Почему PMSM для промышленных вентиляторов улучшает коэффициент мощности систем электроснабжения завода

Когда на заводе анализируют энергопотребление вентиляторов, обсуждение зачастую ограничивается КПД двигателя. При этом упускается второй вопрос, касающийся электрической системы: какой ток должен подавать источник питания для выполнения требуемой работы? PMSM для промышленных вентиляторов позволяют улучшить ситуацию, поскольку синхронный двигатель с постоянными магнитами не требует тока намагничивания ротора так же, как асинхронный двигатель. Однако полезный ответ точнее простого утверждения «PMSM означает лучший коэффициент мощности». На заводе наблюдается совместное поведение двигателя, преобразователя частоты (VFD), параметров управления, цикла нагрузки вентилятора и гармонической составляющей окружающей среды.

Для инженера, сравнивающего комплектацию двигателя с постоянными магнитами (PMSM) с комплектацией асинхронного вентилятора, практическая цель — не заявленные на шильдике характеристики. Цель — снижение избыточного тока, стабильное управление вентилятором и подтверждённое улучшение реальных эксплуатационных условий объекта.

Начните с анализа изменений коэффициента мощности в системе вентилятора

Коэффициент мощности характеризует эффективность преобразования полной мощности в полезную активную мощность. В традиционной системе переменного тока реактивная мощность создаёт магнитные поля, необходимые для формирования крутящего момента. Она занимает ресурс трансформаторов, кабелей, коммутационного оборудования и генераторов, хотя напрямую не приводит вентилятор во вращение. Следовательно, снижение коэффициента мощности приводит к росту тока при заданной потребляемой мощности в кВт, увеличивая потери в проводниках и расходуя ресурс распределительной сети.

Асинхронный двигатель создаёт магнитное поле ротора за счёт намагничивающего тока. A ПМДД для промышленных вентиляторов использует постоянные магниты на роторе, что позволяет снизить намагничивающую составляющую на клеммах двигателя. При соответствующем управлении током ток статора может быть более точно выровнен по оси, создающей крутящий момент. Именно это электрическое явление лежит в основе возможности повышения коэффициента мощности.

Существует важное ограничение: коэффициент мощности на клеммах двигателя не совпадает автоматически с коэффициентом мощности на вводе завода. Если вентилятор приводится от частотного преобразователя (VFD), то выпрямитель входа привода, цепь постоянного тока (DC link), линейный реактор, пассивная или активная фильтрация гармоник, а также остальная нагрузка предприятия влияют на значение коэффициента мощности, которое фиксирует счётчик энергоснабжающей организации.

Почему выгода часто существенна для промышленных вентиляторов

Вентиляторы являются отличными кандидатами, поскольку потребность в потоке воздуха часто изменяется. Вместо того чтобы регулировать заслонки при постоянной скорости вращения двигателя, преобразователь частоты (ПЧ) может снижать скорость вентилятора, чтобы точно соответствовать потребностям в вентиляции, охлаждении или технологическом процессе. Законы подобия для вентиляторов показывают, что расход воздуха примерно пропорционален скорости, давление — квадрату скорости, а потребляемая на валу мощность — кубу скорости. Таким образом, даже незначительное снижение скорости позволяет существенно сократить потребление активной мощности.

Именно в этом диапазоне работы при пониженной нагрузке выбор двигателя имеет решающее значение. Двигатели с постоянными магнитами способны сохранять высокий КПД и хорошую управляемость в широком диапазоне скоростей, если двигатель и ПЧ правильно согласованы. ПМДД для промышленных вентиляторов может поэтому одновременно снизить потребление кВт и реактивную составляющую тока, характерную для асинхронных двигателей. Эти два преимущества связаны между собой, но не тождественны: снижение потребления кВт не означает автоматически улучшения коэффициента мощности, а повышение коэффициента мощности само по себе не гарантирует снижения потребления кВт·ч.

Коэффициент мощности двигателя по сравнению с коэффициентом мощности на входе ПЧ

Это различие предотвращает множество разочаровывающих ожиданий при модернизации. На выходе ПЧ подаёт на двигатель с постоянными магнитами (PMSM) управляемую форму сигнала. На входе стандартный шестипульсный выпрямитель потребляет ток несинусоидальной формы. Коэффициент мощности смещения может быть высоким, тогда как истинный коэффициент мощности снижается из-за искажений тока гармониками.

По этой причине на заводе следует проанализировать как минимум четыре параметра до и после модернизации:

• Активная мощность (кВт): полезная электрическая мощность, потребляемая вентиляторной системой.
• Реактивная мощность (кВАр): часть мощности, связанная с поддержанием магнитного поля и другими реактивными эффектами.
• Полная мощность (кВА): нагрузка, прикладываемая к оборудованию электроснабжения.
• Истинный коэффициент мощности и ТГД тока: измеряются на входе ПЧ или на соответствующей распределительной щитовой.

