Частотно-регулируемые приводы как основа эффективного управления электродвигателями

Частотно-регулируемые приводы как основа эффективного управления электродвигателями

В постиндустриальную эпоху, начиная с 80-х годов ХХ века, асинхронный электропривод стал основным потребителем электрической энергии (свыше 60% электроэнергии в промышленности потребляется данными электродвигателями), как наиболее простой, за счет этого и дешевый, и надежный тип двигателя. Большинство секторов экономики стали использовать (или еще более нарастили) двигательную нагрузку в виде: насосных, компрессорных, вентиляционных и т.п. установок. Технологический процесс различных производств зачастую стал требовать изменения частоты вращения каких-либо исполнительных механизмов, например, когда расход водопотребления мал в магистральной сети, достаточно снизить частоту вращения ротора электродвигателя, который приводит в действие магистральный насос, тем самым снизив потребление воды.

В тоже время возникла тенденция к использованию энергосберегающих технологий, снижению потерь электроэнергии, в том числе и в силовых машинах. Ощутимый рост стоимости энергоресурсов, одержимость рационального их использования, а также бурное развитие электронной и вычислительной технике способствовали появлению устройств, предназначенных для экономного управления электродвигателями различного типа.

О том, как обеспечить максимально эффективное управление электроприводом, говорим сегодня.

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 раньше 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.

Двигатели постоянного тока

Кроме машин переменного напряжения есть электродвигатели, подключающиеся к сети постоянного тока. Число оборотов таких устройств рассчитывается по совершенно другим формулам.

Номинальная скорость вращения

Число оборотов аппарата постоянного тока рассчитывается по формуле на рисунке ниже, где:

• n – число оборотов в минуту,
• U – напряжение сети,
• Rя и Iя – сопротивление и ток якоря,
• Ce – константа двигателя (зависит от типа электромашины),
• Ф – магнитное поле статора.

Эти данные соответствуют номинальным значениям параметров электромашины, напряжению на обмотке возбуждения и якоре или вращательному моменту на валу двигателя. Их изменение позволяет регулировать частоту вращения. Определить магнитный поток в реальном двигателе очень сложно, поэтому для расчетов пользуются силой тока, протекающего через обмотку возбуждения или напряжения на якоре.

Формула расчёта числа оборотов двигателя постоянного тока

Число оборотов коллекторных электродвигателей переменного тока можно найти по той же формуле.

Регулировка скорости

Регулировка скорости электродвигателя, работающего от сети постоянного тока, возможна в широких пределах. Она возможна в двух диапазонах:

1. Вверх от номинальной. Для этого уменьшается магнитный поток при помощи добавочных сопротивлений или регулятора напряжения;
2. Вниз от номинальной. Для этого необходимо уменьшить напряжение на якоре электромотора или включить последовательно с ним сопротивление. Кроме снижения числа оборотов это делается при запуске электродвигателя.

Знание того, по каким формулам вычисляется скорость вращения электродвигателя, необходимо при проектировании и наладке оборудования.

Плавный пуск

Плавное включение электрического мотора возможно при наличии устройства плавного пуска (софтстартера). Его задачей является удержание параметров двигателя в безопасных рамках на протяжении всего времени запуска. Такое устройство исключает перегрев мотора, разрушение обмоток и негативное воздействие на питающую сеть.

Можно использовать софтстартеры механического и электрического, а также комбинированного типа. Первые имеют вид жидкостных муфт, тормозных колодок либо блокировок, использующих силу магнетизма. Они имеют простую конструкцию и отличаются высокой надежностью, однако имеют ограниченный функционал. Устройства электрического типа позволяют регулировать параметры мотора в ходе пуска более широко и постепенно.

Разновидности частотных преобразователей

Современные частотные преобразователи различаются многообразием схем, которые можно сгруппировать в несколько категорий:

1. Высоковольтные двухтрансформаторные

Принцип работы такого прибора заключается в последовательном преобразовании напряжения при помощи понижающего и повышающего трансформатора, преобразования частоты низковольтным преобразователем, а также сглаживание пиковых перенапряжений на выходе с помощью синусоидального фильтра. Схема работы выглядит следующим образом: питающее напряжение 6000 В подается на понижающий трансформатор и на его выходе получают 400 (660) В, далее оно подается на низковольтный преобразователь и после изменения частоты подается на повышающий трансформатор для увеличения значения напряжения до начального.

1. Тиристорные преобразователи

Такие устройства состоят из многоуровневых частотных преобразователей на основе тиристоров. Конструктивно они состоят из трансформатора (обеспечивающего понижение питающего напряжения), диодов (для выпрямления) и конденсаторов (для сглаживания). Также для уменьшения уровня высших гармоник применяют многопульсные схемы.

