Многие промышленные приложения требуют регулируемого управления потоком жидкости (воздух, химические газы, вода и жидкие химикаты). Традиционный метод такого управления потоком заключается в использовании асинхронного двигателя с постоянной скоростью с источником питания 50 Гц, а затем управление потоком с помощью дроссельной заслонки. Многие приложения с нагрузкой на двигатели с фиксированной скоростью, которые питаются напрямую от сети переменного тока, могут сэкономить энергию, когда они работают с переменной скоростью с помощью частотно-регулируемого привода.

Такая экономия затрат на энергию особенно используется в центробежных вентиляторах и насосах с регулируемым крутящим моментом, где крутящий момент и мощность нагрузки изменяются в зависимости от квадрата и куба, соответственно, скорости. Это изменение приводит к значительному снижению мощности по сравнению с работой с фиксированной скоростью при относительно небольшом снижении скорости. Кроме того, использование частотно-регулируемого привода для управления потоком жидкости с полностью открытой дроссельной заслонкой позволяет сэкономить значительное количество энергии.

Поскольку большинство приводов большую часть времени работают с частичной нагрузкой, накопленная экономия энергии или соответствующая финансовая выгода могут быть значительными в течение длительного периода времени. Поскольку этот тип управления потоком жидкости широко используется в промышленности, широкое применение частотно-регулируемых приводов в области силовой электроники может помочь в значительной экономии энергии. Основная цель этой статьи — снизить потребление энергии за счет реализации частотно-регулируемого привода и, следовательно, надлежащего управления потоками жидкости.

Механизм энергосбережения с использованием частотно-регулируемых приводов

Энергия в ее различной форме — это основной ресурс для жизни. Это не менее важно для улучшения качества жизни. Энергетический кризис влияет на все социально-экономическое развитие страны и ее суверенитет. В последние годы в результате промышленного развития и роста населения произошел колоссальный рост мирового спроса на энергию. Поскольку наши традиционные источники энергии или ископаемого топлива истощаются; Сейчас это призыв дня — усерднее работать над развитием, улучшением и повышением уровня возобновляемых источников энергии с защитой, сохранением и существующими традиционными источниками. Снижение количества энергии, потребляемой в процессе или системе, или организацией или обществом за счет экономии и устранения потерь, называется энергосбережением.

Энергосбережение необходимо, потому что с постоянно растущим спросом потребность в электроэнергии может быть удовлетворена только за счет экономии электроэнергии в дополнение к установке новых энергоблоков. Большая часть электроэнергии на заводе потребляется за счет электроэнергии. Значительное количество электроэнергии можно сэкономить за счет использования эффективных и жестких электроприводов. Частотно-регулируемый привод — один из многих широко известных энергоэффективных приводов.

В промышленности частотно-регулируемый привод обычно называют инвертором. Контроллер скорости также известен под другими названиями, такими как привод с регулируемой скоростью (VSD), привод с регулируемой скоростью (ASD) и частотно-регулируемый привод с регулируемым напряжением (VVVF).

Растущая популярность частотно-регулируемых приводов обусловлена их способностью управлять скоростью асинхронных двигателей, которые являются наиболее часто используемыми двигателями в промышленности. Традиционно асинхронный двигатель используется для приложений с постоянной скоростью и постоянным крутящим моментом, а когда требуется переменная скорость или крутящий момент, используется двигатель постоянного тока или двигатель переменного тока с фазовой фазой. Но теперь асинхронные двигатели переменного тока с частотно-регулируемыми приводами используются в приложениях с регулируемой скоростью. Такие приводы снижают энергопотребление двигателей и повышают энергоэффективность установок.

Популярность частотно-регулируемого привода

Энергетический кризис влияет на все социально-экономическое развитие страны и ее суверенитет. Энергосбережение необходимо, потому что с постоянно растущим спросом потребность в электроэнергии может быть удовлетворена только за счет экономии электроэнергии в дополнение к установке новых энергоблоков. Частотно-регулируемый привод применяется для регулирования расхода воздуха в котле тепловых электростанций. В настоящее время поток воздуха в котел регулируется лопаточным механизмом, связанным с вентилятором с принудительной тягой и асинхронным двигателем. Замена регулирующего лопастного механизма на частотно-регулируемый или частотно-регулируемый привод снижает энергопотребление двигателя. Частотно-регулируемый привод — это система для управления скоростью вращения электродвигателя переменного тока путем управления частотой электроэнергии, подаваемой на двигатель. Это особый тип привода с регулируемой скоростью. Приводы с переменной частотой также известны как приводы переменного тока или инверторные приводы.

