率和电压的均匀增加而实现平滑启动的可能性 - 这些是有效控制电机的主要假设。
毕竟，以前存在并且仍然存在这样的发动机控制方法：
- 通过在电机绕组电路中引入额外的有源电阻（依次通过接触器短路）来进行变阻频率控制；
- 定子端子处的电压发生变化，而该电压的频率恒定且等于工业交流网络的频率；
- 通过改变定子绕组的极对数进行步进调节。
但这些和其他频率调节方法都存在主要缺点——电能损失显着，并且根据定义，步进调节并不是一种足够灵活的方法。
损失是不可避免的吗？
让我们更详细地讨论异步电动机中发生的电力损耗。
电力驱动器的运行由许多电气量和机械量来表征。
电量包括：
- 电源电压，
- 电机电流，
- 磁通量，
- 电动势（EMF）。
主要机械量有：
- 转速n（rpm），
- 发动机的旋转扭矩M (N•m)，
- 电动机的机械功率P（W），由扭矩和转速的乘积决定：P=（M•n）/（9,55）。
为了表示旋转运动的速度以及旋转频率 n，使用了物理学中已知的另一个量 - 角速度 ω，以弧度每秒 (rad/s) 表示。 角速度ω与旋转频率n之间存在如下关系：
考虑到公式采用的形式：
发动机扭矩M对其转子转速n的依赖性称为电动机的机械特性。 请注意，当异步电机运行时，所谓的电磁功率利用电磁场通过气隙从定子传输到转子：
根据表达式（2），该功率的一部分以机械功率的形式传输到转子轴，其余部分以转子电路所有三相有功电阻损耗的形式释放。
这些损耗称为电气损耗，等于：
因此，电损耗由流经绕组的电流的平方决定。
它们很大程度上取决于异步电机的负载。 除电气损耗外，所有其他类型的损耗随负载变化的幅度较小。
因此，让我们考虑一下当转速受到控制时，异步电机的电损耗如何变化。
电动机转子绕组中的电力损耗直接以机器内部热量的形式释放，因此决定了其发热。 显然，转子电路中的电损耗越大，发动机的效率越低，其运行的经济性就越差。
考虑到定子损耗与转子损耗大致成正比，减少转子中的电损耗的愿望就更容易理解了。 这种调节发动机速度的方法是经济的，其中转子中的电力损耗相对较小。
从表达式的分析可以看出，控制电机最经济的方法是转子速度接近同步。
变频驱动器
变频驱动器 (VFD) 等装置，也称为变频器 (FC)。 这些设置允许您更改提供给电动机的三相电压的频率和幅度，从而实现控制机构操作模式的灵活变化。
高压变频驱动器
变频器设计
以下是对现有变频器的简要描述。
在结构上，转换器由功能相关的块组成：输入变压器块（变压器柜）； 多电平逆变器（逆变柜）和带有信息输入和显示单元的控制与保护系统（控制与保护柜）。
输入变压器柜将三相电源的能量传输到多绕组输入变压器，该变压器将降低的电压分配给多电平逆变器。
多电平逆变器由统一的单元 - 转换器组成。 电池的数量由具体设计和制造商确定。 每个单元都配备了整流器和直流链路滤波器，以及使用现代 IGBT 晶体管（绝缘栅双极晶体管）的桥式电压逆变器。 输入交流电流首先经过整流，然后使用固态逆变器转换为频率和电压可调的交流电。
由此产生的受控交流电压源串联连接成链路，形成电压相。 异步电动机的三相输出电源系统的构建是通过按照“STAR”电路连接链路来进行的。
保护控制系统位于控制和保护柜内，由多功能微处理器单元、变流器自身电源的供电系统、信息输入/输出装置和变流器电气运行模式的初级传感器组成。
节省潜力：一起计算
根据三菱电机提供的数据，我们将评估引入变频器时的节能潜力。
首先我们来看看不同发动机控制模式下动力如何变化：
现在我们举一个计算的例子。
电动机效率： 96,5%;
变频驱动效率： 97%;
额定风量时风机轴功率： 1100千瓦;
风机特点： H=1,4 p.u. 在 Q = 0;
每年完整工作时间： 8000小时.
根据时间表的风机运行模式：
从图中我们得到以下数据：
100% 空气消耗量——每年 20% 的运行时间；
70% 空气消耗量——每年 50% 的运行时间；
每年 50% 的空气消耗量 – 30% 的运行时间。
额定负载运行与能够控制电机速度的运行（与 VFD 结合运行）之间的节省等于：
7 千瓦时/年 - 446 千瓦时/年= 400 千瓦时/年
让我们考虑等于 1 kWh / 5,5 卢布的电价。 值得注意的是，成本是根据第一价格类别和滨海边疆区一家工业企业2019年的平均值计算的。
让我们以货币形式计算节省的费用：
3 kWh/年*600 卢布/kWh= 000 卢布/年
考虑到运行和维修成本以及变频器本身的成本，实施此类项目的实践可以实现 3 年的投资回收期。
如图所示，引入 VFD 的经济可行性是毫无疑问的。 然而，它们的实施效果不仅仅局限于经济。 VFD 可以平稳地启动发动机，显着减少其磨损，但我会在下次讨论这一点。
来源： habr.com