Le moyen le plus économique de contrôler les moteurs - convertisseur de fréquence

Dans l'industrie, plus de 60% de l'électricité est consommée par des entraînements électriques asynchrones - dans les installations de pompage, de compresseur, de ventilation et autres. Il s'agit du type de moteur le plus simple et donc le moins cher et le plus fiable.

Le processus technologique de diverses industries de l'industrie nécessite un changement flexible de la vitesse de rotation de tout actionneur. En raison du développement rapide de la technologie électronique et informatique, ainsi que du désir de réduire les pertes d'énergie, des dispositifs sont apparus pour une commande économique de divers types de moteurs électriques. Dans cet article, nous allons simplement parler de la façon d'assurer le contrôle le plus efficace de l'entraînement électrique. Travaillant dans la société First Engineer (groupe d'entreprises LANIT ), je constate que nos clients portent de plus en plus d'attention à l'efficacité énergétique


La majeure partie de l'énergie électrique consommée par la production et les installations technologiques est utilisée pour effectuer tout type de travail mécanique. Pour mettre en mouvement les organes de travail de divers mécanismes de production et technologiques, des moteurs électriques asynchrones à rotor à cage d'écureuil sont principalement utilisés (à l'avenir, nous parlerons de ce type de moteur électrique). Le moteur électrique lui-même, son système de commande et le dispositif mécanique transmettant le mouvement de l'arbre du moteur au mécanisme de production forment un système d'entraînement électrique.


La présence de pertes d'énergie minimales dans les enroulements en raison de la régulation du régime moteur, la possibilité d'un démarrage en douceur dû à une augmentation uniforme de la fréquence et de la tension sont les principaux principes d'une commande efficace des moteurs électriques.

Après tout, il existait et existe toujours des méthodes de contrôle du moteur telles que:

• régulation de la fréquence rhéostatique par introduction de résistances actives supplémentaires dans le circuit des enroulements du moteur court-circuités séquentiellement par les contacteurs;
• la variation de tension au niveau des pinces du stator, tandis que la fréquence d'une telle tension est constante et égale à la fréquence du réseau alternatif industriel;
• régulation par pas en modifiant le nombre de paires de pôles de l'enroulement statorique.

Mais ces méthodes et d'autres de régulation des fréquences comportent leur principal inconvénient - des pertes importantes d'énergie électrique, et la régulation pas à pas par définition n'est pas un moyen flexible.

Les pertes sont inévitables?

Arrêtons-nous plus en détail sur les pertes électriques qui se produisent dans un moteur à induction.

Le fonctionnement d'un entraînement électrique est caractérisé par un certain nombre de quantités électriques et mécaniques.

Les quantités électriques comprennent:

• tension secteur
• courant moteur
• flux magnétique
• force électromotrice (EMF).

Les principales quantités mécaniques sont:

• vitesse de rotation n (r / min),
• le moment de rotation M (N • m) du moteur,
• puissance mécanique du moteur électrique P (W), déterminée par le produit du moment et de la vitesse: P = (M • n) / (9,55).

En plus de la vitesse de rotation n, une autre valeur connue de la physique est utilisée pour désigner la vitesse de mouvement de rotation - la vitesse angulaire ω, qui est exprimée en radians par seconde (rad / s). Entre la vitesse angulaire ω et la vitesse de rotation n, il existe la relation suivante:

$$

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

en tenant compte du fait que la formule prend la forme:

$$

$$P = M * ω (2)$$

La dépendance du couple moteur M sur la vitesse de rotation de son rotor n est appelée caractéristique mécanique du moteur électrique. Notez que lors du fonctionnement d'une machine asynchrone, la puissance dite électromagnétique est transmise du stator au rotor à travers l'entrefer à l'aide d'un champ électromagnétique:

$$

$$P_ {em} = M * ω_0$$

Une partie de cette puissance est transmise à l'arbre du rotor sous forme de puissance mécanique selon l'expression (2), et le reste est alloué sous forme de pertes dans les résistances actives des trois phases de la chaîne du rotor.

Ces pertes, dites électriques, sont égales à:

$$

$$∆_ {el} = 3 * I ^ 2 * r$$

Ainsi, les pertes électriques sont déterminées par le carré du courant traversant les enroulements.

Ils sont fortement déterminés par la charge du moteur asynchrone. Tous les autres types de pertes, à l'exception des pertes électriques, changent moins fortement avec la charge.

Par conséquent, nous considérerons comment les pertes électriques d'un moteur à induction changent lors du contrôle de la vitesse.

Les pertes électriques directement dans l'enroulement du rotor du moteur électrique sont générées sous forme de chaleur à l'intérieur de la machine et déterminent donc son échauffement. De toute évidence, plus les pertes électriques dans le circuit du rotor sont importantes, plus le rendement du moteur est faible, moins son fonctionnement est économique.