Тиристорные преобразователи имеют высокий КПД до 98 % и большой диапазон выходных частот 0-300 Гц, что для современного оборудования является положительной и востребованной характеристикой.

1. Транзисторные частотные преобразователи

Такие частотные преобразователи являются высокотехнологичными устройствами, которые собираются на транзисторах различного типа. Конструктивно они имеют транзисторные инверторные ячейки и многообмоточный сухой трансформатор специальной конструкции. Управляют таким преобразователем с помощью микропроцессора, что позволяет тонко настраивать работу оборудования и контролировать весь процесс работы различных двигателей. Транзисторные частотные преобразователи, так же, как и тиристорные, имеют высокий КПД и широкий диапазон регулирования частоты.

Схема подключения обмоток электродвигателя звездой

Вот так выглядит борно электродвигателя и здесь обмотки соединены звездой. Т.е. концы обмоток соединены в одной точке.

Мои коллеги-инженеры сталкивались с такими случаями, когда перемычки кидали на начало обмоток, куда подключался питающий кабель. Сразу возникало короткое замыкание.

Фазное и линейное напряжение при соединении обмоток в звезду разное, а ток одинаковый.

А теперь давайте найдём полную мощность, развиваемую электродвигателем.

Полная мощность в трёхфазной системе равна сумме полных мощностей трёх фаз:

И теперь формула полной мощности будет выглядеть вот так:

А чтобы найти активную мощность применим следующую формулу:

где cosф- коэффициент мощности, n- КПД

Из формулы активной мощности выразим ток:

где cosф- коэффициент мощности, n- КПД

Разработки ООО «АС и ПП»

Этим предприятием произведен ряд теоретических и инженерных разработок для создания высокомоментных энергоэффективных асинхронных двигателей (ВМ ЭФ АД). Т.е. разработаны теоретические основы и получены критерии и соотношения, которые позволяют по параметрам конструкции АД рассчитать параметры совмещенной обмотки «Звезда в треугольнике». Применение такого типа обмоток позволяет создать ВМ ЭФ АД, который и получил название «Славянка».

Продукт проекта

• Асинхронные электродвигатели мощностью от единиц до сотен кВт с совмещенными обмотками обеспечивают повышенный момент и снижение потребления электроэнергии.

• Энергоэффективные двигатели для промышленности, сферы ЖКХ, нефтедобычи и электротранспорта.

Конкурентные преимущества

• За счет увеличенных на 30% пусковых и минимальных моментов двигатель меньшей мощности может применяться вместо используемых сейчас более мощных двигателей (4 кВт вместо 5,5 кВт; 22 кВт вместо 30 кВт).

• Двигатель работает с большей средней нагрузкой и эффективностью: за счет уменьшения мощности снижаются электрические потери.

• Энергопотребление двигателя снижено от 15% до 30% с учетом режима эксплуатации.

Суть инновации

• Проведен анализ электромагнитных полей элементов двигателя, разработаны новые схемы обмоток.

• Возможна низкозатратная модернизация двигателей в ходе планового ремонта.

• Для достижения максимального эффекта повышения параметров до уровня требований класса IE3 (будет принят в Европе как обязательный с 2015 г.) выполняются НИОКР по оптимизации всех конструктивных элементов электродвигателя с использованием современных методов компьютерного моделирования.

Текущая стадия

• Разработаны, запатентованы и производятся двигатели мощностью от 0,18 до 11 кВт и более.

• Электродвигатели соответствуют классу энергоэффективности IE2 (введен в Европе с 2011 г. IEC 60034-30) и соответствует ГОСТ Р 51689 по габаритам и монтажу.

Характеристики разработки

Анализ серийных асинхронных двигателей показал, что магнитное поле на зубцах имеет не оптимальную синусоидальную форму, поле поочередно отсутствует у части зубцов. На рис.3 показано поле на зубцах стандартного электродвигателя, а на рис.4 – на зубцах двигателя с совмещенными обмотками.

Проведенные измерения и компьютерное моделирование позволили определить способы улучшения параметров двигателей, в частности для трехфазной сети было предложено повысить число фаз путем совмещенного использования обмоток типа «звезда» и «треугольник». На рис.5 показаны кривые момента двигателя со стандартными обмотками (1) и с совмещенными обмотками (2). Кривая (3) иллюстрирует параметры вновь разработанного двигателя с оптимизированными параметрами конструкции.

Перспективы разработки

Для достижения максимального энергосберегающего эффекта, повышения параметров до уровня требований класса IE3 проводится оптимизация всех конструктивных элементов электродвигателя с использованием современных методов компьютерного моделирования.

