Γιατί οι κινητήρες PMSM για βιομηχανικούς ανεμιστήρες βελτιώνουν την απόδοση του συντελεστή ισχύος των συστημάτων ηλεκτρικής τροφοδοσίας εργοστασίων

Όταν μια βιομηχανία αξιολογεί την κατανάλωση ενέργειας από ανεμιστήρες, η συζήτηση συχνά σταματά στην απόδοση του κινητήρα. Αυτό παραλείπει ένα δεύτερο ερώτημα σχετικά με το ηλεκτρικό σύστημα: πόσο ρεύμα πρέπει να παρέχει η πηγή για να υποστηρίξει την εργασία; Το PMSM για βιομηχανικούς ανεμιστήρες μπορεί να βελτιώσει αυτή την εικόνα, επειδή ένας σύγχρονος κινητήρας μόνιμου μαγνήτη δεν χρειάζεται ρεύμα μαγνήτισης του δρομέα με τον ίδιο τρόπο όπως ένας επαγωγικός κινητήρας. Ωστόσο, η χρήσιμη απάντηση είναι πιο ακριβής από τη δήλωση «PMSM σημαίνει καλύτερος συντελεστής ισχύος». Η βιομηχανία παρατηρεί τη συνδυασμένη συμπεριφορά του κινητήρα, του μετατροπέα συχνότητας (VFD), των ρυθμίσεων ελέγχου, του κύκλου λειτουργίας του ανεμιστήρα και του περιβάλλοντος αρμονικών.

Για έναν μηχανικό που συγκρίνει ένα πακέτο κινητήρα μόνιμου μαγνήτη (PMSM) με ένα πακέτο ανεμιστήρα επαγωγής, ο πρακτικός στόχος δεν είναι μια δήλωση στην πινακίδα ονομαστικών τιμών. Είναι η μείωση του περιττού ρεύματος, ο σταθερός έλεγχος του ανεμιστήρα και μια μετρημένη βελτίωση στις πραγματικές συνθήκες λειτουργίας της εγκατάστασης.

Ξεκινήστε με τις αλλαγές του συντελεστή ισχύος σε ένα σύστημα ανεμιστήρα

Ο συντελεστής ισχύος περιγράφει πόσο αποτελεσματικά η φαινόμενη ισχύς μετατρέπεται σε χρήσιμη πραγματική ισχύ. Σε ένα συμβατικό σύστημα εναλλασσόμενου ρεύματος, η άεργη ισχύς υποστηρίζει τα μαγνητικά πεδία που απαιτούνται για την παραγωγή ροπής. Καταλαμβάνει χωρητικότητα σε μετασχηματιστές, καλώδια, πίνακες διανομής και γεννήτριες, ακόμη και αν δεν περιστρέφει άμεσα τον ανεμιστήρα. Ένας χαμηλότερος συντελεστής ισχύος επομένως αυξάνει το ρεύμα για μια δεδομένη ζήτηση kW, αυξάνοντας τις απώλειες στους αγωγούς και καταναλώνοντας χωρητικότητα διανομής.

Ένας κινητήρας επαγωγής δημιουργεί το μαγνητικό πεδίο του δρομέα του μέσω του ρεύματος μαγνήτισης. Ένα PMSM για βιομηχανικούς ανεμιστήρες χρησιμοποιεί μόνιμους μαγνήτες στον δρομέα, οπότε μπορεί να μειώσει το συστατικό μαγνητισμού στους ακροδέκτες του κινητήρα. Με κατάλληλο έλεγχο του ρεύματος, το ρεύμα του στάτορα μπορεί να ευθυγραμμιστεί πιο στενά με τον άξονα που παράγει ροπή. Αυτό είναι ο ηλεκτρικός μηχανισμός πίσω από τη δυνατότητα βελτίωσης του συντελεστή ισχύος.

Υπάρχει μια σημαντική οριακή περίπτωση: ο συντελεστής ισχύος στους ακροδέκτες του κινητήρα δεν είναι αυτόματα ο συντελεστής ισχύος στην εισερχόμενη γραμμή του εργοστασίου. Εάν ο ανεμιστήρας κινείται από μετατροπέα συχνότητας (VFD), ο ανορθωτής εισόδου του μετατροπέα, ο σύνδεσμος συνεχούς ρεύματος (DC link), ο πυκνωτής γραμμής, η παθητική ή ενεργητική φιλτράρισμα αρμονικών και το υπόλοιπο φορτίο του εργοστασίου επηρεάζουν όλα τον αριθμό που καταγράφει ο μετρητής της εταιρείας ηλεκτροδότησης.

