Dlaczego PMSM do wentylatorów przemysłowych poprawia współczynnik mocy systemów zasilania elektrycznego fabryk

Gdy zakład analizuje zużycie energii przez wentylatory, rozmowa często ogranicza się do sprawdzenia sprawności silnika. Pomija się wtedy drugie pytanie dotyczące systemu elektrycznego: ile prądu musi dostarczyć źródło zasilania, aby zapewnić wykonywaną pracę? PMSM do wentylatorów przemysłowych mogą poprawić tę sytuację, ponieważ silnik synchroniczny z magnesami trwałymi nie wymaga prądu magnesującego wirnika w takim samym stopniu jak silnik indukcyjny. Jednak użyteczna odpowiedź jest bardziej precyzyjna niż stwierdzenie „PMSM oznacza lepszy współczynnik mocy”. Zakład obserwuje łączne zachowanie się silnika, przemiennika częstotliwości (VFD), ustawień sterowania, cyklu pracy wentylatora oraz środowiska harmonicznego.

Dla inżyniera porównującego pakiet silnika z magnesami trwałymi PMSM z pakietem wentylatora indukcyjnego praktycznym celem nie jest deklaracja na tabliczce znamionowej. Celem jest obniżenie niepotrzebnego prądu, stabilna kontrola wentylatora oraz zmierzona poprawa rzeczywistych warunków eksploatacji obiektu.

Zacznij od analizy zmian współczynnika mocy w systemie wentylatora

Współczynnik mocy opisuje, jak skutecznie pozorna moc jest przekształcana w użyteczną moc czynną. W konwencjonalnym systemie silnika prądu przemiennego moc bierna wspiera pola magnetyczne niezbędne do wytworzenia momentu obrotowego. Zajmuje ona pojemność transformatorów, kabli, urządzeń łączących i generatorów, mimo że nie napędza bezpośrednio wentylatora. Niższy współczynnik mocy powoduje więc wzrost prądu przy danej mocy wymaganej w kW, zwiększając straty w przewodach i zużywając pojemność sieci dystrybucyjnej.

Silnik indukcyjny tworzy pole wirnika za pomocą prądu magnesującego. A Silnika PMSM do przemysłowych wentylatorów wykorzystuje magnesy stałe na wirniku, co pozwala zmniejszyć składową magnetyzującą przy zaciskach silnika. Dzięki odpowiedniej kontroli prądu prąd stojana może być bardziej dokładnie wyrównany z osią generującą moment obrotowy. Jest to mechanizm elektryczny leżący u podstaw możliwości poprawy współczynnika mocy.

Istnieje ważna granica: współczynnik mocy przy zaciskach silnika nie jest automatycznie identyczny z współczynnikiem mocy przy wejściu zasilania fabryki. Jeśli wentylator jest napędzany przemiennikiem częstotliwości (VFD), prostownik wejściowy przemiennika, obwód pośredni prądu stałego (DC link), dławik sieciowy oraz pasywna lub aktywna filtracja harmonicznych oraz pozostała część obciążenia zakładu wpływają na wartość współczynnika mocy rejestrowaną przez licznik dostawcy energii.

Dlaczego korzyść ta często ma istotne znaczenie dla przemysłowych wentylatorów

Wentylatory są silnymi kandydatami, ponieważ zapotrzebowanie na przepływ powietrza jest często zmienne. Zamiast ograniczać przepływ za pomocą przepustnic przy stałej prędkości silnika, przemiennik częstotliwości (VFD) może obniżyć prędkość wentylatora, aby dopasować ją do zapotrzebowania na wentylację, chłodzenie lub proces technologiczny. Prawa podobieństwa wentylatorów wskazują, że przepływ zmienia się w przybliżeniu proporcjonalnie do prędkości, ciśnienie – w przybliżeniu proporcjonalnie do kwadratu prędkości, a moc wałowa – w przybliżeniu proporcjonalnie do sześcianu prędkości. Niewielkie obniżenie prędkości pozwala więc znacznie zmniejszyć zapotrzebowanie na moc czynną.

