Asynchronní elektromotor: Zlepšení účinnosti a výkonu

Navzdory vysoké účinnosti moderních elektromechanických měničů dochází během jejich provozu stále ke ztrátám magnetické, elektrické a mechanické energie, doprovázeným vznikem tepla, zvýšeným hlukem a vibracemi. To je způsobeno třením prvků, obrácením magnetizace v magnetickém poli kotevního jádra elektromotoru, přepětím zátěže. Je možné tyto „úniky“ minimalizovat, a tím zvýšit účinnost, a pokud ano, jak toho dosáhnout? O tom si povíme v tomto článku.

Moderní přístupy ke zvyšování účinnosti asynchronních motorů

Podle obecně uznávané klasifikace jsou elektrické stroje synchronní – se stejnou frekvencí otáčení rotoru a magnetického pole, a asynchronní – u kterých se magnetické pole otáčí vyšší rychlostí než rotor. Elektromotory druhého typu se rozšířily: asi 90 % všech motorů na planetě je asynchronních. Používají se ve všech odvětvích průmyslu, zemědělství a bydlení a komunálních služeb. Tato popularita je vysvětlena skutečností, že tyto mechanismy se snadno vyrábějí, jsou spolehlivé, cenově dostupné a nevyžadují vysoké provozní náklady. Kromě toho je účinnost asynchronního elektromotoru výrazně vyšší než u synchronního.

Takové zařízení má však i značné nevýhody. Zejména vysoký rozběhový proud, nedostatečný rozběhový moment, nesoulad mechanického točivého momentu na hnací hřídeli s mechanickým zatížením (což vede k lavinovému nárůstu proudu a nadměrnému mechanickému zatížení během rozběhu a ke snížení účinnosti v obdobích nízkého zatížení), nemožnost přesného nastavení provozní rychlosti zařízení atd. Všechny tyto faktory vedou k tomu, že účinnost mechanismu je výrazně snížena.

Poznámka
Klíčovými faktory ovlivňujícími účinnost elektromotoru jsou jeho úroveň zatížení ve vztahu k nominálnímu výkonu, konstrukce, model, stupeň opotřebení a odchylka napětí v síti od nominálního výkonu. Účinnost elektromotoru se také může výrazně snížit po jeho převinutí.

Pro zlepšení účinnosti elektrického pohonu je nutné zajistit jeho zatížení na úrovni alespoň 75 %, zvýšit účiník, regulovat napětí a pokud možno i frekvenci dodávaného proudu. Provedení těchto opatření je zajištěno použitím speciálního zařízení, které umožňuje zvýšit účinnost elektromotoru. Není však možné ani nutné provést všechna opatření ve všech případech.

Taková zařízení se dělí na frekvenční měniče, které mění otáčky motoru změnou frekvence napájecího napětí, a softstartéry, které omezují rychlost nárůstu rozběhového proudu a jeho maximální hodnotu. V tomto článku porovnáme moderní řešení pro zvýšení účinnosti motorů z hlediska provozní efektivity a ekonomické proveditelnosti.

Frekvenční měniče pro asynchronní motory

Jedním z nejúčinnějších prostředků pro zvýšení účinnosti elektromotoru je frekvenční měnič, který transformuje jednofázové nebo třífázové napětí s frekvencí 50 Hz na napětí s požadovanou frekvencí (obvykle od 1 Hz do 300–400 Hz, někdy však až 3000 Hz) a amplitudou.

Princip činnosti frekvenčního měniče

„Měnič frekvence“ (jak se měnič frekvence nazývá v profesionálním prostředí) se skládá z:

1. Mikroprocesor, který zajišťuje řízení elektronických klíčů, stejně jako monitorování provozu zařízení, jeho diagnostiku a ochranu.
2. Obvody, které pracují v klíčovém režimu a otevírají tyristory nebo tranzistory. Tyristorové frekvenční měniče jsou považovány za poněkud účinnější, protože mohou pracovat s vysokým napětím a proudy a mají účinnost až 98 %. Při nepříliš vysokých výkonech je však tato výhoda prakticky nepostřehnutelná.

