ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИЙ АСИНХРОННЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ РЕГУЛИРУЕМЫХ АСИНХРОННЫХ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ И СИСТЕМ АВТОМАТИЗАЦИИ В ЭНЕРГОЕМКИХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССАХ

Известно, что главной энергосиловой основой современного производства является электропривод, с помощью которого по­ступающая электроэнергия преобразуется в механическую и до­ставляется к рабочему органу. Очевидно, энергоемкость техноло­гического процесса или производственного механизма зависит от особенностей его работы, способов управления потоком электро­энергии, подводимой к двигателю (электромеханическому преоб­разователю), рабочих характеристик производственного механиз­ма (тахограммы работы, зависимости требуемой мощности на от­дельных участках цикла работы, необходимости регулирования скорости, наличия участков с переменной, или изменяющейся, производительностью) и т. д.

Современные технологические процессы и механизмы требу­ют управления (регулирования) технологических параметров и протекают оптимально (по производственным требованиям и энер­гопотреблению), если в системе управления имеется возможность воздействия на процесс регулирования производительности, ин­тенсивности, показателей качества.

Приводной двигатель выбирается по мощности на максималь­ную производительность. При необходимости регулирования про­изводительности и технологи­ческих параметров используют­ся следующие способы управле­ния процессом:

1) при нерегулируемом элект­роприводе через механическую часть (дросселирование, задвиж­ки, клапаны и др.);

2) при регулируемом электро­приводе через систему управле­ния электроприводом, обеспе­чивающую требуемый вид пус­котормозных процессов и регу­лируемых по скорости режимов.

Рис. 1.3. Характеристики взаимодей - Взаимодействие приводной ствия привода и приводной системы машины (привода) и приводи­
мой системы можно представить с помощью характеристик, при­веденных на рис. 1.3, на котором буквой D отмечено семейство характеристик электропривода при разных скоростях вращения, Е — характеристики нагрузки приводимой системы. По оси х от­кладываются кинетическая энергия, скорость, расход. Интервал jc,... х2 характеризует производительность, которую можно обес­печить. По оси у откладывают значения потенциальной энергии, противодействующего момента, высоту напора и т. д., т. е. обычно это значение противодействующей нагрузки, которую приводу не­обходимо преодолеть. Точки пересечения приводной характери­стики (из семейства характеристик D) и характеристики нагрузки (из семейства характеристик Е) — это рабочие точки. Производи­тельность привода можно менять либо путем регулирования на­грузки, т. е. за счет механической части, когда при уменьшении производительности с Х до х2 приводимая система переходит из точки А в точку В, что приводит к возрастанию противодейству­ющего момента и, следовательно, к увеличению потребляемой мощности и энергии, либо путем регулирования скорости элект­ропривода, т. е. применением регулируемого электропривода, когда при уменьшении нагрузки с Х до х2 система переходит из точки А в точку С, что снижает противодействующий момент и, следова­тельно, уменьшает потребляемые мощность и энергию по срав­нению с регулированием нагрузкой.

Ясно, что использование регулируемого привода, в частности электропривода, в сочетании с системами технологической автома­тики позволяет более гибко, плавно, динамично и, главное, энерге­тически экономнее воздействовать на производственный процесс, поэтому в настоящее время преобладает и постоянно расширяет­ся тенденция передачи управления технологическим процессом от механической части системе автоматизированного регулиру­емого электропривода, что позволяет обеспечить наилучшие по­казатели качества производственного процесса и обеспечить зна­чительное снижение энергопотребления и других ресурсов.

Рассмотрим эту тенденцию на примерах, которые далее будут расширены и дополнены конкретными технико-экономическими показателями, подтверждающими обоснованность внедрения ре­гулируемых асинхронных электроприводов для управления мно­гими производственными механизмами.

Турбомеханизмы. Электроприводы механизмов этого класса (на­сосы, вентиляторы, компрессоры и др.) потребляют около 25 % всей вырабатываемой электроэнергии. До последнего времени в подавляющем большинстве случаев в качестве привода указанных механизмов использовался нерегулируемый асинхронный двига­тель, подключаемый напрямую к номинальному напряжению сети, а для регулирования расхода (подачи) применялось механическое управление через дроссель, заслонку, клапан и др. Применение частотно-регулируемого асинхронного электропривода позволяет решить ряд технологических задач (снизить или полностью лик­видировать гидравлические удары, обеспечить требуемый уровень напора в системе) и одновременно с помощью системы автома­тического управления (САУ) скоростью двигателя по поддержа­нию постоянства напора существенно снизить энергопотребление и расход ресурсов.

