Наиболее экономичный метод управления электроприводами

Содержание

• Электрические потери асинхронных электродвигателей
• Частотные преобразователи: положительный эффект их внедрения и применения
• Как частотники помогают экономить?

Статистика показывает, что больше 60% энергии, используемой различными отраслями промышленности, потребляется электрическими приводами, относящимися к асинхронному классу. Ими комплектуются насосные станции, вентиляционные комплексы, компрессоры и другое оборудование. Такие моторы характеризуются простотой, минимальной ценой и повышенной надежностью.

Технологические процессы, протекающие на промышленных предприятиях, нуждаются в тщательном контроле со стороны ответственных специалистов, что позволяет добиться высокого качества товара, добиться максимальной безопасности, снизить расходы энергии. Частотный преобразователь для управления двигателем – одно из наиболее эффективных современных решений.

Основная доля электроэнергии, используемой производственными комплексами, нужна для того, чтобы они выполняли определенную механическую работу. Рабочие органы двигаются за счет асинхронного мотора, укомплектованного ротором короткозамкнутого типа. Полный комплекс электропривода, характерный для различных производственных сфер, сформирован не только мотором, но управляющим комплексом, механизмом, задача которого – передача усилия от приводного вала на производственный блок.

Эффективное управление асинхронным двигателем предполагает решение сразу нескольких вопросов. Главный из них – максимальная точность частотного регулирования, что обеспечивает плавность запуска и остановки, не просто способствует экономии электроэнергии, но дает возможность снизить нагрузки, испытываемые механизмами мотора, исключить удары, повышенное трение, что положительно скажется на сроке службы, уменьшает вероятность выхода из строя, потребность в сложном дорогостоящем ремонте.

Эффективное управление электрическим мотором – вопрос, который уже давно волнует специалистов. Ранее были востребованы следующие способы:

• Корректировка частоты реостатным методом, построенным на использовании вспомогательных активных сопротивлений в комплексе обмоток мотора, последовательно активируемых контактной группой.
• Корректировка напряжения на зажимах статора. Частота данного напряжения неизменна, ее показатель идентичен сетевому значению.
• Корректировка по ступенчатой технологии, основанной на изменении количества пар полюсов обмотки статора.

Общий недостаток перечисленных методик – существенные потери электроэнергии. Вдобавок, ступенчатый способ сам по себе является недостаточно гибким, не позволяет добиться высокой точности.

Электрические потери асинхронных электродвигателей

Необходимо подробно рассмотреть электрические потери, характерные для асинхронных приводов. Особенности их функционирования можно выразить множеством электрических, механических показателей. Основные электрические параметры следующие:

• Напряжение сети питания;
• Электроток привода;
• Магнитные потоки;
• ЭДС, то есть электрическая сила, обеспечивающая возможность движения.

Наиболее значимые механические параметры можно представить следующим списком:

• Частота вращения. Показатель выражается в оборотах в минуту.
• Момент на валу, вращающее усилие, обозначающееся в ньютонах на метр.
• Мощность мотора, выражающаяся в ваттах. Получить значение мощности можно, умножив момент на частоту.

Чтобы обозначить скорость движения вращения специалисты вводят показатель угловой скорости, измеряющейся в радианах в секунду. 

Вращающий момент электромотора тесно связан с числом оборотов ротора, данная зависимость определяется как механическая характеристика электромотора. Нужно обратить внимание, что при функционировании асинхронного оборудования со статора на ротор, за счет воздушной области между ними и сформированного в ней магнитного поля, передается еще одна величина, обозначаемая как электромагнитная мощность.

Доля данной мощности поступает на вал как механическое усилие, остаток же является потерями активных сопротивлений каждой из фаз роторной цепи. Эти потери попадают в разряд электрических, зависят от квадрата тока, поступающего на обмоточные элементы.

Потери сильно зависят от режима работы мотора, нагрузки, под которой он находится в конкретный момент времени. Прочие потери, за исключением электрических, не столь сильно зависят от нагрузки, ее влияние на них минимально.

