En la industria, más del 60% de la electricidad se consume mediante accionamientos eléctricos asíncronos, en bombas, compresores, ventilación y otras instalaciones. Este es el tipo de motor más simple, y por lo tanto económico y confiable.
El proceso tecnológico de varias industrias en la industria requiere un cambio flexible en la velocidad de rotación de cualquier actuador. Debido al rápido desarrollo de la tecnología electrónica e informática, así como al deseo de reducir las pérdidas de energía, aparecieron dispositivos para el control económico de varios tipos de motores eléctricos. En este artículo, solo hablaremos sobre cómo garantizar el control más eficiente del accionamiento eléctrico. Al trabajar en
la empresa First Engineer (grupo de empresas
LANIT ), veo que nuestros clientes prestan cada vez más atención a la eficiencia energética.
La mayor parte de la energía eléctrica consumida por la producción y las instalaciones tecnológicas se utiliza para realizar cualquier tipo de trabajo mecánico. Para poner en funcionamiento los cuerpos de trabajo de varios mecanismos tecnológicos y de producción, se utilizan principalmente motores eléctricos asíncronos con un rotor de jaula de ardilla (en adelante, hablaremos sobre este tipo de motor eléctrico). El motor eléctrico en sí, su sistema de control y el dispositivo mecánico que transmiten el movimiento del eje del motor al mecanismo de producción forman un sistema de accionamiento eléctrico.
La presencia de pérdidas mínimas de energía en los devanados debido a la regulación de la velocidad del motor, la posibilidad de un arranque suave debido a un aumento uniforme en la frecuencia y el voltaje son los principios fundamentales del control efectivo de los motores eléctricos.
Después de todo, existían anteriormente y todavía existen métodos de control del motor como:
- regulación de frecuencia reostática mediante la introducción de resistencias activas adicionales en el circuito de los devanados del motor en cortocircuito secuencialmente por los contactores;
- cambio de voltaje en las pinzas del estator, mientras que la frecuencia de dicho voltaje es constante e igual a la frecuencia de la red de CA industrial;
- regulación de paso cambiando el número de pares de polos del devanado del estator.
Pero estos y otros métodos de regulación de frecuencia conllevan el principal inconveniente: pérdidas significativas de energía eléctrica, y la regulación paso a paso, por definición, no es una forma flexible.
Las pérdidas son inevitables?
Detengámonos con más detalle en las pérdidas eléctricas que ocurren en un motor de inducción.
El funcionamiento de un accionamiento eléctrico se caracteriza por una cantidad de cantidades eléctricas y mecánicas.
Las cantidades eléctricas incluyen:
- tensión de red
- corriente del motor
- flujo magnético
- fuerza electromotriz (EMF).
Las principales cantidades mecánicas son:
- velocidad de rotación n (r / min),
- el momento de rotación M (N • m) del motor,
- potencia mecánica del motor eléctrico P (W), determinada por el producto del momento y la velocidad: P = (M • n) / (9.55).
Además de la velocidad de rotación n, otro valor conocido de la física se usa para denotar la velocidad del movimiento de rotación: la velocidad angular ω, que se expresa en radianes por segundo (rad / s). Entre la velocidad angular ω y la velocidad de rotación n existe la siguiente relación:
teniendo en cuenta que la fórmula toma la forma:
La dependencia del par motor M sobre la velocidad de rotación de su rotor n se denomina característica mecánica del motor eléctrico. Tenga en cuenta que durante el funcionamiento de una máquina asíncrona, la denominada potencia electromagnética se transmite desde el estator al rotor a través del entrehierro utilizando un campo electromagnético:
Parte de esta potencia se transmite al eje del rotor en forma de potencia mecánica de acuerdo con la expresión (2), y el resto se asigna en forma de pérdidas en las resistencias activas de las tres fases de la cadena del rotor.
Estas pérdidas, llamadas eléctricas, son iguales a:
Por lo tanto, las pérdidas eléctricas están determinadas por el cuadrado de la corriente que pasa a través de los devanados.
Están fuertemente determinados por la carga del motor de inducción. Todos los demás tipos de pérdidas, excepto las eléctricas, cambian con la carga de manera menos significativa.
Por lo tanto, consideraremos cómo cambian las pérdidas eléctricas de un motor de inducción al controlar la velocidad.
Las pérdidas eléctricas directamente en el devanado del rotor del motor eléctrico se generan en forma de calor dentro de la máquina y, por lo tanto, determinan su calentamiento. Obviamente, cuanto mayores son las pérdidas eléctricas en el circuito del rotor, menor es la eficiencia del motor, menos económico es su funcionamiento.
