Самый экономичный способ управления двигателями – преобразователь частоты


    В промышленности свыше 60% электроэнергии потребляется асинхронными электроприводами – в насосных, компрессорных, вентиляционных и других установках. Это наиболее простой, а потому дешевый и надежный тип двигателя.

    Технологический процесс различных производств в промышленности требует гибкого изменения частоты вращения каких-либо исполнительных механизмов. Благодаря бурному развитию электронной и вычислительной техники, а также стремлению снизить потери электроэнергии появились устройства для экономного управления электродвигателями различного типа. В этой статье как раз и поговорим о том, как обеспечить максимально эффективное управление электроприводом. Работая в компании «Первый инженер» (группа компаний ЛАНИТ), я вижу, что наши заказчики всё больше внимания уделяют энергоэффективности


    Большая часть электрической энергии, потребляемой производственными и технологическими установками, используется для выполнения какой-либо механической работы. Для приведения в движение рабочих органов различных производственных и технологических механизмов преимущественно используются асинхронные электрические двигатели с короткозамкнутым ротором (в дальнейшем именно о данном типе электродвигателя и будем вести повествование). Сам электродвигатель, его система управления и механическое устройство, передающее движение от вала двигателя к производственному механизму, образуют систему электрического привода.


    Наличие минимальных потерь электроэнергии в обмотках за счет регулирования частоты вращения двигателя, возможность плавного пуска за счет равномерного увеличения частоты и напряжения — это основные постулаты эффективного управления электродвигателями.

    Ведь ранее существовали и до сих пор существуют такие способы управления двигателем, как:

    • реостатное регулирование частоты путем введения дополнительных активных сопротивлений в цепи обмоток двигателя, последовательно закорачиваемых контакторами;
    • изменение напряжения на зажимах статора, при этом частота такого напряжения постоянна и равна частоте промышленной сети переменного тока;
    • ступенчатое регулирование путем изменения числа пар полюсов статорной обмотки.

    Но эти и другие способы регулирования частоты несут с собой главный недостаток — значительные потери электрической энергии, а ступенчатое регулирование по определению является недостаточно гибким способом.

    Потери неизбежны?


    Остановимся более подробно на электрических потерях, возникающих в асинхронном электродвигателе.

    Работа электрического привода характеризуется целым рядом электрических и механических величин.

    К электрическим величинам относятся:

    • напряжение сети,
    • ток электродвигателя,
    • магнитный поток,
    • электродвижущая сила (ЭДС).

    Основными механическими величинами являются:

    • частота вращения n (об/мин),
    • вращающийся момент M (Н•м) двигателя,
    • механическая мощность электродвигателя P (Вт), определяемая произведением момента на частоту вращения: P=(M•n)/(9,55).

    Для обозначения скорости вращательного движения наряду с частотой вращения n используется и другая известная из физики величина — угловая скорость ω, которая выражается в радианах за секунду (рад/с). Между угловой скоростью ω и частотой вращения n существует следующая связь:

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



    при учете которой формула приобретает вид:

    $P=M*ω (2)$


    Зависимость вращающего момента двигателя M от частоты вращения его ротора n называется механической характеристикой электродвигателя. Отметим, что при работе асинхронной машины со статора на ротор передается через воздушный зазор с помощью электромагнитного поля так называемая электромагнитная мощность:

    $P_{эм}=M*ω_0$


    Часть этой мощности передается на вал ротора в виде механической мощности согласно выражению (2), а остальная часть выделяется в виде потерь в активных сопротивлениях всех трех фаз роторной цепи.

    Эти потери, называемые электрическими, равны:

    $∆Р_{эл}=3*I^2*r$


    Таким образом, электрические потери определяются квадратом тока, проходящего по обмоткам.

    Они в сильной степени определяются нагрузкой асинхронного двигателя. Все другие виды потерь, кроме электрических, изменяются с нагрузкой менее существенно.

    Поэтому рассмотрим, как изменяются электрические потери асинхронного двигателя при регулировании частоты вращения.

    Электрические потери непосредственно в обмотке ротора электродвигателя выделяются в виде тепла внутри машины и потому определяют ее нагрев. Очевидно, чем больше электрические потери в цепи ротора, тем меньше КПД двигателя, тем менее экономична его работа.