С учетом сказанного выше, стоит подробнее изучить, как изменяются электрические потери при корректировке скорости вращения двигателя. Потери, происходящие прямо в обмоточных элементах ротора, превращаются в тепловую энергию, от их величины зависит интенсивность нагрева. Можно сделать вывод, что с увеличением таких потерь падает КПД мотора, его работа становится менее экономичной.

Потери, возникающие в статоре, в близкой пропорции потерям, связанным с ротором, так что нивелировать их можно, если уменьшить вторую величину. Проанализировав представленные зависимости, можно сделать вывод, что наиболее рациональный метод управления асинхронными электродвигателями подразумевает стабилизацию интенсивности вращения ротора, чтобы частота оказалась максимально приближенной к синхронной.

Частотные преобразователи: положительный эффект их внедрения и применения

Использование преобразователей частоты характерно для различных промышленных областей, где необходимы насосные, вентиляционные комплексы, конвейерные линии, генерирующие модули (к примеру, теплоэлектростанции). Они нужны для того, чтобы выходное напряжение характеризовалось частотой и амплитудой, на 100% соответствующими текущей нагрузке. Это позволяет корректировать режимы функционирования механизмов, исключать повышенные нагрузки на них, экономить электроэнергию.

Конструкция техники состоит из следующих модулей:

• входной трансформатор;
• инверторный блок;
• блок управления и защиты.

Трансформатор, расположенный на входе, используется для передачи энергии от трехфазной электросети на инвертор. Трансформатор состоит из множества обмоток, что позволяет добиться необходимых показателей по напряжению.

Схема многоуровневого инвертора построена на комплексе преобразующих ячеек. Количество данных элементов индивидуально, определяется конструктивными особенностями модели, технологиями фабрики-производителя. На каждой ячейке предусмотрен выпрямитель, фильтрующий элемент звена постоянного тока, основные компоненты которого – транзисторы типа IGBT, наиболее современные и эффективные решения. Рабочий цикл состоит из двух основных этапов:

• выпрямление переменного тока на входной группе;
• формирование тока с заданными характеристиками по напряжению и частоте.

Все модули, позволяющие получить напряжение с четко заданными характеристиками, работают синхронно, в составе одного звена. Формирование трехфазной питающей системы на выходе предполагает, что нужно ориентироваться на звездообразную схему.

Защита устройства – это электронный процессорный блок, запитанный непосредственно от преобразователя. Сенсоры собирают информацию, процессор обрабатывает ее и подает команды на защитные модули, исключающие работу под чрезмерной нагрузкой и другие ситуации, представляющие опасность для техники.

Как частотники помогают экономить?

Наглядно продемонстрировать экономический потенциал преобразователей позволяет пример насосного комплекса. Если агрегат подобран безошибочно, то его характеристики достаточны для поддержания давления воды при ее максимальном потреблении. Понятно, что максимум нужен далеко не всегда, а только в периоды пиковой нагрузки. Классическая схема регулировки давления, построенная на заслонках и задвижках, слишком архаична, уязвима для гидравлических ударов, имеет небольшой срок службы, конструктивно очень сложна.

Частотник в данном случае – гораздо более предпочтительный вариант. Если сравнить потребление энергии с дроссельной схемой, то оно окажется на 42 процента ниже без вреда для производительности, эффективности и удобства системы, максимален результат, если используется векторное управление ПЧ. Сэкономленная сумма оказывается столь внушительной, что техника на 100% окупается всего за 3-4 месяца.

Помимо прямой экономии, связанной с электроэнергией, нельзя не отметить следующие положительные эффекты:

• Снижение расхода воды на 50 и более процентов, за счет выравнивания магистрального давления.
• Исключение вероятности гидравлического удара, небольшие значения пусковых токов, мотор раскручивается плавно, скачки давления отсутствуют. Все элементы комплекса, трубы, запорная арматура, служат дольше, риск аварии незначителен.
• Уменьшение расходов на ремонт. По сути, столь высокая стабильность работы вообще исключает потребность в ремонте. Обслуживание системы заключается только в периодической профилактике.⁠