Teniendo en cuenta que las pérdidas en el estator son aproximadamente proporcionales a las pérdidas en el rotor, el deseo de reducir las pérdidas eléctricas en el rotor es aún más comprensible. Ese método de controlar la velocidad del motor es económico en el que las pérdidas eléctricas en el rotor son relativamente pequeñas.
Del análisis de las expresiones se deduce que la forma más económica de controlar los motores es la velocidad del rotor cerca de síncrono.
Variadores de frecuencia
En la vida cotidiana de diversas industrias que utilizan equipos de bombeo, ventilación, sistemas de transporte, instalaciones de generación (TPP, plantas de energía del distrito estatal, etc.), etc., se incluyen instalaciones como variadores de frecuencia (VFD), también llamados convertidores de frecuencia (IF). ) Estos ajustes le permiten cambiar la frecuencia y la amplitud del voltaje trifásico suministrado al motor eléctrico, debido a lo cual se logra un cambio flexible en los modos de funcionamiento de los mecanismos de control.
Unidad de frecuencia variable de alto voltajeVFD constructivoAquí hay una breve descripción de los convertidores de frecuencia existentes.
Estructuralmente, el convertidor consta de bloques funcionalmente conectados: bloque transformador de entrada (armario de transformadores); un inversor multinivel (armario del inversor) y un sistema de control y protección con una entrada de información y una unidad de visualización (armario de control y protección).
En el gabinete del transformador de entrada, la energía se transfiere desde la fuente de alimentación trifásica al transformador de bobinado múltiple de entrada, que distribuye el voltaje reducido al inversor multinivel.
Un inversor multinivel consta de células unificadas - convertidores. El número de células está determinado por una construcción y un fabricante específicos. Cada celda está equipada con un rectificador y un filtro de enlace de CC con un inversor de voltaje de puente en los transistores IGBT modernos (transistor bipolar con puerta aislada). Inicialmente, la corriente alterna de entrada se rectifica, y luego, usando un inversor semiconductor, se convierte en corriente alterna con una frecuencia y voltaje ajustables.
Las fuentes obtenidas de voltaje alterno controlado están conectadas en serie a los enlaces, formando una fase de voltaje. La construcción de un sistema de alimentación trifásica de salida de un motor de inducción se lleva a cabo conectando los enlaces de acuerdo con el esquema STAR.
El sistema de control de protección está ubicado en el gabinete de control y protección y está representado por una unidad de microprocesador multifuncional con un sistema de suministro de energía de la fuente auxiliar del convertidor, un dispositivo de entrada-salida de información y sensores primarios de los modos de operación eléctrica del convertidor.
Potencial de ahorro: contar juntos
Con base en los datos proporcionados por Mitsubishi Electric, evaluaremos el potencial de ahorro de energía al introducir convertidores de frecuencia.
Primero, veamos cómo cambia la potencia bajo diferentes modos de regulación del motor:
Y ahora damos un ejemplo de cálculo.
Eficiencia del motor:
96.5% ;
Eficiencia del variador de frecuencia:
97% ;
Potencia en el eje del ventilador con un volumen nominal:
1100 kW ;
Característica del ventilador:
H = 1.4 p.u. en
Q = 0 ;
Tiempo completo para el año:
8000 horas.Modos de funcionamiento del ventilador según el horario:
Del gráfico obtenemos los siguientes datos:
100% de consumo de aire: 20% del tiempo de funcionamiento por año;
70% del consumo de aire: 50% del tiempo de funcionamiento por año;
50% del consumo de aire: 30% del tiempo de funcionamiento por año.
El ahorro entre el trabajo bajo carga nominal y el trabajo con la capacidad de controlar la velocidad del motor (trabajo junto con VFD) es igual a:
7,446,400 kWh / año - 3,846,400 kWh / año = 3,600,000 kWh / año
Tenemos en cuenta la tarifa de electricidad igual a - 1 kWh / 5.5 rublos. Vale la pena señalar que el costo se toma de acuerdo con la primera categoría de precios y el valor promedio de una de las empresas industriales del territorio de Primorsky para 2019.
Obtenemos los ahorros en términos monetarios:
3 600 000 kW * h / año * 5,5 rublos / kW * h = 19 800 000 rublos / año
La práctica de implementar tales proyectos permite tener en cuenta el período de recuperación de la inversión de 3 años, teniendo en cuenta los costos de operación y reparación, así como el costo de los propios convertidores de frecuencia.
Como muestran las cifras, no hay dudas sobre la viabilidad económica de implementar VFD. Sin embargo, el efecto de su implementación no se limita a una sola economía. Los VFD arrancan suavemente el motor, reduciendo significativamente su desgaste, pero hablaré de esto la próxima vez.