    Учитывая, что потери в статоре примерно пропорциональны потерям в роторе, еще более понятно стремление уменьшить электрические потери в роторе. Тот способ регулирования частоты вращения двигателя является экономичным, при котором электрические потери в роторе относительно невелики.

    Из анализа выражений следует, что самый экономичный способ управления двигателями заключается в частоте вращения ротора, близкой к синхронной.

    Частотно-регулируемые приводы


    В обиход различных сфер промышленности, которые используют насосное, вентиляционное оборудование, конвейерные установки, объекты генерации (ТЭЦ, ГРЭС и т.п.) и др. вошли такие установки, как частотно-регулируемые приводы (ЧРП), также называемые преобразователями частоты (ПЧ). Данные установки и позволяют изменять частоту и амплитуду трехфазного напряжения, поступающего на электродвигатель, за счет чего и достигается гибкое изменение режимов работы управляющих механизмов.

    Высоковольтный частотно-регулируемый привод

    Конструктив ЧРП

    Приведем краткое описание существующих преобразователей частоты.

    Конструктивно преобразователь состоит из функционально связанных блоков: блока входного трансформатора (шкаф трансформатора); многоуровневого инвертора (шкаф инвертора) и системы управления и защит с блоком ввода и отображения информации (шкаф управления и защит).

    В шкафу входного трансформатора производится передача энергии от трехфазного источника питания входным многообмоточным трансформатором, который распределяет пониженное напряжение на многоуровневый инвертор.

    Многоуровневый инвертор состоит из унифицированных ячеек – преобразователей. Количество ячеек определяется конкретным конструктивом и заводом-изготовителем. Каждая ячейка оснащена выпрямителем и фильтром звена постоянного тока с мостовым инвертором напряжения на современных IGBT транзисторах (биполярный транзистор с изолированным затвором). Первоначально выпрямляется входной переменный ток, а затем с помощью полупроводникового инвертора преобразуется в переменный ток с регулируемой частотой и напряжением.

    Полученные источники управляемого переменного напряжения соединяются последовательно в звенья, формируя фазу напряжения. Построение выходной трехфазной системы питания асинхронного двигателя производится включением звеньев по схеме «ЗВЕЗДА».

    Система управления защиты располагается в шкафу управления и защиты и представлена многофункциональным микропроцессорным блоком с системой питания от источника собственных нужд преобразователя, устройством ввода-вывода информации и первичными сенсорами электрических режимов работы преобразователя.

    Потенциал экономии: считаем вместе


    На основании данных, предоставленных компанией Mitsubishi Electric, оценим потенциал энергосбережения при внедрении преобразователей частоты.

    Вначале посмотрим, как меняется мощность при различных режимах регулирования двигателя:


    А теперь приведем пример расчета.

    КПД электродвигателя: 96,5%;
    КПД частотно-регулируемого привода: 97%;
    Мощность на валу вентилятора при номинальном объеме: 1100 кВт;
    Характеристика вентилятора: H=1,4 о.е. при Q=0;
    Полное рабочее время за год: 8000 ч.
     
    Режимы работы вентилятора согласно графику:


    Из графика получаем следующие данные:

    100% расхода воздуха – 20% времени работы за год;
    70% расхода воздуха – 50% времени работы за год;
    50% расхода воздуха – 30% времени работы за год.

     
    Экономия между работой под номинальной нагрузкой и работой с возможностью регулирования скорости вращения двигателя (работа совместно с ЧРП) равна:

    7 446 400 кВт*ч/год — 3 846 400 кВт*ч/год= 3 600 000 кВт*ч/год

    Учтем тариф на электроэнергию равным — 1 кВт*ч / 5,5 руб. Стоит отметить, что стоимость взята по первой ценовой категории и усредненному значению для одного из промышленных предприятий Приморского края за 2019 г.

    Получим экономию в денежном выражении:

    3 600 000 кВт*ч/год*5,5 руб/кВт*ч= 19 800 000 руб/год

    Практика реализации подобных проектов позволяет с учетом затрат на эксплуатацию и ремонты, а также стоимости самих преобразователей частоты добиться срока окупаемости в 3 года.

    Как показывают цифры, в экономической целесообразности внедрения ЧРП сомневаться не приходится. Однако одной экономикой эффект от их внедрения не ограничивается. ЧРП осуществляют плавный пуск двигателя, значительно уменьшая его износ, но об этом я расскажу в следующий раз.