Если на заводе установлены конденсаторные батареи, их контроллер также требует проверки. В системе с большим количеством частотных преобразователей (VFD) в зависимости от измерений и ограничений качества электроэнергии на объекте могут потребоваться дегармонизирующие реакторы, фильтры гармоник или активный входной каскад. Установка конденсаторов без предварительной проверки резонанса и гармоник не является безопасной заменой полноценной оценки входных параметров привода.

Там, где модернизация вентиляторов с использованием двигателей постоянного тока с постоянными магнитами (PMSM) может повысить производственную мощность завода

Рассмотрите возможность применения вентиляционной группы, которая переключается между режимами низкой, средней и высокой нагрузки. При использовании асинхронного двигателя, регулировании заслонками и неблагоприятных условиях частичной нагрузки система может потреблять ток, превышающий обоснованные потребности в подаче воздуха. Замена стратегии управления на частотное регулирование скорости вращения с применением двигателя PMSM для промышленных вентиляторов позволяет снижать скорость вращения при допустимых технологических условиях. Снижение требуемого крутящего момента уменьшает потребляемую мощность в киловаттах, а особенности возбуждения такого двигателя позволяют снизить реактивную составляющую на стороне двигателя.

Результатом может стать снижение нагрузки на оборудование верхнего уровня по полезной мощности. Снижение тока уменьшает потери I²R в линиях электропередачи и может помочь избежать перегрузки трансформаторов или генераторов, обусловленной полной мощностью (кВА), а не только активной мощностью (кВт). Тем не менее, выгоду необходимо рассчитывать на основе измеренных интервалов, а не выводить из номинальных данных двигателя.

Пять проверок технических характеристик перед выбором комплекта вентилятора с ПМДС

• Отобразите реальный цикл эксплуатации. Зарегистрируйте частоту вращения вентилятора, давление, косвенный показатель расхода воздуха, потребляемую мощность в кВт и наработку в часах. Вентилятор, работающий вблизи одной фиксированной точки, может не оправдывать тот же выбор конструкции, что и вентилятор с широкими суточными колебаниями.
• Подтвердите совместимость с ЧРП. Преобразователь частоты должен поддерживать управление ПМДС; параметры ввода в эксплуатацию должны основываться на данных двигателя, предоставленных производителем. Управление без датчиков и управление с использованием энкодера имеют различные особенности при пуске и на низких скоростях.
• Укажите точку измерения. Уточните, применяется ли критерий приемки для коэффициента мощности со стороны двигателя, истинного коэффициента мощности на входе частотного преобразователя (VFD), ввода распределительного щита (MCC) или ввода объекта. Эти значения не взаимозаменяемы.
• Проанализируйте гармоники и существующее оборудование для коррекции коэффициента мощности. Измерьте общий коэффициент гармонических искажений тока (THD) и проверьте переключение конденсаторных батарей, реакторы и загрузку трансформаторов до окончательного принятия решения о модернизации.
• Проверьте соответствие механического вентилятора. Требования по моменту и скорости вращения, инерция, подшипники, способ крепления и характеристики воздушного потока должны соответствовать новому рабочему диапазону. Высокоэффективный двигатель не компенсирует неправильно выбранный вентилятор или чрезмерное сопротивление воздуховодов.

Практичный план верификации

Попросите поставщика или интегратора определить базовый уровень и критерии приемочного испытания. Зафиксируйте три репрезентативные рабочие точки вместо одного замера при полной скорости. В каждой точке зафиксируйте напряжение, ток, кВт, кВАр, кВА, истинный коэффициент мощности, общее гармоническое искажение тока (THD), скорость вращения вентилятора и технологические параметры. Сравните эквивалентные условия расхода воздуха или давления, затем проанализируйте данные совместно с инженером завода по качеству электроэнергии.

Для международных проектов классы энергоэффективности и методы испытаний следует проверять в соответствии с требованиями конкретного рынка. IEC TS 60034-30-2 содержит актуальную информацию о классах энергоэффективности переменно-частотных асинхронных двигателей, однако данный документ не заменяет электротехническое исследование, выполненное специально для объекта. Аналогично, высокий класс энергоэффективности не гарантирует, что входные параметры преобразователя частоты соответствуют заданным ограничениям электросетевой компании по коэффициенту мощности или гармоникам.

Когда PMSM — не единственный вариант

Асинхронный двигатель с постоянными магнитами (PMSM) для промышленных вентиляторов не всегда является оптимальным решением для модернизации любого вентилятора. Если вентилятор работает непрерывно при стабильном рабочем режиме, асинхронный двигатель повышенной эффективности подходящего размера может оказаться более простым и экономически выгодным вариантом. Если основной проблемой распределительной системы является гармонические искажения, вызванные множеством уже установленных преобразователей частоты, улучшение поведения одного двигателя на стороне выхода не решит проблему на уровне всей установки.

Если вы оцениваете коммерческие постоянные магниты для продажи и вам нужна инженерная приводная система, гарантирующая эффективность и долговечность, ENNENG — ваш надёжный партнёр. Свяжитесь с ENNENG сегодня .Поговорите с нашей технической инженерной командой, чтобы получить персонализированное предложение по приводу.

• WhatsApp:+86 18562780228
• Электронная почта:  [email protected]
• Телефон:  +86 532 66000559