الطريقة الأكثر اقتصادا للتحكم في المحركات - محول التردد

في الصناعة ، يتم استهلاك أكثر من 60 ٪ من الكهرباء عن طريق محركات كهربائية غير متزامنة - في الضخ والضواغط والتهوية وغيرها من المنشآت. هذا هو أبسط نوع ، وبالتالي رخيصة وموثوق بها من المحرك.

تتطلب العملية التكنولوجية لمختلف الصناعات في الصناعة تغييرًا مرنًا في سرعة الدوران لأي مشغلات. نظرًا للتطور السريع للتكنولوجيا الإلكترونية والكمبيوتر ، فضلاً عن الرغبة في تقليل فقد الطاقة ، ظهرت الأجهزة للتحكم الاقتصادي في أنواع مختلفة من المحركات الكهربائية. في هذه المقالة ، سنتحدث فقط عن كيفية ضمان التحكم الأكثر كفاءة في محرك كهربائي. بالعمل في شركة First Engineer (مجموعة شركات LANIT ) ، أرى أن عملائنا يولون المزيد والمزيد من الاهتمام لكفاءة الطاقة


يتم استخدام معظم الطاقة الكهربائية التي يستهلكها الإنتاج والتركيبات التكنولوجية لأداء أي نوع من الأعمال الميكانيكية. لتحريك الهيئات العاملة في مختلف آليات الإنتاج والتكنولوجيات إلى الحركة ، تستخدم المحركات الكهربائية غير المتزامنة ذات دوار قفص السنجاب (في المستقبل ، سنخبرنا عن هذا النوع من المحركات الكهربائية). المحرك الكهربائي نفسه ، ونظام التحكم الخاص به والجهاز الميكانيكي الذي ينقل حركة من عمود المحرك إلى آلية الإنتاج يشكل نظام قيادة كهربائي.


إن وجود أقل قدر من الخسائر في الطاقة في اللفات بسبب تنظيم سرعة المحرك ، وإمكانية بداية خفيفة بسبب زيادة موحدة في التردد والجهد هي المبادئ الأساسية للتحكم الفعال للمحركات الكهربائية.

بعد كل شيء ، كانت موجودة من قبل ولا تزال موجودة مثل أساليب التحكم في المحرك مثل:

• تنظيم التردد المتغاير من خلال إدخال مقاومات نشطة إضافية في دائرة اللفات الحركية التي تقل بشكل متتابع من قبل الموصلات ؛
• يتغير الجهد عند المشابك الثابتة ، في حين أن تردد مثل هذا الجهد ثابت ويساوي تردد شبكة AC الصناعية ؛
• تنظيم الخطوة عن طريق تغيير عدد أزواج أعمدة متعرج الموالي.

لكن هذه الطرق وغيرها من وسائل تنظيم الترددات تحمل معها العيب الرئيسي ، حيث أن الخسائر الكبيرة في الطاقة الكهربائية ، والتنظيم التدريجي بحكم التعريف ، ليست طريقة مرنة.

الخسائر لا مفر منها؟

دعونا نتناول بمزيد من التفصيل الخسائر الكهربائية التي تحدث في المحرك التعريفي.

يتميز تشغيل محرك كهربائي بعدد من الكميات الكهربائية والميكانيكية.

الكميات الكهربائية تشمل:

• التيار الكهربائي الجهد
• التيار المحرك
• التدفق المغناطيسي
• القوة الدافعة الكهربائية (EMF).

الكميات الميكانيكية الرئيسية هي:

• سرعة الدوران n (r / min) ،
• لحظة الدوران M (N • m) للمحرك ،
• القدرة الميكانيكية للمحرك الكهربائي P (W) ، تحددها ناتج اللحظة والسرعة: P = (M • n) / (9.55).