Γιατί το όφελος είναι συχνά σημαντικό για βιομηχανικούς ανεμιστήρες

Οι ανεμιστήρες είναι ιδιαίτερα κατάλληλοι, διότι η απαίτηση για ροή αέρα μεταβάλλεται συχνά. Αντί να περιορίζονται οι ρότορες με φραγμούς ενώ ο κινητήρας λειτουργεί με σταθερή ταχύτητα, ένας μετατροπέας συχνότητας (VFD) μπορεί να μειώσει την ταχύτητα του ανεμιστήρα προκειμένου να εξυπηρετήσει τις απαιτήσεις εξαερισμού, ψύξης ή διαδικασίας. Οι νόμοι ομοιότητας των ανεμιστήρων δείχνουν ότι η ροή μεταβάλλεται προσεγγιστικά ανάλογα με την ταχύτητα, η πίεση μεταβάλλεται προσεγγιστικά ανάλογα με το τετράγωνο της ταχύτητας και η ισχύς του άξονα μεταβάλλεται προσεγγιστικά ανάλογα με τον κύβο της ταχύτητας. Συνεπώς, μια μικρή μείωση της ταχύτητας μπορεί να μειώσει σημαντικά την πραγματική ζήτηση ισχύος.

Αυτό το εύρος λειτουργίας υπό χαμηλό φορτίο είναι εκείνο όπου η επιλογή του κινητήρα αποκτά κρίσιμη σημασία. Οι μηχανές μόνιμου μαγνήτη μπορούν να διατηρούν ευνοϊκή απόδοση και ελεγξιμότητα σε ένα ευρύ φάσμα ταχυτήτων, εφόσον ο κινητήρας και ο μετατροπέας συχνότητας (VFD) είναι σωστά ταιριασμένοι. Ένας PMSM για βιομηχανικούς ανεμιστήρες μπορεί συνεπώς να μειώσει τόσο την κατανάλωση kW όσο και το φορτίο ρεύματος αντίδρασης που συνδέεται με έναν επαγωγικό κινητήρα. Τα δύο πλεονεκτήματα σχετίζονται μεταξύ τους, αλλά είναι διαφορετικά: μια χαμηλότερη κατανάλωση kW δεν αποδεικνύει αυτόματα καλύτερο συντελεστή ισχύος, ενώ ένας βελτιωμένος συντελεστής ισχύος δεν σημαίνει αυτόματα χαμηλότερη κατανάλωση kWh.

Συντελεστής ισχύος κινητήρα έναντι συντελεστή ισχύος εισόδου μετατροπέα

Αυτή η διάκριση αποτρέπει πολλές απογοητευτικές προσδοκίες σχετικά με την επανεξοπλισμό. Από την πλευρά της εξόδου, ο μετατροπέας συχνότητας (VFD) παρέχει ένα ελεγχόμενο κύμα στον κινητήρα μόνιμων μαγνητών (PMSM). Από την πλευρά της εισόδου, ένας τυπικός διορθωτής έξι παλμών μπορεί να αντλεί μη ημιτονοειδές ρεύμα. Ο συντελεστής μετατόπισης μπορεί να είναι υψηλός, ενώ ο πραγματικός συντελεστής ισχύος μειώνεται λόγω παραμόρφωσης του ρεύματος από αρμονικές.

Γι’ αυτόν τον λόγο, μια βιομηχανία θα πρέπει να ελέγξει τουλάχιστον τέσσερις τιμές πριν και μετά την επανεξοπλισμό:

• Πραγματική ισχύς (kW): η χρήσιμη ηλεκτρική ισχύς που καταναλώνει το σύστημα ανεμιστήρα.
• Άεργη ισχύς (kVAr): το μέρος που συνδέεται με την υποστήριξη μαγνητικού πεδίου και άλλα αντιδραστικά φαινόμενα.
• Φαινόμενη ισχύς (kVA): η φόρτιση που επιβάλλεται στον εξοπλισμό παροχής.
• Πραγματικός συντελεστής ισχύος και THD του ρεύματος: μετρούνται στην είσοδο του VFD ή στον σχετικό πίνακα διανομής.

