In der Industrie werden über 60% des Stroms durch asynchrone elektrische Antriebe verbraucht - in Pumpen, Kompressoren, Lüftungsanlagen und anderen Anlagen. Dies ist der einfachste und daher billigste und zuverlässigste Motortyp.
Der technologische Prozess der verschiedenen Industriezweige erfordert eine flexible Änderung der Drehzahl aller Aktuatoren. Aufgrund der rasanten Entwicklung der Elektronik- und Computertechnologie sowie des Wunsches, Energieverluste zu verringern, erschienen Vorrichtungen zur wirtschaftlichen Steuerung verschiedener Arten von Elektromotoren. In diesem Artikel wird nur erläutert, wie die effizienteste Steuerung des Elektroantriebs sichergestellt werden kann. Bei
der Firma First Engineer (
LANIT Unternehmensgruppe) sehe ich, dass unsere Kunden immer mehr auf Energieeffizienz achten
Der größte Teil der von Produktions- und technologischen Anlagen verbrauchten elektrischen Energie wird für mechanische Arbeiten jeglicher Art verwendet. Um die Arbeitskörper verschiedener Produktions- und Technologiemechanismen in Bewegung zu setzen, werden hauptsächlich Asynchron-Elektromotoren mit einem Käfigläufer verwendet (im Folgenden wird auf diesen Elektromotorentyp eingegangen). Der Elektromotor selbst, sein Steuersystem und die mechanische Vorrichtung, die die Bewegung von der Motorwelle zum Produktionsmechanismus überträgt, bilden ein elektrisches Antriebssystem.
Das Vorhandensein minimaler Energieverluste in den Wicklungen aufgrund der Regelung der Motordrehzahl, die Möglichkeit eines sanften Starts aufgrund einer gleichmäßigen Erhöhung der Frequenz und der Spannung sind die wichtigsten Grundsätze für die wirksame Steuerung von Elektromotoren.
Immerhin existierten und existieren früher solche Motorsteuerverfahren wie:
- rheostatische Frequenzregelung durch Einführung zusätzlicher Wirkwiderstände in den Stromkreis der Motorwicklungen, die nacheinander durch die Schütze kurzgeschlossen werden;
- die Spannungsänderung an den Statorklemmen, während die Frequenz einer solchen Spannung konstant und gleich der Frequenz des industriellen Wechselstromnetzes ist;
- Stufenregelung durch Ändern der Polpaarzahl der Statorwicklung.
Diese und andere Methoden der Frequenzregelung weisen jedoch den Hauptnachteil auf - erhebliche Verluste an elektrischer Energie, und eine schrittweise Regelung ist per Definition kein flexibler Weg.
Verluste sind unvermeidlich?
Lassen Sie uns näher auf die elektrischen Verluste eingehen, die in einem Induktionsmotor auftreten.
Der Betrieb eines elektrischen Antriebs ist durch eine Reihe elektrischer und mechanischer Größen gekennzeichnet.
Elektrische Größen umfassen:
- Netzspannung
- Motorstrom
- magnetischer Fluss
- elektromotorische Kraft (EMF).
Die wichtigsten mechanischen Größen sind:
- Drehzahl n (U / min),
- das Drehmoment M (N · m) des Motors,
- mechanische Leistung des Elektromotors P (W), bestimmt durch das Produkt aus Moment und Drehzahl: P = (M • n) / (9,55).
Neben der Drehzahl n wird mit einem anderen aus der Physik bekannten Wert die Drehzahl bezeichnet - die Winkelgeschwindigkeit ω, ausgedrückt in Bogenmaß pro Sekunde (rad / s). Zwischen der Winkelgeschwindigkeit ω und der Drehzahl n besteht folgende Beziehung:
unter Berücksichtigung der folgenden Formel:
Die Abhängigkeit des Motormoments M von der Drehzahl seines Rotors n wird als mechanische Kennlinie des Elektromotors bezeichnet. Es ist zu beachten, dass während des Betriebs einer Asynchronmaschine die sogenannte elektromagnetische Leistung vom Stator über den Luftspalt unter Verwendung eines elektromagnetischen Feldes auf den Rotor übertragen wird:
Ein Teil dieser Leistung wird in Form von mechanischer Leistung gemäß Ausdruck (2) auf die Rotorwelle übertragen, und der Rest wird in Form von Verlusten in den Wirkwiderständen aller drei Phasen der Rotorkette zugeordnet.
Diese als elektrisch bezeichneten Verluste betragen:
Somit werden elektrische Verluste durch das Quadrat des durch die Wicklungen fließenden Stroms bestimmt.
Sie werden stark von der Belastung des Asynchronmotors bestimmt. Alle anderen Arten von Verlusten, mit Ausnahme der elektrischen, ändern sich mit der Last weniger stark.
Daher werden wir uns überlegen, wie sich die elektrischen Verluste eines Induktionsmotors bei der Drehzahlregelung ändern.
Elektrische Verluste direkt in der Wicklung des Rotors des Elektromotors entstehen in Form von Wärme im Inneren der Maschine und bestimmen somit deren Erwärmung. Je größer die elektrischen Verluste im Rotorkreis sind, desto geringer ist natürlich der Motorwirkungsgrad und desto weniger sparsam ist sein Betrieb.
In Anbetracht dessen, dass die Verluste im Stator ungefähr proportional zu den Verlusten im Rotor sind, ist der Wunsch, elektrische Verluste im Rotor zu reduzieren, noch verständlicher. Dieses Verfahren zur Steuerung der Motordrehzahl ist wirtschaftlich, bei dem die elektrischen Verluste im Rotor relativ gering sind.