بالإضافة إلى سرعة الدوران n ، يتم استخدام قيمة أخرى معروفة من الفيزياء للدلالة على سرعة الحركة الدورانية - السرعة الزاوية ω ، والتي يتم التعبير عنها بالراديان في الثانية (rad / s). بين السرعة الزاوية ω والسرعة الدورانية n توجد العلاقة التالية:

$$

$$ω = \ frac {(2 * π * n)} {60} = \ frac {n} {(9،55)}$$

مع مراعاة الصيغة التي تأخذ الصيغة:

$$

$$P = M * ω (2)$$

يُطلق على اعتماد عزم دوران المحرك M على السرعة الدورانية للدوران الخاص به خاصية ميكانيكية للمحرك الكهربائي. لاحظ أنه أثناء تشغيل آلة غير متزامنة ، يتم نقل ما يسمى الطاقة الكهرومغناطيسية من الجزء الثابت إلى الدوار عبر فجوة الهواء باستخدام مجال كهرومغناطيسي:

$$

$$P_ {em} = M * ω_0$$

ينتقل جزء من هذه القدرة إلى عمود الدوران في شكل قوة ميكانيكية وفقًا للتعبير (2) ، ويتم تخصيص الباقي في شكل خسائر في المقاومة النشطة لجميع المراحل الثلاث لسلسلة الدوار.

هذه الخسائر ، المسماة بالكهرباء ، تساوي:

$$

$$∆_ {el} = 3 * I ^ 2 * r$$

وبالتالي ، يتم تحديد الخسائر الكهربائية بواسطة مربع التيار الذي يمر عبر اللفات.

يتم تحديدها بقوة بواسطة حمل المحرك التعريفي. جميع أنواع الخسائر الأخرى ، باستثناء تلك الكهربائية ، تتغير مع انخفاض الحمل بشكل ملحوظ.

لذلك ، سوف نفكر في كيفية تغير الخسائر الكهربائية للمحرك التعريفي عند التحكم في السرعة.

يتم توليد الخسائر الكهربائية مباشرة في لف دوار المحرك الكهربائي في شكل حرارة داخل الجهاز وبالتالي تحديد تسخينها. من الواضح أنه كلما زادت الخسائر الكهربائية في دائرة الدوار ، انخفضت كفاءة المحرك وأقل تشغيلًا اقتصاديًا.

بالنظر إلى أن الخسائر في الجزء الثابت تتناسب تقريبًا مع الخسائر في الدوار ، فإن الرغبة في تقليل الخسائر الكهربائية في الدوار تكون أكثر قابلية للفهم. تعتبر طريقة التحكم في سرعة المحرك اقتصادية حيث تكون الخسائر الكهربائية في الدوار صغيرة نسبيًا.

من تحليل التعبيرات ، يتبع أن الطريقة الأكثر اقتصادا للتحكم في المحركات هي سرعة الدوار قريبة من التزامن.

محركات التردد المتغير

في الحياة اليومية لمختلف الصناعات التي تستخدم الضخ ، معدات التهوية ، أنظمة النقل ، منشآت التوليد (TPPs ، محطات توليد الطاقة في المقاطعة ، إلخ) ، إلخ ، مثل المنشآت مثل محركات التردد المتغير (VFDs) ، وتسمى أيضًا محولات التردد (IF) ). تسمح لك هذه الإعدادات بتغيير وتيرة وسعة الجهد ثلاثي المراحل الذي يتم توفيره للمحرك الكهربائي ، والذي يتم من خلاله تحقيق تغيير مرن في أوضاع تشغيل آليات التحكم.

محرك التردد العالي الجهد المتغير

بناء VFD

فيما يلي وصف موجز لمحولات التردد الحالية.

هيكليا ، يتكون المحول من كتل متصلة وظيفيا: كتلة محول الإدخال (خزانة المحولات) ؛ العاكس متعدد المستويات (خزانة العاكس) ونظام التحكم والحماية مع وحدة إدخال المعلومات وعرضها (خزانة التحكم والحماية).

في خزانة محول الإدخال ، يتم نقل الطاقة من مزود الطاقة ثلاثي المراحل إلى محول الإدخال المتعدد ، والذي يوزع الجهد المنخفض على العاكس متعدد المستويات.