    ГК ЛАНИТ
    351,45
    Ведущая многопрофильная группа ИТ-компаний в РФ
    Поделиться публикацией

    Комментарии 24

      +2
      Для около-ИТ тематики в частотных регуляторах гораздо важнее то, что с помощью ЧРП можно добиться, что пусковой ток не будет превышать номинальный рабочий. А это значит, что такой привод можно подключить к ИБП и/или ДГУ не делая запас на пусковые токи (а пусковые токи у нагруженного асинхронного двигателя, например, компрессор кондиционера, до 7 номинальных).
      И можно, таким образом, обеспечивать работу, например, систем охлаждения даже на то время, пока запускается ДГУ.
      А если ЧРП не тиристорный, а с использованием IGBT, то еще и можно вешать такой привод на тот же ИБП, на котором висят ИТ-нагрузки…
      А когда все охлаждение висит на ИБП, то это еще и имеет приятный побочный эффект в виде того, что такой ЦОД проще сертифицировать в Аптайме.
        +4
        Совершенно верно.
        Статья писалась в первую очередь с позиции электротехнического направления. Ведь преобразователи частоты — это электрооборудование, которое получило широкое распространение именно в данной отрасли. Сфера IT — это уже современное направление применения.
          0

          а еще преобразователь частоты разгоняет асинхронники всех Тесл… ;)))))

          0
          В этой статье как раз и поговорим о том, как обеспечить максимально эффективное управление электроприводом.

          Как минимум ждал описание отличий V\f от векторного управления
            +3
            Давно очевидно, что векторное управление самый гибкий и широко применяемый способ и более дорогой, по крайней мере для энергетики.
            0
            Как-то вяло и мало. Почему ЧРД отдельно, сейчас уже вовсю и давно продаются системы управления двигателями, которые могут сразу все, включая и регенерацию, и подавление гармоник, и мягкий пуск и… короче забодаешься описывать.
            Что-то типа такого по английски они все Drive, а как по русски правильно назвать не знаю
            А транформатор на фото это как то фи
              +3
              Тут только экономика) А сфера эта очень широка. Описывать устанешь. На каждое применение не отдельная статья, а книга.
                0
                del ок последняя строка об этом
                +2
                я вам по секрету скажу, ПЧ который на фото с трансформатором умеет не только банально плавно пускать двигатели и как-то экономить, но и ещё подавляет гармоники, причем не имея фильтров, и может обеспечивать регенерацию энергии. Так что ваш пример с ABB, конечно, интересен, но не им одним это все можно реализовать)))
                  +1
                  Эм, я вас сейчас удивлю, но можно. Все одним и еще векторный режим и PID в подарок. Хотите опцию с блутузом)) А простите как при регенерации трансформатор синхронизируется с сетью? И как у него с потерями?
                  Вот видите, не хватило технической информации))
                    +1
                    Синхронизация трансформатора с сетью — это сейчас элементарные процессы: реле/синхроноскопы, контроллеры. Потери есть, как без них, и они учитываются в процессе технико-экономического обоснования ПЧ. Если уж развивать тему, то в ЧРП понятие рекуперация — больше маркетинг, фактически это никому не нужно, даже на мощных высоковольтных потребителях.

                    Ваша ирония принимается, но она бы была актуально лет 10-15 назад))
                    0
                    но и ещё подавляет гармоники, причем не имея фильтров
                    Обратил внимание, что нет даже большого электролита (с тремя фазами это вроде как понятно почему):) Но и не видно и LC фильтров PWM или цепочек подавления выбросов при коммутации.
                    Но я если что — сюда из «однофазной бытовухи» сюда зашёл. Жаль такие интересные подбробности не освещены.
                  0
                  ПЧ с мощными потребителями запитываются от 3х фазной сети. В каждый момент времени одна из фаз имеет наиболее положительный потенциал, а другая — наиболее отрицательный. Почему для питания силовой части условно постоянного тока используется дополнительный мощный выпрямитель, а не используется коммутатор фаз?
                    0
                    И этот коммутатор называется выпрямителем. Более того, для обеспечения единичного коэффициента мощности или возврата энергии в сеть этот выпрямитель делается активным (по сути инвертор -> четырёхквадрантный преобразователь).
                      0

                      Можно извратиться и сделать корректор коэффициента мощности на каждую фазу. Но на практике так не делают.

