ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИЙ АСИНХРОННЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД

СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ «ТИРИСТОРНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ НАПРЯЖЕНИЯ — АСИНХРОННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ»

Наиболее распространенная силовая структура ТПН—АД, схема которой приведена на рис. 2.4, состоит из шести тиристоров, вклю­ченных попарно встречно-параллельно в статорные цепи трехфаз­ного асинхронного двигателя. Такой преобразователь предназна­чен для регулирования 1-й, или основной, гармоники питающего двигатель напряжения изменением угла открытия тиристоров а в диа­пазоне от ос = ф до а = 180°. В этом случае действующее фазное напря­жение первой гармоники изменяет­ся от их = их ном (где Uhi0M — действу­ющее фазное номинальное напря­жение питающей сети; ф — угол отставания тока от напряжения при синусоидальном питании) до U{ =

= 0 [6]. Частота переменного напря­жения основной гармоники оста­ется неизменной и равна частоте сети, т. е. f = /іном - При таком управ­лении синхронная скорость асин­
хронного двигателя и критическое скольжение не изменяются, но регулируется момент двигателя М = f(U).

Отметим, что работа асинхронного двигателя на регулирово­чных характеристиках при Ux < UXn0M происходит в режиме прерыви­стого тока. В этом случае в спектре несинусоидального периодиче­ского тока при соединении обмоток статора звездой без нулевого провода в периодическом несинусоидальном токе кроме основ­ной гармоники присутствуют нечетные гармоники: 5-я, 7-я, 11-я, 13-я и т. д. При таком способе управления осуществляется дис­кретное воздействие на асинхронный двигатель и в течение перио­да питающего напряжения 0,02 с при/1ном = 50 Гц происходит чере­дование схем подключения статорных цепей двигателя к трехфаз­ной питающей сети в следующей последовательности: трехфазное подключение, двухфазное подключение разных фаз, отключение всех фаз двигателя. В связи с этим даже в установившемся режиме наблюдаются пульсации момента двигателя с частотой 300 Гц (схе­ма ТПН на рис. 2.4 имеет пульсность р = 6) и, если быть точным, статический режим представляет собой квазистатический, или установившийся динамический, режим.

Однако, как показано в [6], пульсирующая составляющая мо­мента практически не оказывает влияния на колебания скорости и динамику электропривода и достаточно учитывать только глад­кую составляющую момента, создаваемую основной гармоникой, т. е. средний момент двигателя на расчетном интервале Мср, кото­рый равен Мс. Высшие гармоники увеличивают потери в асинх­ронном двигателе, возрастание которых оценивается введением в расчетные формулы потерь коэффициентов кпХ и кп2.

Для точного анализа установившихся режимов нельзя пользо­ваться однофазной схемой замещения асинхронного двигателя для определения значения 1-й гармоники, удельного веса высших гар­моник и коэффициента мощности асинхронного электропривода. Расчет указанных и других показателей может быть точно выпол­нен при использовании дифференциальных уравнений асинхрон­ной машины (1.3) с учетом алгоритма переключения тиристоров при со = const и а = const.

При регулировании Ux за счет ТПН потери в элементах асин­хронного двигателя с короткозамкнутым ротором при работе в установившемся режиме определяются следующим образом [6]:

НОМ

(2.19)

В формулах (2.19) вместо скорости используется скольжение двигателя S = (со0 - со)/со0, что более целесообразно.

Значение км, определяемое из уравнения (2.5), может быть точно рассчитано только с применением ЭВМ при использова­нии математического описания асинхронной машины по уравне­ниям (1.3) и (1.4) с учетом алгоритма переключения тиристо­ров. На рис. 2.5 приведена зависимость км = f(M) для двигателя МТ012-6 с закороченным ротором при относительной скорости со — 0,6соном.

При рассматриваемом способе управления работа асинхрон­ного двигателя на регулировочных характеристиках при уменьше­нии развиваемого момента (возрастании угла а) сопряжена со значительным снижением коэффициента мощности, так как с ростом а увеличивается фазовый сдвиг 1-й гармоники тока ф, и уменьшается cos фь входящий в формулу (2.5), но возрастает удель­ный вес высших гармоник тока, что приводит к снижению км. Этот факт и показан на рис. 2.5. При со = 0,6соном в диапазоне изме­нения момента от 0 до Мном асинхронный двигатель работает в зоне прерывистых токов.

При определении КПД электропривода в системах ТПН—АД можно не учитывать механические и дополнительные потери и потери в стали ротора ввиду их малости по сравнению с другими составляющими потерь. Тогда формула для определения КПД при­обретает следующий вид:

Мс со

11' Мси, + АРы+АР2„+АР1с' (2-20)

При расчете ті по формуле (2.20) с использованием уравнений

(2.19) необходимо подставить в (2.19) значения S, соответству­ющие выбранной скорости.

2 Ьраслапский

На рис. 2.6 приведена зависимость КПД от скорости двигателя при управлении от ТПН для MTF111-6 с закороченным ротором. При расчете зависимости принято, что кп] = кп2 = к^ = 1,1; А = 0,861; В = 0,97.

Энергия потерь в установившихся режимах может быть опре­делена с использованием формул (2.19) путем умножения мощ­ности потерь ДРім, АР2ш АЛ с (при выбранной скорости со и соот­ветствующем ей скольжении S) на время работы с установив­шейся скоростью /у.