To zakres pracy przy obciążeniu niższym od nominalnego to właśnie tam wybór silnika ma znaczenie. Maszyny z magnesami trwałymi mogą utrzymywać korzystny współczynnik sprawności i dobrą sterowalność w szerokim zakresie prędkości, o ile silnik i przemiennik częstotliwości są odpowiednio dobrane. A Silnika PMSM do przemysłowych wentylatorów może więc zmniejszyć zarówno zużycie kW, jak i obciążenie prądem biernym związane z silnikiem indukcyjnym. Te dwa korzyści są ze sobą powiązane, ale różne: niższe zużycie kW nie dowodzi lepszego współczynnika mocy, a lepszy współczynnik mocy sam w sobie nie dowodzi niższego zużycia kWh.

Współczynnik mocy silnika kontra współczynnik mocy wejściowy przemiennika

Ta różnica zapobiega wielu rozczarowującym oczekiwaniom dotyczącym modernizacji. Po stronie wyjściowej przemiennik częstotliwości (VFD) dostarcza silnikowi z magnesami trwałymi (PMSM) kontrolowanego przebiegu napięcia. Po stronie wejściowej standardowy prostownik sześciopulsowy może pobierać prąd niestosowny do sinusoidy. Współczynnik mocy przesunięciowej może być wysoki, podczas gdy rzeczywisty współczynnik mocy jest obniżony przez zniekształcenia harmoniczne prądu.

Z tego powodu zakładowi należy sprawdzić co najmniej cztery wartości przed i po modernizacji:

• Moc czynna (kW): użyteczna moc elektryczna pobierana przez układ wentylatora.
• Moc bierna (kVAr): część mocy związana z utrzymywaniem pola magnetycznego oraz innymi efektami biernymi.
• Moc pozorna (kVA): obciążenie narzucane urządzeniom zasilającym.
• Rzeczywisty współczynnik mocy oraz całkowite zniekształcenie harmoniczne prądu (THD): mierzone na wejściu przemiennika częstotliwości (VFD) lub na odpowiednim tablicy rozdzielczej.

Jeśli zakład jest wyposażony w baterie kondensatorów, ich sterownik również wymaga przeglądu. W systemie z dużą liczbą przemienników częstotliwości mogą być wymagane reaktory odstrojone, filtry harmoniczne lub aktywny układ wejściowy – w zależności od pomiarów oraz dopuszczalnych w zakładzie ograniczeń jakości energii elektrycznej. Dodawanie kondensatorów bez sprawdzenia rezonansu i harmonicznych nie stanowi bezpiecznej alternatywy dla odpowiedniej oceny wejść napędów.

Gdzie modernizacja wentylatorów z zastosowaniem silników PMSM może zwiększyć moc produkcyjną zakładu

Rozważ bank wentylacyjny przełączający się pomiędzy niskim, średnim i wysokim zapotrzebowaniem. W przypadku silnika indukcyjnego, sterowania przepustnicami oraz niekorzystnych warunków pracy przy częściowym obciążeniu system może pobierać prąd o większym natężeniu niż wynika to z rzeczywistego zapotrzebowania na powietrze. Zastąpienie strategii sterowania przemiennikiem częstotliwości i silnikiem PMSM w przemysłowych wentylatorach pozwala systemowi obniżać prędkość obrotową, gdy proces tego pozwala. Niższe zapotrzebowanie na moment obrotowy zmniejsza zużycie kW, a cechy wzbudzenia silnika mogą zmniejszyć składową bierną po stronie silnika.

Wynik może przynieść ulgę w obciążeniu urządzeń w górnej części układu. Niższy prąd zmniejsza straty I²R w przewodach zasilających i może pomóc uniknąć przeciążenia transformatora lub generatora, które wynika z obciążenia wyrażanego w kVA, a nie tylko w kW. Mimo to korzyść należy obliczać na podstawie zmierzonych przedziałów czasowych, a nie wnioskować z danych znamionowych silnika.