Εάν το εργοστάσιο διαθέτει πυκνωτικές μπαταρίες, πρέπει επίσης να ελεγχθεί ο ελεγκτής τους. Ένα σύστημα πλούσιο σε μετατροπείς συχνότητας (VFD) ενδέχεται να απαιτεί αποσυντονισμένα ρεακτορία, φίλτρα αρμονικών ή ενεργό πρόσθετο τμήμα (active front end), ανάλογα με τις μετρήσεις και τα όρια ποιότητας ισχύος της εγκατάστασης. Η προσθήκη πυκνωτών χωρίς έλεγχο της συντονισμού και των αρμονικών δεν αποτελεί ασφαλή εναλλακτική λύση για μια κατάλληλη αξιολόγηση της εισόδου των μετατροπέων.

Όπου μια αναβάθμιση ανεμιστήρα με κινητήρα PMSM μπορεί να βελτιώσει την παραγωγική ικανότητα του εργοστασίου

Εξετάστε μια τράπεζα εξαερισμού που κυκλοφορεί μεταξύ χαμηλής, μεσαίας και υψηλής ζήτησης. Με έναν επαγωγικό κινητήρα, έλεγχο με φλαπ, και κακές συνθήκες μερικής φόρτισης, το σύστημα ενδέχεται να καταναλώνει περισσότερο ρεύμα από όσο δικαιολογείται από την απαίτηση αέρα. Η αντικατάσταση της στρατηγικής ελέγχου με έναν κινητήρα PMSM για βιομηχανικούς ανεμιστήρες που οδηγείται από VFD επιτρέπει στο σύστημα να μειώσει την ταχύτητα όταν η διαδικασία το επιτρέπει. Η χαμηλότερη απαίτηση ροπής μειώνει τα kW, ενώ οι χαρακτηριστικές ιδιότητες εξαναγκασμού του κινητήρα μπορούν να μειώσουν το αντίδραστικό συστατικό στην πλευρά του κινητήρα.

Το αποτέλεσμα μπορεί να προσφέρει χρήσιμη ανακούφιση της χωρητικότητας στον εξοπλισμό του ανωτέρου τμήματος. Χαμηλότερο ρεύμα μειώνει τις απώλειες I²R στους αγωγούς και ενδέχεται να βοηθήσει στην αποφυγή υπερφόρτωσης μετασχηματιστή ή γεννήτριας που οφείλεται σε φορτίο kVA και όχι μόνο σε φορτίο kW. Ωστόσο, το όφελος πρέπει να υπολογίζεται με βάση μετρήσεις σε πραγματικά χρονικά διαστήματα, όχι με εκτίμηση από τα ονομαστικά στοιχεία του κινητήρα.

Πέντε έλεγχοι προδιαγραφών πριν από την επιλογή πακέτου ανεμιστήρα PMSM

• Χαρτογραφήστε τον πραγματικό κύκλο λειτουργίας. Καταγράψτε την ταχύτητα του ανεμιστήρα, την στατική πίεση, έναν δείκτη παροχής αέρα, τα kW και τις ώρες λειτουργίας. Ένας ανεμιστήρας που λειτουργεί κοντά σε ένα σταθερό σημείο ενδέχεται να μην δικαιολογεί την ίδια επιλογή σχεδιασμού με έναν ανεμιστήρα που παρουσιάζει μεγάλη ημερήσια μεταβλητότητα.
• Επιβεβαιώστε τη συμβατότητα με τον μετατροπέα συχνότητας (VFD). Ο μετατροπέας πρέπει να υποστηρίζει τον έλεγχο PMSM, με παραμέτρους εκκίνησης που βασίζονται στα στοιχεία του κινητήρα που παρέχει ο κατασκευαστής. Ο έλεγχος χωρίς αισθητήρα και ο έλεγχος με αισθητήρα κωδικοποιητή (encoder) έχουν διαφορετικές επιπτώσεις στην εκκίνηση και στις χαμηλές ταχύτητες.
• Καθορίστε το σημείο μέτρησης. Δηλώστε εάν το κριτήριο αποδοχής είναι ο συντελεστής ισχύος στην πλευρά του κινητήρα, ο πραγματικός συντελεστής ισχύος στην είσοδο του VFD, η τροφοδοσία του MCC ή η κεντρική είσοδος της εγκατάστασης. Αυτές οι τιμές δεν είναι ανταλλάξιμες.
• Ελέγξτε τις αρμονικές συνιστώσες και τον υφιστάμενο εξοπλισμό διόρθωσης. Μετρήστε το συνολικό ποσοστό παραμόρφωσης του ρεύματος (THD) και εξετάστε τη λειτουργία των πυκνωτικών μπανκ, των πηνίων αντίστασης και τη φόρτιση των μετασχηματιστών πριν οριστικοποιήσετε μια αναβάθμιση.
• Ελέγξτε τη μηχανική συμβατότητα του ανεμιστήρα. Οι απαιτήσεις ροπής-ταχύτητας, η αδράνεια, οι εδράσεις, η στήριξη και η απόδοση ροής αέρα πρέπει να είναι κατάλληλες για το νέο πεδίο λειτουργίας. Ένας κινητήρας υψηλής απόδοσης δεν μπορεί να διορθώσει έναν ανεμιστήρα που έχει επιλεγεί λανθασμένα ή μια στενή αεραγωγό.