                      +2
                      Все смешалось в кучу.
                      Если речь об асинхронных двигателях с короткозамкнутым ротором, то при чем тут вообще реостатное регулирование? Оно возможно только с фазным ротором.
                      Регулирование напряжением на статоре имеет ограниченное применение и кучу минусов.
                      1100 кВт как пример расчета — это конечно мощно. Впечатляет, но далеко от потребностей среднестатистического потребителя. Во-первых не припомню такого номинала у производителей, во-вторых например 1200 кВт это ну очень большой двигатель и просто монструозный гигантский вентилятор, например вентилятор главного проветривания на угольной шахте.
                      Самые массовые частотные приводы — это мощности порядка 9-55 кВт.
                      55-киловаттный будет стоить примерно тысяч 400 рублей.
                      А еще к частотнику часто нужны ЭМС-фильтры и дроссели, чтобы он не снижал качество напряжения в сети, экранированные кабели, они тоже стоят денег.
                      В приведенном примитивном примере, когда двигатель часто работает на 30, 50, 70% — намного проще и дешевле его ступенчато регулировать переключением числа пар полюсов.
                      Частотный привод нужен тогда, когда есть необходимость плавно регулировать скорость без просадок момента, в этом случае других способов регулирования просто нет. Вопрос экономии электроэнергии вторичен.
                      Поэтому внедрение частотного привода зависит больше не от экономики, а от решаемых задач.
                      Что касается следующей запланированной статьи, то для плавного пуска есть специализированные устройства, софтстартеры. Часто нужно обеспечить только плавный пуск, при этом в процессе работы механизма регулировать его скорость не нужно. Пример — груженая конвейерная лента.
                        +1
                        Про виды регулирования вы правы. Немного некорректно они приведены.
                        Что касается экономии, то она актуальна только для мощных высоковольтных ЧРП 6-10 кВ. Никто считать деньги в маленьких частотниках не будет, да и не нужно это, там главное — их прямое функциональное назначение. А здесь я в первую очередь и делаю акцент на высоковольтные двигатели и частотники, так как только там на первый план выходит экономия. И никакой Заказчик (по крайней мере по нашему опыту) не даст поставить мощный ПЧ просто ради того, чтобы пускать плавно двигатели и нести еще какие-то смежные функции, нужно будет еще показать «деньги». Нам один раз сказали, а что нам ваш ЧРП, сделаем лучше прямое регулирование (задвижками/шиберами) и сэкономим кучу денег на реализации проекта.
                        0
                        Про законы Костенко жаль не сказали.
                        И хотел спросить лично у автора, вы читали книгу Чернышева А.Ю. по электроприводам?
                          +1
                          Честно сказать, не читал. Но уже вижу, как вы мне советуете ее почитать)
                            0
                            Ну почти так :)
                            Просто там это изложено довольно таки неплохо.
                          +1
                          Прям посмотрел на часть своего курсача, где объяснялась причина выбора регулирования частотником, а не задвижкой.
                          Экономим 19 800 000 руб/год
                          Частотник на 1100кВт стоит ~4 миллиона
                          Почему срок окупаемости 3 года?
                            +2
                            Про курсач верно подметили. Тут достаточно простые и упрощенные расчеты представлены, я бы даже сказал не расчеты, а график работы механизма. Что касается окупаемости, то 3 года — это некий усредненный показатель, сложившийся по нашему опыту. Надо не забывать про реальную стоимость самих ЧРП с учетом всех необходимых функций, например, в одном из последних проектов частотник 6 кВ на 1090 кВА вышел около 7 млн. руб. Дальше идем, добавляем сюда реализацию самого проекта, эксплуатацию и ремонты ЧРП на какой-то условный промежуток времени, а вот дальше еще интереснее. Многие Заказчики (имею ввиду в первую очередь генерацию) требуют вести экономическое обоснование только с учетом своей методики (или в дополнение), в которую зашивают всё: стоимость топлива, э/э, потери и т.п. И вот только аккумулируя такую информацию, на выходе выходит около 3 лет.
                            0
                            Интересно как обстоят дела с регуляторами для мощных асинхронных электродвигателей. Для тепловозной тяги например.
                              0
                              This article is very long, I'm getting dizzy

                              Только полноправные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.

                              Самое читаемое