控制电机的最经济方法-变频器

在工业中，泵，压缩机，通风和其他设备中的异步电力消耗超过60％的电力。 这是最简单的，因此便宜且可靠的发动机类型。

行业中各个行业的技术过程要求任何执行器的转速都需要灵活变化。 由于电子和计算机技术的飞速发展，以及减少能耗的愿望，出现了用于经济控制各种类型电动机的装置。 在本文中，我们将仅讨论如何确保对电驱动器进行最有效的控制。 在第一工程师公司 （ LANIT集团公司）工作时，我发现我们的客户越来越关注能源效率


生产和技术设施消耗的大部分电能都用于执行任何类型的机械工作。 为了使各种生产和技术机构的工作机构运动，主要使用具有鼠笼式转子的异步电动机（以下将讨论这种电动机）。 电动机本身，其控制系统和将机械运动从电动机轴传递到生产机构的机械装置形成一个电气驱动系统。


有效调节电动机的主要原则是，由于调节发动机转速而使绕组中的能量损失最小，由于频率和电压的均匀增加而导致软起动的可能性。

毕竟，以前存在并且仍然存在这样的引擎控制方法：

• 通过在接触器依次短路的电动机绕组电路中引入额外的有源电阻，来进行变阻频率调节；
• 定子夹具上的电压变化，而该频率的频率是恒定的并且等于工业交流网络的频率；
• 通过改变定子绕组的极对数来进行步进调节。

但是，这些和其他频率调节方法都带有主要缺点-大量电能损耗，按定义逐步调节不是一种灵活的方法。

损失是不可避免的吗？

让我们更详细地介绍感应电动机中发生的电损耗。

电驱动器的运行具有大量的电气和机械量。

电量包括：

• 电源电压
• 电机电流
• 磁通量
• 电动势（EMF）。

主要机械量为：

• 转速n（r / min），
• 发动机的旋转力矩M（N•m），
• 电动机的机械功率P（W），由力矩和速度的乘积确定：P =（M•n）/（9.55）。

除了转速n之外，还可以使用物理学上已知的另一个值来表示旋转速度-角速度ω，以弧度/秒（rad / s）表示。 在角速度ω和转速n之间存在以下关系：

$$

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

考虑到公式采用以下形式：

$$

$$P = M *ω（2）$$

发动机转矩M对其转子n的转速的依赖性被称为电动机的机械特性。 请注意，在异步电机运行期间，利用电磁场通过气隙将所谓的电磁功率从定子传递到转子：

$$

$$P_ {em} = M *ω_0$$

根据表达式（2），该部分动力以机械动力的形式传递到转子轴，其余部分则以损耗的形式分配给转子链所有三相的有功电阻。

这些损失称为电，等于：

$$

$$∆_ {el} = 3 * I ^ 2 * r$$

因此，电损耗由流经绕组的电流的平方确定。

它们很大程度上取决于感应电动机的负载。 除电气损耗外，所有其他类型的损耗随负载的变化都较小。

因此，我们将在控制速度时考虑感应电动机的电损耗如何变化。

直接在电动机转子绕组中产生的电损耗以电机内部的热量形式产生，因此决定电机的热量。 显然，转子电路中的电损耗越大，发动机效率越低，其运行经济性就越差。

考虑到定子中的损耗与转子中的损耗大致成比例，减少转子中的电损耗的愿望甚至可以理解。 该控制发动机转速的方法是经济的，其中转子中的电损耗相对较小。

从这些表达式的分析可以得出，控制发动机的最经济方法是使转子转速接近同步转速。

变频驱动器

在使用泵，通风设备，输送机系统，发电设施（TPP，州级电厂等）的各种行业的日常生活中，包括诸如变频驱动器（VFD），也称为变频器（IF）的安装。 ） 这些设置允许您更改提供给电动机的三相电压的频率和幅度，因此可以灵活更改控制机构的工作模式。

高压变频驱动器

建设性VFD

这是现有变频器的简要说明。

从结构上讲，该转换器由功能连接的块组成：输入变压器块（变压器柜）； 多级逆变器（逆变器柜）和带有信息输入和显示单元的控制和保护系统（控制和保护柜）。

在输入变压器的机柜中，能量从三相电源传输到输入多绕组变压器，后者将降低的电压分配给多电平逆变器。

多级逆变器由统一单元-转换器组成。 细胞数量由特定的构建体和制造商确定。 每个单元均配备有整流器和直流链路滤波器，并在现代IGBT晶体管（带绝缘栅的双极晶体管）上具有桥式电压逆变器。 首先，对输入的交流电进行整流，然后使用半导体逆变器将其转换为频率和电压可调的交流电。

所获得的受控交流电压源串联到链节上，形成电压相。 感应电动机的输出三相电源系统的构造是通过按照STAR方案接通链路来进行的。

保护控制系统位于控制和保护柜中，由一个多功能微处理器单元代表，该单元具有转换器自身辅助电源，信息输入/输出设备和转换器电模式的主要传感器的电源系统。

储蓄潜力：共同计算

根据三菱电机提供的数据，我们将评估引入变频器时的节能潜力。

首先，让我们看看在不同的发动机调节模式下功率如何变化：


现在，我们给出一个计算示例。

电机效率： 96.5％ ；
变频效率： 97％ ；
以标称体积： 1100 kW接通风扇轴的电源；
风扇特性： H = 1.4 p.u. 在Q = 0时 ;
全年全职： 8000小时

风扇的工作方式按时间表进行：


从图中我们获得以下数据：

100％的空气消耗-每年运行时间的20％；
空气消耗量的70％-每年运行时间的50％；
空气消耗量的50％-每年运行时间的30％。


在额定负载下工作与具有控制发动机转速的能力（与VFD结合工作）之间的节省量等于：

7,446,400 kWh /年-3,846,400 kWh /年= 3,600,000 kWh /年

我们将电费等于-1 kWh / 5.5卢布考虑在内。 值得注意的是，成本是根据第一类价格和滨海边疆区2019年一个工业企业的平均值得出的。

我们从金钱上节省了：

3600万kW *小时/年* 5.5卢布/千瓦* h = 1980万卢布/年

实施此类项目的做法考虑了3年的投资回收期，并考虑了运行和维修成本以及变频器本身的成本。

如图所示，毫无疑问，实施VFD的经济可行性。 但是，实施这些措施的效果不仅限于一种经济。 VFD平稳地启动了发动机，大大降低了其磨损，但是下一次我将讨论这一点。