Лифты. Механизмы перемещения подавляющего большинства пассажирских лифтов, номинальная скорость которых составляет 0,7... 1 м/с, оборудуются двухскоростными короткозамкнутыми асинхронными двигателями. В начале перемещения (подъема или опускания) высокоскоростная обмотка асинхронного двигателя подключается контакторами к номинальному напряжению сети 380 В, что приводит к возникновению значительных знакопере­менных ударных моментов из-за электромагнитных переходных процессов в асинхронной машине. Чтобы в какой-то мере обеспе­чить требования по ограничению ускорений в период разгона, увеличивают в 8 —10 раз момент инерции электропривода по срав­нению с собственным моментом инерции двигателя, присоеди­няя для этого к лебедке высокоинерционный шкив, т. е. техно­логически задача решается за счет механической части электро­привода. Потери энергии в переходных процессах (при прямом пуске и торможении) линейно зависят от суммарного момента инерции и, следовательно, возрастают при его увеличении [32]. Задача ограничения производной ускорения, или «рывка», на начальном этапе переходного процесса не решается. При подхо­де к месту остановки асинхронный двигатель при незатухшем поле переключается на низкоскоростную обмотку, чтобы обеспе­чить режим пониженной скорости. Такое переключение сопро­вождается значительными ударными переходными моментами двигателя, что оказывает отрицательное влияние на механиче­скую часть электропривода лифта, снижая ее надежность и срок службы. Таким образом, существующая система управления лиф­том не удовлетворяет современным технологическим требовани­ям, а работа его электропривода связана с повышенным электро­потреблением.

При использовании для пассажирских лифтов системы «полу­проводниковый преобразователь частоты — односкоростной асин­хронный короткозамкнутый двигатель» необходимые технологи­ческие требования обеспечиваются системой управления электро­приводом. В этом случае происходит плавный пуск электроприво­да с ограничением ускорений и рывков, ликвидируются ударные моменты двигателя, исключается использование добавочного инер­ционного шкива, снижается момент инерции электропривода, так как его значение у односкоростного двигателя существенно мень­ше, чем у двухскоростного.

Кроме того, при использовании частотно-регулируемого элек­тропривода удается резко снизить энергопотребление за счет ис­пользования так называемого частотного пуска и уменьшения сум­марного момента инерции системы.

Подъемные краны. Большинство крановых механизмов (в част­ности, механизмы подъема) снабжено асинхронными двигателя­ми с фазным ротором. Процесс пуска осуществляется по характе­ристикам реостатного управления, когда из ротора дискретно выводятся ступени сопротивления. Во многих случаях торможение крана осуществляется за счет использования режима противовключе - ния двигателя. Частые переключения из двигательного в тормоз­ной режим при подходе к заданной точке останова механизма перемещения крана приводят к возникновению максимальных ударных моментов двигателя, ускоренному выходу его из строя и снижению времени безаварийной работы. Режим пониженной ско­рости обеспечивается введением в ротор сопротивлений, что свя­зано с возрастанием скольжения двигателя и увеличением элект­рических потерь [32]. Следовательно, применяемая система асин­хронного электропривода не решает технологических задач и при­водит к повышенному энергопотреблению.

Использование частотно-регулируемого асинхронного электро­привода с короткозамкнутым асинхронным двигателем позволяет существенно повысить надежность работы подъемного крана, уве­личить период его безаварийной работы и уменьшить электропот­ребление.

Приведенные примеры и также другие, описанные в разли­чных источниках, иллюстрируют общую тенденцию перехода в широких масштабах к регулируемому асинхронному электропри­воду, передачи функций управления технологическим процессом системе управления электроприводом в сочетании с технологи­ческой автоматикой, что приводит к удовлетворению возраста­ющих производственных требований при переходе к регулируе­мому электроприводу и снижению энергопотребления. Предвари­тельные расчеты показывают, что при широком внедрении час - тотно-регулируемых асинхронных электроприводов можно сэко­номить 7... 10 % вырабатываемой электроэнергии [81].