Cara paling ekonomis untuk mengendalikan motor - konverter frekuensi

Dalam industri, lebih dari 60% listrik dikonsumsi oleh penggerak listrik asinkron - dalam pemompaan, kompresor, ventilasi, dan instalasi lainnya. Ini adalah jenis mesin yang paling sederhana, dan karena itu murah dan dapat diandalkan.

Proses teknologi dari berbagai industri dalam industri membutuhkan perubahan yang fleksibel dalam kecepatan rotasi dari setiap aktuator. Karena pesatnya perkembangan teknologi elektronik dan komputer, serta keinginan untuk mengurangi kehilangan energi, perangkat muncul untuk kontrol ekonomis dari berbagai jenis motor listrik. Dalam artikel ini, kami hanya akan berbicara tentang cara memastikan kontrol paling efisien dari penggerak listrik. Bekerja di perusahaan First Engineer (grup perusahaan LANIT ), saya melihat bahwa pelanggan kami semakin memperhatikan efisiensi energi


Sebagian besar energi listrik yang dikonsumsi oleh produksi dan instalasi teknologi digunakan untuk melakukan segala jenis pekerjaan mekanik. Untuk menggerakkan badan-badan kerja dari berbagai mekanisme produksi dan teknologi ke dalam gerakan, motor listrik asinkron dengan rotor sangkar-tupai terutama digunakan (di masa depan, kita akan memberi tahu tentang jenis motor listrik ini). Motor listrik itu sendiri, sistem kontrolnya dan gerakan transmisi perangkat mekanis dari poros motorik ke mekanisme produksi membentuk sistem penggerak listrik.


Adanya kehilangan energi minimal pada belitan karena pengaturan kecepatan mesin, kemungkinan start lunak karena peningkatan frekuensi dan tegangan yang seragam adalah prinsip utama dari kontrol efektif motor listrik.

Bagaimanapun, sebelumnya ada dan masih ada metode kontrol mesin seperti:

• pengaturan frekuensi rheostatik dengan memasukkan resistensi aktif tambahan di sirkuit belitan motor yang secara berurutan disingkat oleh kontaktor;
• perubahan tegangan pada klem stator, sedangkan frekuensi tegangan tersebut konstan dan sama dengan frekuensi jaringan AC industri;
• langkah pengaturan dengan mengubah jumlah pasang kutub dari belitan stator.

Tetapi ini dan metode pengaturan frekuensi lainnya memiliki kelemahan utama - kerugian energi listrik yang signifikan, dan pengaturan langkah demi langkah, menurut definisi, bukan cara yang fleksibel.

Kerugian tidak bisa dihindari?

Mari kita membahas secara lebih rinci kerugian listrik yang terjadi pada motor induksi.

Pengoperasian drive listrik ditandai oleh sejumlah kuantitas listrik dan mekanik.

Kuantitas listrik meliputi:

• tegangan listrik
• arus motor
• fluks magnet
• gaya gerak listrik (EMF).

Jumlah mekanik utama adalah:

• kecepatan putaran n (r / min),
• momen putar M (N • m) dari mesin,
• tenaga mekanis motor listrik P (W), ditentukan oleh produk momen dan kecepatan: P = (M • n) / (9,55).

Selain kecepatan rotasi n, nilai lain yang diketahui dari fisika digunakan untuk menunjukkan kecepatan gerak rotasi - kecepatan sudut ω, yang dinyatakan dalam radian per detik (rad / s). Antara kecepatan sudut ω dan kecepatan rotasi n ada hubungan berikut:

$$

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

dengan mempertimbangkan formula mana yang berbentuk:

$$

$$P = M * ω (2)$$

Ketergantungan torsi mesin M pada kecepatan rotasi rotornya disebut karakteristik mekanis motor listrik. Perhatikan bahwa selama pengoperasian mesin asinkron, apa yang disebut daya elektromagnetik ditransmisikan dari stator ke rotor melalui celah udara menggunakan medan elektromagnetik:

$$

$$P_ {em} = M * ω_0$$

Bagian dari daya ini ditransmisikan ke poros rotor dalam bentuk tenaga mekanik sesuai dengan ekspresi (2), dan sisanya dialokasikan dalam bentuk kerugian pada hambatan aktif ketiga fase dari rantai rotor.

Kerugian ini, yang disebut listrik, sama dengan:

$$

$$∆_ {el} = 3 * I ^ 2 * r$$

Dengan demikian, kerugian listrik ditentukan oleh kuadrat arus yang melewati belitan.

Mereka sangat ditentukan oleh beban motor induksi. Semua jenis kerugian lainnya, kecuali yang listrik, berubah dengan beban yang kurang signifikan.

Oleh karena itu, kami akan mempertimbangkan bagaimana kerugian listrik dari motor induksi berubah ketika mengendalikan kecepatan.

Kerugian listrik secara langsung dalam belitan rotor motor listrik dihasilkan dalam bentuk panas di dalam mesin dan karenanya menentukan pemanasannya. Jelas, semakin besar kerugian listrik di sirkuit rotor, semakin rendah efisiensi mesin, semakin tidak ekonomis operasinya.