V závislosti na konstrukci a principu fungování existují dvě třídy zařízení:

1. S přímým připojením.Takové měniče jsou usměrňovače. Systém odemyká tyristory a připojuje vinutí k síti, což má za následek výstupní napětí s frekvencí 0–30 Hz a omezeným rozsahem regulace otáček pohonu. Taková zařízení nelze použít při vybavení výkonných zařízení, která regulují mnoho procesních parametrů.
2. S mezilehlým stejnosměrným meziobvodem.V takových zařízeních se provádí dvojitá přeměna energie: vstupní napětí je usměrněno, poté filtrováno a vyhlazeno a poté se pomocí střídače opět transformuje na napětí s požadovanou amplitudou a frekvencí. Taková přeměna může poněkud snížit účinnost zařízení, ale takové frekvenční měniče se široce používají, protože na výstupu mohou produkovat vysokofrekvenční napětí.

Nejoblíbenější zařízení jsou druhého typu, která zajišťují plynulou regulaci otáček motoru.

Možnosti frekvenčních měničů

Účinnost měniče do značné míry závisí na souladu jeho funkčních možností s účely použití. Proto se k vybavení elektrických pohonů čerpadel a ventilátorů používají měniče s nízkou přetížitelností a často s regulací U/f, které v případě potřeby dokáží zvýšit počáteční hodnotu výstupního napětí, aby se zvýšil točivý moment motoru při nízkých frekvencích.

Pokročilejší jsou zařízení s vektorovým řízením, která regulují nejen frekvenci a amplitudu výstupního napětí, ale také fáze proudu protékajícího vinutími statoru. Instalují se na válcovny, dopravníky, zdvihací, balicí zařízení atd.

Pokud je vyžadováno řízené brzdění motorem, používá se funkce decelerace, která zajišťuje zastavení mechanismu změnou frekvence na požadovanou úroveň. Pokud je však vyžadováno intenzivní decelerace, může být nutný „frekvenční měnič“, vybavený vestavěnou nebo externí brzdnou jednotkou a brzdným rezistorem nebo rekuperační brzdnou jednotkou. V režimu dynamického brzdění se motor přepne do generátorového režimu a transformuje mechanickou energii na elektrickou, která se vrací do stejnosměrného meziobvodu a buď se rozptýlí jako teplo na odporu brzdného rezistoru, nebo vrací energii do sítě rekuperací. Toto řešení je relevantní pro obráběcí stroje a dopravníková zařízení.

Frekvenční měnič se zpětnou vazbou umožňuje udržovat konstantní otáčky při proměnném zatížení s vyšší přesností než měnič bez zpětné vazby, čímž se zlepšuje kvalita technologického procesu v uzavřených systémech. Taková zařízení se používají v robotice, zpracování dřeva a kovů a ve vysoce přesných polohovacích systémech.

Stát

Cena „frekvenčních měničů“, jak by řekli finančníci, v poslední době vykazuje vysokou volatilitu: za poslední rok a půl ceny výrazně vzrostly, což je mimo jiné vysvětleno kolísáním směnných kurzů. Frekvenční měniče ruské i zahraniční výroby s výkonem 90 kW tak v roce 2021 stály kupující přibližně 200–700 tisíc rublů.

Výhody a nevýhody

Frekvenční měnič pro asynchronní motor, jehož princip činnosti je popsán výše, tedy zajišťuje snížení spotřeby energie, plynulý rozběh pohonu a vysokou přesnost nastavení, zvyšuje rozběhový moment a stabilizuje rychlost otáčení při proměnném zatížení. To vše dohromady umožňuje zvýšit účinnost stroje. Nevýhodami „frekvenčního měniče“ jsou jeho vysoké náklady a také vznik elektromagnetického rušení během provozu.

Softstartéry: regulátory-optimalizátory

Pro zajištění plynulého rozběhu, zrychlení a zastavení elektromotoru se používají zařízení pro měkký rozběh (SSD). Tato zařízení omezují rychlost nárůstu rozběhového proudu po určitou dobu.