Pięć sprawdzeń specyfikacji przed wybraniem zestawu wentylatora z silnikiem PMSM

• Zmapuj rzeczywisty cykl pracy. Rejestruj prędkość wentylatora, ciśnienie statyczne, przybliżone natężenie przepływu powietrza, moc w kW oraz czas pracy. Wentylator pracujący w pobliżu jednego stałego punktu może nie uzasadniać takiego samego wyboru konstrukcyjnego jak wentylator o szerokiej dobowej zmienności.
• Potwierdź zgodność z przemiennikiem częstotliwości (VFD). Przemiennik musi obsługiwać sterowanie silnikami PMSM, a parametry uruchomieniowe muszą opierać się na danych technicznych silnika dostarczonych przez producenta. Sterowanie bezczujnikowe i sterowanie z wykorzystaniem enkodera różnią się skutkami dla rozruchu oraz pracy w niskich prędkościach.
• Określ punkt pomiaru. Wskazanie, czy kryterium akceptacji dotyczy współczynnika mocy po stronie silnika, rzeczywistego współczynnika mocy na wejściu falownika (VFD), zasilania rozdzielni MCC czy głównego zasilania obiektu. Te wartości nie są wzajemnie zamienne.
• Przeanalizuj harmoniczne oraz istniejące wyposażenie kompensacyjne. Zmierz całkowitą zawartość harmonicznych prądu (THD) i sprawdź przełączanie baterii kondensatorów, dławiki oraz obciążenie transformatora przed ostatecznym zatwierdzeniem modernizacji.
• Sprawdź dopasowanie mechaniczne wentylatora. Wymagania dotyczące momentu obrotowego i prędkości obrotowej, bezwładność, łożyska, sposób montażu oraz wydajność przepływu powietrza muszą być zgodne z nowym zakresem pracy. Silnik wysokiej sprawności nie skompensuje nieodpowiedniego doboru wentylatora ani zwężonej instalacji kanałowej.

Praktyczny plan weryfikacji

Poproś dostawcę lub integratora o zdefiniowanie punktu odniesienia oraz testu akceptacyjnego. Zarejestruj trzy reprezentatywne punkty pracy zamiast jednego pomiaru przy pełnej prędkości. W każdym punkcie zapisz napięcie, prąd, moc czynną (kW), moc bierną (kVAr), moc pozorną (kVA), rzeczywisty współczynnik mocy, całkowitą zawartość harmonicznych prądu (THD), prędkość wentylatora oraz warunki procesu. Porównaj równoważne warunki przepływu powietrza lub ciśnienia, a następnie przeanalizuj dane wspólnie z inżynierem ds. jakości energii elektrycznej w zakładzie.

W przypadku projektów międzynarodowych klasy sprawności oraz metody badań należy zweryfikować pod kątem obowiązujących wymagań rynkowych. Dokument IEC TS 60034-30-2 zawiera istotne informacje dotyczące klas sprawności silników prądu przemiennego z regulowaną prędkością obrotową, ale nie zastępuje analizy elektrycznej dostosowanej do konkretnego obiektu. Podobnie wysoka klasa sprawności nie gwarantuje, że wejście napędu spełnia określone ograniczenia współczynnika mocy lub zawartości harmonicznych narzucone przez operatora sieci.

Gdy PMSM nie jest jedynym rozwiązaniem

Silnik PMSM przeznaczony do wentylatorów przemysłowych nie jest automatycznie odpowiednim ulepszeniem dla każdego wentylatora. Jeśli wentylator pracuje w sposób ciągły przy stałym punkcie pracy, odpowiednio dobrany silnik indukcyjny o wysokiej sprawności może być prostszym rozwiązaniem ekonomicznym. Jeśli głównym problemem systemu dystrybucji jest zniekształcenie harmoniczne spowodowane wieloma istniejącymi falownikami, poprawa zachowania po stronie wyjściowej jednego silnika nie rozwiąże samodzielnie problemu na poziomie całej instalacji.

Jeśli oceniasz komercyjne silniki prądu stałego z magnesami trwałymi przeznaczone do sprzedaży i potrzebujesz zaprojektowanego rozwiązania napędowego gwarantującego wydajność i długotrwałość, ENNENG jest Twoim zaufanym partnerem. Skontaktuj się z ENNENG już dziś .Porozmawiaj z naszym zespołem inżynierów technicznych, aby otrzymać spersonalizowaną propozycję rozwiązania napędowego.

• WhatsApp:+86 18562780228
• Adres e-mail:  [email protected]
• Telefon:  +86 532 66000559