Mempertimbangkan bahwa kerugian pada stator kira-kira sebanding dengan kerugian pada rotor, keinginan untuk mengurangi kerugian listrik pada rotor bahkan lebih dapat dimengerti. Metode pengontrolan kecepatan mesin itu ekonomis di mana kerugian listrik di rotor relatif kecil.

Dari analisis ekspresi berikut bahwa cara paling ekonomis untuk mengendalikan mesin adalah dengan kecepatan rotor mendekati sinkron.

Drive frekuensi variabel

Dalam kehidupan sehari-hari berbagai industri yang menggunakan pompa, peralatan ventilasi, sistem konveyor, fasilitas pembangkit (TPP, pembangkit listrik distrik negara, dll.), Dll., Instalasi seperti penggerak frekuensi variabel (VFD), juga disebut konverter frekuensi (IF), dimasukkan ) Pengaturan ini memungkinkan Anda untuk mengubah frekuensi dan amplitudo dari tegangan tiga fase yang dipasok ke motor listrik, yang karenanya tercapai perubahan fleksibel dalam mode pengoperasian mekanisme kontrol.

Konverter frekuensi variabel tegangan tinggi

PKS konstruktif

Berikut adalah deskripsi singkat dari konverter frekuensi yang ada.

Secara struktural, konverter terdiri dari blok yang terhubung secara fungsional: blok transformator input (kabinet transformator); inverter bertingkat (kabinet inverter) dan sistem kontrol dan perlindungan dengan input informasi dan unit display (kabinet kontrol dan proteksi).

Di kabinet trafo input, energi ditransfer dari catu daya tiga fase ke trafo multi-belitan input, yang mendistribusikan tegangan yang dikurangi ke inverter multi-level.

Inverter bertingkat terdiri atas konverter sel terpadu. Jumlah sel ditentukan oleh konstruk dan produsen tertentu. Setiap sel dilengkapi dengan penyearah dan filter tautan DC dengan inverter tegangan jembatan pada transistor IGBT modern (transistor bipolar dengan gerbang berinsulasi). Awalnya, arus bolak-balik input diperbaiki, dan kemudian, menggunakan inverter semikonduktor, diubah menjadi arus bolak-balik dengan frekuensi dan tegangan yang dapat disesuaikan.

Sumber-sumber yang diperoleh dari tegangan bolak-balik terkontrol dihubungkan secara seri ke tautan, membentuk fase tegangan. Pembangunan sistem catu daya tiga fase keluaran motor induksi dilakukan dengan menyalakan tautan sesuai dengan skema STAR.

Sistem kontrol perlindungan terletak di kabinet kontrol dan perlindungan dan diwakili oleh unit mikroprosesor multifungsi dengan sistem catu daya dari sumber bantu konverter sendiri, perangkat keluaran input informasi dan sensor utama mode operasi listrik konverter.

Potensi Tabungan: Menghitung Bersama

Berdasarkan data yang disediakan oleh Mitsubishi Electric, kami akan mengevaluasi potensi penghematan energi saat memperkenalkan konverter frekuensi.

Pertama, mari kita lihat bagaimana tenaga berubah di bawah berbagai mode regulasi engine:


Dan sekarang kita berikan contoh perhitungan.

Efisiensi motor: 96,5% ;
Efisiensi drive frekuensi variabel: 97% ;
Daya pada poros kipas dengan volume nominal: 1100 kW ;
Karakteristik kipas: H = 1.4 p.u. pada Q = 0 ;
Penuh waktu untuk tahun ini: 8000 jam

Mode pengoperasian kipas sesuai jadwal:


Dari grafik, kami memperoleh data berikut:

Konsumsi udara 100% - 20% dari waktu operasi per tahun;
70% dari konsumsi udara - 50% dari waktu operasi per tahun;
50% dari konsumsi udara - 30% dari waktu operasi per tahun.


Penghematan antara pekerjaan di bawah beban terukur dan bekerja dengan kemampuan untuk mengendalikan kecepatan engine (bekerja bersama VFD) sama dengan:

7.446.400 kWh / tahun - 3.846.400 kWh / tahun = 3.600.000 kWh / tahun

Kami memperhitungkan tarif listrik sama dengan - 1 kWh / 5,5 rubel. Perlu dicatat bahwa biaya diambil sesuai dengan kategori harga pertama dan nilai rata-rata untuk salah satu perusahaan industri di Wilayah Primorsky untuk 2019.

Kami mendapatkan penghematan dalam bentuk uang:

3 600 000 kW * j / tahun * 5,5 rubel / kW * h = 19 800 000 rubel / tahun

Praktik pelaksanaan proyek-proyek semacam itu memungkinkan dengan mempertimbangkan periode pengembalian 3 tahun, dengan mempertimbangkan biaya operasi dan perbaikan, serta biaya konverter frekuensi itu sendiri.

Seperti yang ditunjukkan oleh angka-angka di atas, tidak ada keraguan dalam kelayakan ekonomi untuk mengimplementasikan PKS. Namun, efek penerapannya tidak terbatas pada satu ekonomi. VFD dengan mulus menghidupkan mesin, secara signifikan mengurangi keausannya, tapi saya akan membicarakannya lain kali.