Tradiční softstartéry neřeší problém zvýšení účinnosti. Navíc je lze použít pouze k řízení pohonů s malým zatížením hřídele. Dnes však existují varianty softstartérů, které umožňují zvýšit energetickou účinnost motorů přizpůsobením točivého momentu zátěžovému momentu a v důsledku toho snížit spotřebu energie při minimálním zatížení o 30–40 % – jedná se o optimalizační regulátory. Ty jsou určeny pro pohony, které nevyžadují změnu otáček motoru.

Například pro snížení spotřeby energie eskalátoru pomocí frekvenčního měniče by bylo nutné snížit jeho rychlost, ale to je nemožné, protože by pak cestujícím trvalo déle, než vystoupí. Regulátory-optimizátory však umožňují snížit spotřebu energie bez změny rychlosti elektrického pohonu v případech, kdy je nedostatečně zatížen.

Princip činnosti

Optimalizační regulátory jsou regulátory napájecího napětí elektromotorů, které monitorují fáze proudu a napětí. Zajišťují plnou kontrolu nad pohonem ve všech fázích provozu a chrání jej před zvýšeným a sníženým napětím, přetížením, přerušením nebo narušením sledu fází atd. Optimalizační regulátory přizpůsobují hodnotu mechanického momentu vyvíjeného elektromotorem hodnotě mechanického zatěžovacího momentu na jeho hřídeli změnou napájecího napětí motoru. V tomto případě zůstává rychlost otáčení rotoru elektromotoru stejná a účiník se zvyšuje. Toto zařízení je funkčně kompletní a nevyžaduje připojení dalších zařízení.

Pokud pohon pracuje v režimu dynamicky se měnícího zatížení, regulátor zajišťuje, že se zastaví odběr energie z napájecí sítě v okamžicích, kdy jsou polovodičové přechody tyristorů (řízených diod) sepnuté, tj. nepropouštějí elektrický proud. Tyristory se otevírají při příjmu řídicích impulsů, jejichž zpoždění napájení je určeno stupněm zatížení pohonu, a zavírají se, když proud projde nulou.

Důležité!
Rychlost odezvy regulátoru-optimalizátoru na změny zátěže je setiny sekundy.

Možnosti

Optimalizační regulátory zajišťují zvýšenou účinnost drtičů, ventilátorů, pásových dopravníků, obráběcích strojů, kroužkových jednotek, navijáků a dalších zařízení používaných v průmyslu, zemědělství a bytových a komunálních službách. Tato zařízení také zabraňují přetížení konzol při spouštění míchadel, neutralizují hydraulické rázy v potrubích, zajišťují plynulý start silně a velmi silně zatížených zařízení, čehož konvenční zařízení s měkkým startem nejsou schopna atd.

Stát

Optimalizační regulátory poskytují zvýšenou účinnost zařízení a navíc jsou dostupnější než měniče. Například zařízení od domácího výrobce s výkonem 90 kW lze zakoupit za přibližně 90–140 tisíc rublů.

Výhody a nevýhody

Optimalizační regulátory rychle reagují na změny napětí, snižují náklady na energii o 30–40 %, snižují dopad jalového zatížení na síť, zvyšují účinnost pohonu, snižují náklady na kompenzační zařízení kondenzátorů, prodlužují životnost zařízení a zlepšují ekologičnost výroby. Navíc jsou cenově dostupnější než frekvenční měniče. Jediným omezením pro použití regulátoru je nemožnost jeho použití v případech, kdy je nutné změnit otáčky elektromotoru.

Výběr nejlepšího řešení pro zvýšení efektivity

Volba zařízení pro zvýšení účinnosti motoru konkrétního elektrického pohonu je určena provozními vlastnostmi zařízení. Pokud je tedy třeba změnit otáčky pohonu, pak je jediným možným řešením zakoupení frekvenčního měniče. Pokud otáčky motoru nelze změnit nebo to není nutné, pak by nejlepším řešením bylo použití regulátorů-optimizátorů, které jsou cenově dostupnější než „frekvenční měniče“.