Ένα πρακτικό σχέδιο επαλήθευσης

Ζητήστε από τον προμηθευτή ή τον ολοκληρωτή να ορίσει μια βασική γραμμή και μια δοκιμή αποδοχής. Καταγράψτε τρεις εκπροσωπητικές λειτουργικές θέσεις αντί για μια μόνη στιγμιαία μέτρηση σε πλήρη ταχύτητα. Σε κάθε θέση, καταγράψτε την τάση, το ρεύμα, τα kW, τα kVAr, τα kVA, τον πραγματικό συντελεστή ισχύος, την ολική αρμονική παραμόρφωση (THD) του ρεύματος, την ταχύτητα του ανεμιστήρα και την κατάσταση της διαδικασίας. Συγκρίνετε ισοδύναμες συνθήκες ροής αέρα ή πίεσης και στη συνέχεια αναθεωρήστε τα δεδομένα με τον μηχανικό ποιότητας ηλεκτρικής ενέργειας του εργοστασίου.

Για διεθνή έργα, οι κλάσεις απόδοσης και οι μέθοδοι δοκιμής πρέπει να ελέγχονται σε σχέση με τις εφαρμόσιμες απαιτήσεις της αγοράς. Το IEC TS 60034-30-2 παρέχει ένα σχετικό πλαίσιο κλάσεων απόδοσης για εναλλασσόμενου ρεύματος κινητήρες με μεταβλητή ταχύτητα, αλλά δεν αντικαθιστά μια ηλεκτρική μελέτη ειδική για τον χώρο εγκατάστασης. Παρομοίως, μια υψηλή κατάταξη απόδοσης δεν εγγυάται ότι η είσοδος του μετατροπέα πληροί συγκεκριμένα όρια συντελεστή ισχύος ή αρμονικών που θέτει ο φορέας παροχής ηλεκτρικής ενέργειας.

Όταν το PMSM δεν είναι η μοναδική λύση

Ένας κινητήρας PMSM για βιομηχανικούς ανεμιστήρες δεν είναι αυτόματα η κατάλληλη αναβάθμιση για κάθε ανεμιστήρα. Εάν ένας ανεμιστήρας λειτουργεί συνεχώς σε σταθερό σημείο λειτουργίας, ένας κατάλληλα διαστασιολογημένος κινητήρας επαγωγής υψηλής απόδοσης μπορεί να αποτελεί πιο απλή οικονομική επιλογή. Εάν το κύριο πρόβλημα του συστήματος διανομής είναι η παραμόρφωση αρμονικών λόγω πολλών υφιστάμενων μετατροπέων, η βελτίωση της συμπεριφοράς στην πλευρά εξόδου ενός μόνο κινητήρα δεν θα επιλύσει μόνη της το πρόβλημα σε επίπεδο εγκατάστασης.

Εάν αξιολογείτε εμπορικούς μόνιμους μαγνήτες κινητήρες για πώληση και χρειάζεστε μια μηχανολογικά σχεδιασμένη λύση οδήγησης που εγγυάται απόδοση και διάρκεια ζωής, η ENNENG είναι ο εμπιστευόμενος σας συνεργάτης. Επικοινωνήστε με την ENNENG σήμερα .Μιλήστε με την τεχνική μηχανική ομάδα μας για να λάβετε μια προσαρμοσμένη πρόταση οδήγησης.

• Whatsapp:+86 18562780228
• Ηλεκτρονικό ταχυδρομείο:  [email protected]
• Τηλέφωνο:  +86 532 66000559