Двигатели с регулируемой частотой на вентиляторах экономят энергию, позволяя перемещать объем воздуха в соответствии с потребностями системы. В приложениях с регулируемой скоростью требуемая мощность зависит примерно от кубической скорости. Это называется «законами сродства», которые определяют отношения между скоростью и мощностью. Внедрение частотно-регулируемого привода помогает внутренней электростанции сэкономить около 23% потребляемой электроэнергии.

Промышленные процессы характеризуются необходимостью изменения и оптимизации процесса для получения удовлетворительных продуктов и достижения наиболее эффективного и экономичного метода производства. Это требует контроля скорости потока материалов по всему предприятию, чтобы можно было достичь наиболее удовлетворительного состояния с учетом многих параметров предприятия.

Частотно-регулируемый привод (VFD) — это тип привода с регулируемой скоростью, используемый для управления скоростью вращения электродвигателя переменного тока путем регулирования частоты и напряжения, подаваемого на двигатель. Электродвигатели приводят в действие многие типы оборудования, включая вентиляторы, насосы и воздушные компрессоры.

Хотя оборудование обычно может работать со скоростями, меньшими максимальной расчетной скорости, двигатели обычно приводят оборудование в движение с постоянной скоростью. Расход и давление регулируются с помощью дроссельного устройства, такого как клапан, заслонка или байпас. Частотно-регулируемый привод обеспечивает более эффективный способ управления переменными расходами и давлениями.

Преимущества частотно-регулируемого привода

Использование управления частотно-регулируемым приводом дает несколько преимуществ. Наиболее значительным преимуществом является его потенциал для снижения потребления электроэнергии и спроса со стороны процессов с приводом от двигателя.

Сравниваются относительные требования к мощности вентилятора при различных скоростях потока с использованием трех типов регулирования дросселирования: регулирование выходной заслонки, регулирование регулируемой входной лопасти и регулирование частотно-регулируемого привода. Хотя частотно-регулируемые приводы экономят гораздо больше энергии, чем дросселирование, эта технология еще не получила широкого распространения. Дросселирование остается «одним из наиболее распространенных и неэффективных методов управления вентилятором или насосом».

Приводы с регулируемой частотой также могут снизить затраты на обслуживание системы и связанные с этим затраты. Управление с помощью частотно-регулируемого привода дает возможность «плавного пуска» двигателя, что означает, что двигатель может медленно увеличиваться до рабочей скорости, а не резко запускаться и останавливаться. Точно так же работа двигателя на более низких скоростях продлевает срок службы других компонентов оборудования, включая валы и подшипники.

Помимо обеспечения точного управления скоростью таких приложений, как конвейеры или намоточные машины, можно точно контролировать другие параметры, такие как давление, поток и даже температура. Повышается эффективность электроснабжения, и большая часть потребляемого электрического тока используется для привода нагрузки. Следовательно, реализация ЧРП улучшает коэффициент мощности системы. В дополнение к этому ЧРП обеспечивает хороший динамический отклик. Это может быть достигнуто за счет быстрой регулировки скорости, крутящего момента и мощности и, следовательно, дает лучший контроль в высокоскоростных приложениях. В некоторых приложениях также возможно работать с двигателями на более высоких скоростях, чем их номинальные скорости.

Другое преимущество ЧРП состоит в том, что ЧРП можно сопрягать с более широкими системами управления технологическим процессом, такими как системы диспетчерского управления, сбора данных (SCADA) и системы управления зданием (BMS). Следовательно, ЧРП может вычислять интеллектуальные и коммуникационные системы.

Принципы эксплуатации и энергосбережения частотных преобразователей

ЧРП может снизить потребление энергии двигателем на 60%. Это связано с тем, что они управляют скоростью двигателя, изменяя частоту и, следовательно, мощность, подаваемую на него.

Даже небольшое снижение скорости вращения может дать значительную экономию энергии, потребляемой двигателем. Для этого мы более подробно рассмотрим так называемые законы сродства, которые используются в гидравлике для выражения взаимосвязей между переменными, участвующими в работе и производительности вращающихся машин, таких как насосы и вентиляторы.