Важно отметить, что тестирование двигателей с совмещенными обмотками в лабораториях Германии подтвердило их высокую эффективность. В частности, при испытаниях двигателя мощностью 30 кВт выяснилось, что общие потери в нем снижены на 224 Вт. При этом использование комбинированных обмоток уменьшает потери в меди на 13% и уменьшает потери ротора на 12%, по сравнению с двигателем со стандартной обмоткой.

Примеры внедрения, которые подтверждены соответствующими протоколами

Были проведены сравнительные испытания двигателей типа АДМ с классической намоткой и АДЭМ с совмещенными обмотками типа «Славянка». Данные, полученные в результате испытаний, приведены в таблице.

По результатам испытаний были сделаны следующие выводы:

1. Сравнение результатов испытаний показало, что насосный агрегат К65-50-160а с двигателем АДЭМ10052 имеет лучшие показатели по КПД (в среднем на 1. 1,5%). Потребляемая мощность насоса снизилась на 500 Вт.

2. Испытания показали, что двигатель АДЭМ10082 (4,0 кВт) может устанавливаться на насосе К65-50-160 (рис.6) вместо двигателя 5A100L2 (5,5 кВт), комплектуемого согласно конструкторской документации, сохраняя при этом технические характеристики насоса.

Ассоциация компаний ООО «КАЛУГА ГАЗ»

В настоящее время Ассоциация компаний ООО «КАЛУГА ГАЗ» (энергосервисная компания) проводит работу по постановке опытно-промышленный эксперимента по применению АД с совмещенными обмотками типа «Славянка» в сетевых насосов (отопление и водоснабжение).

В базе этой компании около 5000 насосов, с мощностями от 0,1 кВт до 300 кВт.

ООО «Веза»

Его основное направление деятельности – разработка изготовление и реализация вентиляционного оборудования. Двигатель АДМ90L2У2 мощностью 3 кВт был перемотан под обмотку типа «Славянка» и установлен в вентилятор типа ВОСК9-4 (рис.7).

Его испытания проводились на аттестованном стенде аэродинамических испытаний S1-3-40 ТЕКИ99.701.ОО.ООО, типа А по ГОСТ 10921-90 «Вентиляторы радиальные и осевые. Методы аэродинамических испытаний» для стенда типа «А», для чего на основе двигателя был собран вентилятор ВОСК9-4 и установлен на стенд.

Испытания проводились на точке аэродинамической характеристики вентилятора с параметрами: Р=140 Па, Q=11500 м 3 /ч.

Вывод: двигатель может быть использован при кратковременном режиме (S2) при повышенной мощности (4,2 кВт, вместо номинальной 3 кВт).

Характеристики различных типов вентиляторов, зарубежного и отечественного производства, показаны на рис.8, из которого видно, что вентилятор ВОСК6 значительно превосходит остальные. Ценовая разница вентиляторов ВОСК и ВСК – не более 10%, и новая серияВОСК, конечно, дешевле любых аналогов из Европы. Общий объем ВСК и ВОСК, выпускаемый ВЕЗА длявсех типов установок, составляет более 12 000 штук в год.

Электровоз «ЭРА»

14 декабря 2013 г. завершены все виды программных испытаний электровоза «ЭРА». Их результаты показаны на рис.9.

«Содружество обмотчиков ремонтных органов»

Отметим, что в настоящее время «Содружество обмотчиков ремонтных органов» перематывают под обмотку «Славянка» асинхронные двигатели, изготовленные:

• на предприятиях в Китае;

• на предприятиях Европейских странах, таких как SIMENC,ABBи др.

Создана регулярно пополняемая электронная база данных по обмоткам типа «Славянка» для наиболее применяемых типов АД.

Выводы

Внедрение запатентованных в России обмоток типа «Славянка» позволит:

• получить экономию энергии на установочной мощности электродвигателя;

• уменьшить расход электрической энергии на единицу выпускаемой продукции, обеспечив конкурентоспособность новых электродвигателей;

• пересмотреть тарифы ЖКХ (меньше потребление электрической энергии, меньше расходы на ремонт, меньше цена на электродвигатели и т.п.);

• при изготовлении АД каждый четвертый двигатель получается «бесплатным» по расходу меди.

ТОК В ОБМОТКЕ РОТОРА

Из сказанного выше об изменении э. д. с. и реактивного сопротивления обмотки ротора можно заключить, что ток в роторе I₂ = E_2s/√(r 2 ₂ + x 2 _2s)

тоже меняется при изменении скорости вращения. Пусковой ток I_2п должен быть велик и отставать от э. д. с. на большой угол Ψ₂, так как Е₂ велика, а реактивное сопротивление обмотки х₂ обычно в 8—10 раз больше активного r₂. При вращении ротора уменьшаются E_2s и x_2s. Вследствие этого уменьшаются ток I₂и угол Ψ ₂. Указанное обстоятельство очень важно, так как в этом существенная разница между трансформатором и асинхронным двигателем.