يتكون العاكس متعدد المستويات من محولات خلايا موحدة. يتم تحديد عدد الخلايا من قبل بناء والشركة المصنعة محددة. تم تجهيز كل خلية بمقوم وفلتر وصلة DC مع عاكس جهد الجسر على ترانزستورات IGBT الحديثة (ترانزستور ثنائي القطب مع بوابة معزولة). في البداية ، يتم تصحيح التيار المتردد للإدخال ، وبعد ذلك ، باستخدام عاكس أشباه الموصلات ، يتم تحويله إلى تيار متناوب مع تردد قابل للتعديل والجهد.

وترتبط المصادر التي تم الحصول عليها من الجهد بالتناوب تسيطر في سلسلة إلى الروابط ، وتشكيل مرحلة الجهد. يتم تنفيذ نظام إخراج الطاقة ثلاثي المراحل للمحرك التعريفي عن طريق التبديل على الروابط وفقًا لنظام STAR.

يوجد نظام التحكم في الحماية في خزانة التحكم والحماية ويمثله وحدة للمعالجات الدقيقة متعددة الوظائف مع نظام إمداد الطاقة من مصدر مساعد خاص بالمحول ، وجهاز إدخال إخراج المعلومات وأجهزة استشعار أساسية لأنماط التشغيل الكهربائية للمحول.

الوفورات المحتملة: العد معا

استنادًا إلى البيانات المقدمة من Mitsubishi Electric ، سنقوم بتقييم إمكانات توفير الطاقة عند تقديم محولات التردد.

أولاً ، دعنا نرى كيف تتغير الطاقة في ظل أوضاع مختلفة من تنظيم المحرك:


والآن نعطي مثالا على الحساب.

كفاءة المحرك: 96.5 ٪ .
كفاءة محرك التردد المتغير: 97 ٪ ؛
قم بتشغيل عمود المروحة بحجم رمزي: 1100 كيلو وات ؛
مميزات المعجبين: H = 1.4 puu في Q = 0 ؛
دوام كامل للعام: 8000 ساعة

أوضاع تشغيل المروحة وفقًا للجدول:


من الرسم البياني نحصل على البيانات التالية:

100 ٪ استهلاك الهواء - 20 ٪ من وقت التشغيل سنويا.
70 ٪ من استهلاك الهواء - 50 ٪ من وقت التشغيل في السنة ؛
50 ٪ من استهلاك الهواء - 30 ٪ من وقت التشغيل في السنة.


الوفورات بين العمل تحت الحمل المقنن والعمل مع القدرة على التحكم في سرعة المحرك (العمل بالتزامن مع VFD) تساوي:

7،446،400 كيلو واط ساعة / السنة - 3،846،400 كيلو واط ساعة / السنة = 3،600،000 كيلو واط ساعة / السنة

نحن نأخذ في الاعتبار تعريفة الكهرباء التي تساوي - 1 كيلو واط ساعة / 5.5 روبل. تجدر الإشارة إلى أن التكلفة مأخوذة وفقًا لفئة السعر الأولى ومتوسط ​​القيمة لإحدى المؤسسات الصناعية في إقليم بريمورسكي لعام 2019.

نحصل على المدخرات من الناحية النقدية:

3 600000 كيلوواط * ساعة / سنة * 5.5 روبل / كيلوواط * ساعة = 19 800000 روبل / سنة

تسمح ممارسة تنفيذ هذه المشروعات بمراعاة فترة الاسترداد البالغة 3 سنوات ، مع مراعاة تكاليف التشغيل والإصلاح ، وكذلك تكلفة محولات التردد نفسها.

كما تظهر الأرقام ، ليس هناك شك في الجدوى الاقتصادية لتنفيذ VFD. ومع ذلك ، فإن تأثير تنفيذها لا يقتصر على اقتصاد واحد. تقوم محركات VFD ببدء تشغيل المحرك بسلاسة ، مما يقلل من تآكله بشكل كبير ، لكنني سأتحدث عن ذلك في المرة القادمة.