Большинство оборудования HVAC рассчитано на работу при пиковых нагрузках. Эти нагрузки возникают редко в течение года эксплуатации. Для управления потоком в условиях максимальной нагрузки используются устройства управления потоком, такие как демпферы, клапаны, входные направляющие лопатки и байпасные системы. Эти «дросселирующие» устройства эффективны, но не энергоэффективны. Использование частотно-регулируемых приводов (VFD) позволяет изменять скорость вращения вентиляторов и насосов, называемых «законами сродства», что позволяет оборудованию удовлетворять требованиям частичной нагрузки и экономить энергию.

Законы сродства используются в гидравлических системах и системах отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха, чтобы выразить взаимосвязь между несколькими переменными, влияющими на производительность насоса и вентилятора, такими как (например, скорость вала и мощность). Они применимы к насосам, вентиляторам и гидравлическим турбинам. Поток прямо пропорционален скорости. Требуемый крутящий момент пропорционален квадрату скорости. Мощность пропорциональна кубу скорости вала.

Сколько энергии можно экономить?

Потенциальная экономия энергии от установки частотно-регулируемого привода проиллюстрирована в следующем примере. Рассмотрим двигатель мощностью 20 лошадиных сил, который приводит в действие центробежный насос. Насос работает на полной скорости 365 дней в году, 24 часа в сутки.

Поскольку этот конкретный насос выдерживает изменяющуюся нагрузку, насос не должен работать на полной скорости в течение дня, и поэтому можно использовать частотно-регулируемый привод для снижения скорости двигателя насоса. График нагрузки насоса: 20% времени при 50% полной скорости; 50% времени на 80% полной скорости; и 30% времени на 100% полной скорости. Экономия от установки частотно-регулируемого привода для управления двигателем оценивается с использованием законов сродства насоса, согласно которым мощность, требуемая двигателем, пропорциональна кубу скорости.

Как мы знаем, асинхронные двигатели — это рабочая лошадка в промышленности, которые будут вращаться с фиксированной скоростью, которая определяется частотой питающего напряжения. Переменный ток, приложенный к обмоткам статора, создает магнитное поле, которое вращается с синхронной скоростью. Эта скорость может быть вычислена путем деления линейной частоты на количество пар магнитных полюсов в обмотке двигателя. Например, четырехполюсный двигатель имеет две пары полюсов, поэтому магнитное поле будет вращаться со скоростью 60 Гц / 2 = 30 оборотов в секунду или 1800 об / мин. Ротор асинхронного двигателя будет пытаться следовать за этим вращающимся магнитным полем, и под нагрузкой скорость ротора немного «проскальзывает» за вращающимся полем. Эта небольшая скорость скольжения генерирует индуцированный ток, а результирующее магнитное поле в роторе создает крутящий момент. Поскольку асинхронный двигатель вращается со скоростью, близкой к синхронной, наиболее эффективным и энергоэффективным способом изменения скорости двигателя является изменение частоты приложенного напряжения.

ЧРП преобразуют напряжение питания с фиксированной частотой в непрерывно регулируемую частоту, что позволяет регулировать скорость двигателя. Например, частотно-регулируемый привод преобразует мощность 50 Гц в новую частоту в два этапа: этап выпрямителя и этап инвертора. Процесс преобразования включает в себя три функции:

Ступень выпрямителя: двухполупериодный твердотельный выпрямитель, преобразующий трехфазную мощность 50 Гц из стандартного источника питания 208, 460, 575 или выше в фиксированное или регулируемое напряжение постоянного тока. Система может включать трансформаторы, если используются более высокие напряжения питания.

Инверторный каскад: электронные переключатели — силовые транзисторы или тиристоры — включают и выключают выпрямленный постоянный ток и генерируют форму волны тока или напряжения на новой желаемой частоте. Величина искажения зависит от конструкции инвертора и фильтра.

Система управления: электронная схема получает информацию обратной связи от ведомого двигателя и регулирует выходное напряжение или частоту до выбранных значений. Обычно выходное напряжение регулируется для получения постоянного отношения напряжения к частоте (В / Гц). Контроллеры могут включать в себя множество сложных функций управления. Преобразование постоянного тока в переменный ток переменной частоты осуществляется с помощью инвертора. Большинство доступных в настоящее время инверторов используют широтно-импульсную модуляцию (ШИМ), потому что форма выходного тока очень близка к синусоиде.