Aus der Analyse der Ausdrücke folgt, dass der wirtschaftlichste Weg zur Steuerung von Motoren eine nahezu synchrone Rotordrehzahl ist.
Frequenzumrichter
Im täglichen Leben verschiedener Branchen, in denen Pumpen, Lüftungsanlagen, Fördersysteme, Erzeugungsanlagen (TPPs, Kraftwerke in Staatsdistrikten usw.) usw. verwendet werden, sind Anlagen wie Frequenzumrichter (VFDs), auch Frequenzumrichter (IF) genannt, enthalten ) Mit diesen Einstellungen können Sie die Frequenz und Amplitude der dem Elektromotor zugeführten Dreiphasenspannung ändern, wodurch eine flexible Änderung der Betriebsarten der Steuerungsmechanismen erreicht wird.
Hochspannungs-FrequenzumrichterKonstruktiver VFDHier finden Sie eine kurze Beschreibung der vorhandenen Frequenzumrichter.
Strukturell besteht der Umrichter aus funktional verbundenen Blöcken: Eingangstransformatorblock (Transformatorschrank); ein mehrstufiger Wechselrichter (Wechselrichterschrank) und ein Steuerungs- und Schutzsystem mit einer Informationseingabe- und Anzeigeeinheit (Steuerungs- und Schutzschrank).
Im Schaltschrank des Eingangstransformators wird Energie von der Drehstromversorgung zum Eingangs-Mehrwicklungstransformator übertragen, der die reduzierte Spannung auf den mehrstufigen Wechselrichter verteilt.
Ein Multilevel-Wechselrichter besteht aus vereinheitlichten Zellen - Konvertern. Die Anzahl der Zellen wird von einem bestimmten Konstrukt und Hersteller bestimmt. Jede Zelle ist mit einem Gleichrichter und einem Zwischenkreisfilter mit einem Brückenspannungsinverter an modernen IGBT-Transistoren (Bipolartransistor mit isoliertem Gate) ausgestattet. Zunächst wird der Eingangswechselstrom gleichgerichtet und dann mit einem Halbleiter-Wechselrichter in Wechselstrom mit einstellbarer Frequenz und Spannung umgewandelt.
Die erhaltenen geregelten Wechselspannungsquellen sind in Reihe zu den Zwischenkreisen geschaltet und bilden eine Spannungsphase. Der Aufbau eines dreiphasigen Ausgangsstromversorgungssystems eines Induktionsmotors erfolgt durch Einschalten der Verbindungen nach dem STAR-Schema.
Das Schutzsteuerungssystem befindet sich im Steuerungs- und Schutzschrank und besteht aus einer multifunktionalen Mikroprozessoreinheit mit einem Stromversorgungssystem aus der Hilfsquelle des Umrichters, einem Informationseingabe-Ausgabegerät und Primärsensoren für die elektrischen Betriebsarten des Umrichters.
Einsparpotenzial: Gemeinsam zählen
Basierend auf den von Mitsubishi Electric bereitgestellten Daten werden wir das Energieeinsparpotenzial bei der Einführung von Frequenzumrichtern bewerten.
Lassen Sie uns zunächst sehen, wie sich die Leistung unter verschiedenen Modi der Motorregelung ändert:
Und jetzt geben wir ein Rechenbeispiel.
Motorwirkungsgrad:
96,5% ;
Wirkungsgrad des Frequenzumrichters:
97% ;
Leistung auf der Lüfterwelle mit einem Nennvolumen:
1100 kW ;
Lüftercharakteristik :
H = 1,4 p.u. bei
Q = 0 ;
Vollzeit für das Jahr:
8000 StundenBetriebsarten des Lüfters gemäß Zeitplan:
Aus der Grafik erhalten wir folgende Daten:
100% Luftverbrauch - 20% der Betriebszeit pro Jahr;
70% des Luftverbrauchs - 50% der Betriebszeit pro Jahr;
50% des Luftverbrauchs - 30% der Betriebszeit pro Jahr.
Die Einsparungen zwischen Arbeiten unter Nennlast und Arbeiten mit Drehzahlregelung (Arbeiten in Verbindung mit VFD) betragen:
7.446.400 kWh / Jahr - 3.846.400 kWh / Jahr = 3.600.000 kWh / Jahr
Wir berücksichtigen den Stromtarif von - 1 kWh / 5,5 Rubel. Es ist anzumerken, dass die Kosten nach der ersten Preiskategorie und dem Durchschnittswert für eines der Industrieunternehmen des Primorsky Territory für 2019 berechnet werden.
Wir erhalten die Einsparungen in Geld ausgedrückt:
3 600 000 kW * h / Jahr * 5,5 Rubel / kW * h = 19 800 000 Rubel / Jahr
Die Praxis der Durchführung solcher Projekte ermöglicht es, die Amortisationszeit von 3 Jahren unter Berücksichtigung der Kosten für Betrieb und Reparatur sowie der Kosten für die Frequenzumrichter selbst zu berücksichtigen.
Wie die Zahlen zeigen, besteht kein Zweifel an der wirtschaftlichen Realisierbarkeit der Umsetzung von VFD. Die Wirkung ihrer Umsetzung ist jedoch nicht auf eine Volkswirtschaft beschränkt. VFDs lassen den Motor sanft an und verringern den Verschleiß erheblich. Ich werde das nächste Mal darauf eingehen.