Особенностью использования асинхронных короткозамкнутых двигателей в системах ТПН—АД является то, что относительные потери в роторе превышают относительные потери в остальных элементах машины [6]. Поэтому установленная мощность асинх­ронного двигателя (РНом) должна быть выбрана таким образом, чтобы во всем диапазоне регулируемых (пониженных) скоростей мощность потерь в роторе АР2м была меньше номинальной мощ­ности потерь Д/гм. ном - Тогда для обеспечения нормального тепло­вого режима двигателя необходимо, чтобы выполнялось следу­ющее условие:

ДР2м < ДР2м. ном, (2.21)

из которого следует, что допустимый по нагреву относительный

момент двигателя Мдоп, = Мдоп/Мном при продолжительном режи­ме работы должен быть:

МдОП* = Маоп/Мном < SH0M/kl2S. (2.22)

Для иллюстрации степени снижения Мдоп* при регулировании скорости (скольжения) в табл. 2.1 приведены значения Мтп* при изменении скорости двигателя ОТ С0ном ДО 0 (скольжения от 5ном до 1). При расчетах принято значение к2 = 1,1; -5'ном= 0,04.

Из уравнения (2.22) и табл. 2.1 следует, что длительное регули­рование скорости асинхронного электропривода в системе ТПН — АД при Мс = const практически невозможно, так как с возраста­нием скольжения (при снижении скорости) по сравнению с но-

минальными многократно возрастают потери в статоре и в роторе. В этом случае для обеспечения работы короткозамкнутого асин­хронного двигателя без перегрева необходимо увеличение в не­сколько раз, а иногда и на порядок, номинальной мощности дви­гателя по сравнению с максимальной мощностью статической нагрузки [6]. С учетом ухудшения теплоотдачи самовентилируемых электроприводов при снижении скорости зависимость Мдоп* = f(S) будет еще менее благоприятной.

Зависимости ки = f(M) и г = /(со) (см. рис. 2.5, 2.6) также подтверждают низкую энергетическую эффективность регулиру­емых электроприводов по системе ТПН—АД, работа которых свя­тна с повышенным расходом электроэнергии и низким КПД.

Однако существует ряд производственных задач, для реше­ния которых по технологическим требованиям целесообразно применение систем ТПН—АД. В этих случаях их использование позволяет одновременно снижать потребление электроэнергии, выполняя функцию энергосбережения [6]. Варианты целесообраз­ного применения систем ТПН—АД для управления асинхрон­ным электроприводом в целях энергосбережения будут рассмот­рены в гл. 3.

Точный расчет пускотормозных режимов и определение по­терь энергии в переходных процессах в системах ТПН—АД нельзя выполнять по статическим зависимостям, так как электромагнит­ные переходные процессы вносят существенные коррективы в динамические характеристики асинхронных электроприводов и илияют на энергопотребление. Однако при использовании замк­нутых по скорости САУ, когда обеспечивается равномерно уско­ренное движение при разгоне электропривода и двигатель работа­ет при £/j < £/1ном, что ослабляет влияние электромагнитных пе­реходных процессов, можно для предварительных расчетов и с рп мнительного анализа с другими типами регулируемых элект­роприводов определять потери энергии с использованием фор­мул (2.19) для расчета мощности потерь в отдельных элементах машины.

В этом случае, учитывая формулы (2.15) и (2.16), можно при­нять момент двигателя в переходном режиме постоянным и по­мучить выражения для энергии потерь при работе асинхронной

машины в двигательном режиме при реализации пускотормозных процессов в диапазоне изменения скорости от to = 0 до to = соу:

coo - (oy

; Л/* — относительное значение момента двигателя

со0

в переходном режиме, М* = М/Мном (как было сказано выше, принимается, что значение М* = const).

Значение Мзависит от требуемого динамического момента Мтн, вида момента статической нагрузки (активный или реактивный) и определяется из тех же соображений, которые изложены в под­разд. 2.2.

Общие потери энергии в двигателе в переходном режиме, реали­зуемом в системе ТПН—АД, определяются как сумма составля­ющих потерь, вычисленных по формулам (2.23):

+ А^іс.

Уточненный расчет переходных процессов и динамических меха­нических характеристик асинхронного двигателя особенно в разомк­нутых системах должен осуществляться с использованием системы дифференциальных уравнений асинхронной машины при перемен­ной скорости вращения, алгоритма переключения тиристоров ТПН и временного закона изменения угла открытия вентилей а = /(/).

Математические модели систем ТПН—АД достаточно полно отработаны с применением аналоговых устройств [40, 70] и на основе ЦВМ с использованием методов численного решения не­линейных дифференциальных уравнений [50, 79]. Такие модели, в частности с цифровым имитационным моделированием, будут использованы при анализе возможностей направленного форми­рования пускотормозных режимов для получения желаемых дина­мических характеристик, при исследовании прямого пуска — при подключении асинхронного двигателя к номинальному напряже­нию сети, для оценки влияния Мс и / на вид динамических харак­теристик, для изучения возможностей энергосбережения в пуско­тормозных режимах при их направленном формировании по срав­нению с прямым пуском, в частности при временном законе фор­мирования C/j в переходных процессах.