Étant donné que les pertes dans le stator sont approximativement proportionnelles aux pertes dans le rotor, le désir de réduire les pertes électriques dans le rotor est encore plus compréhensible. Cette méthode de contrôle du régime moteur est économique dans laquelle les pertes électriques dans le rotor sont relativement faibles.

De l'analyse des expressions, il s'ensuit que le moyen le plus économique de contrôler les moteurs est de régler la vitesse du rotor de manière synchrone.

Entraînements à fréquence variable

Dans la vie quotidienne de diverses industries qui utilisent le pompage, les équipements de ventilation, les systèmes de convoyage, les installations de production (TPP, les centrales électriques des districts de l'État, etc.), etc., telles que les variateurs de fréquence (VFD), également appelés convertisseurs de fréquence (IF) ) Ces paramètres vous permettent de modifier la fréquence et l'amplitude de la tension triphasée fournie au moteur électrique, grâce à laquelle un changement flexible des modes de fonctionnement des mécanismes de commande est obtenu.

Entraînement à fréquence variable haute tension

VFD constructif

Voici une brève description des convertisseurs de fréquence existants.

Structurellement, le convertisseur se compose de blocs fonctionnellement connectés: bloc transformateur d'entrée (armoire de transformateur); un onduleur multiniveaux (armoire onduleur) et un système de commande et de protection avec une unité d'entrée et d'affichage des informations (armoire de commande et de protection).

Dans l'armoire du transformateur d'entrée, l'énergie est transférée de la source d'alimentation triphasée au transformateur à enroulements multiples d'entrée, qui distribue la tension réduite à l'onduleur à plusieurs niveaux.

Un onduleur à plusieurs niveaux se compose de cellules unifiées - convertisseurs. Le nombre de cellules est déterminé par une construction et un fabricant spécifiques. Chaque cellule est équipée d'un redresseur et d'un filtre de liaison CC avec un inverseur de tension en pont sur les transistors IGBT modernes (transistor bipolaire à grille isolée). Initialement, le courant alternatif d'entrée est redressé, puis, à l'aide d'un inverseur à semi-conducteur, il est converti en courant alternatif avec une fréquence et une tension réglables.

Les sources obtenues de tension alternative contrôlée sont connectées en série aux liaisons, formant une phase de tension. La construction d'un système d'alimentation triphasé de sortie d'un moteur à induction est réalisée en commutant les liaisons selon le schéma STAR.

Le système de commande de protection est situé dans l'armoire de commande et de protection et est représenté par une unité de microprocesseur multifonctionnelle avec un système d'alimentation électrique provenant de la source auxiliaire du convertisseur, un dispositif d'entrée-sortie d'informations et des capteurs primaires des modes de fonctionnement électrique du convertisseur.

Potentiel d'économies: compter ensemble

Sur la base des données fournies par Mitsubishi Electric, nous évaluerons le potentiel d'économie d'énergie lors de l'introduction de convertisseurs de fréquence.

Voyons d'abord comment la puissance change sous différents modes de régulation moteur:


Et maintenant, nous donnons un exemple de calcul.

Rendement moteur: 96,5% ;
Efficacité du variateur de fréquence: 97% ;
Puissance sur l'arbre du ventilateur avec un volume nominal: 1100 kW ;
Caractéristique du ventilateur: H = 1,4 p.u. à Q = 0 ;
Temps plein de l'année: 8000 heures

Modes de fonctionnement du ventilateur selon le calendrier:


Du graphique, nous obtenons les données suivantes:

100% de consommation d'air - 20% du temps de fonctionnement par an;
70% de la consommation d'air - 50% du temps de fonctionnement par an;
50% de la consommation d'air - 30% du temps de fonctionnement par an.


Les économies entre le travail sous charge nominale et le travail avec la possibilité de contrôler le régime moteur (travail en conjonction avec VFD) est égal à:

7 446 400 kWh / an - 3 846 400 kWh / an = 3 600 000 kWh / an

Nous prenons en compte le tarif de l'électricité égal à - 1 kWh / 5,5 roubles. Il convient de noter que le coût est pris en fonction de la première catégorie de prix et de la valeur moyenne pour l'une des entreprises industrielles du territoire Primorsky pour 2019.

Nous obtenons des économies en termes monétaires:

3 600 000 kW * h / an * 5,5 roubles / kW * h = 19 800 000 roubles / an

La pratique de mise en œuvre de tels projets permet de prendre en compte la période d'amortissement de 3 ans, en tenant compte des coûts d'exploitation et de réparation, ainsi que du coût des variateurs de fréquence eux-mêmes.

Comme le montrent les chiffres, la faisabilité économique de la mise en œuvre de l'EFV ne fait aucun doute. Cependant, l'effet de leur mise en œuvre ne se limite pas à une seule économie. Les VFD démarrent en douceur le moteur, ce qui réduit considérablement son usure, mais j'en parlerai la prochaine fois.