ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИЙ АСИНХРОННЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД

ОСНОВНЫЕ ТИПЫ РЕГУЛИРУЕМЫХ АСИНХРОННЫХ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ И ИХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ

2.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

В настоящее время основным типом регулируемого электро­привода, энергосберегающим возможностям которого и будет уде­лено основное внимание в этой главе, является частотно-регули­руемый асинхронный электропривод—система «полупроводнико­вый преобразователь частоты—асинхронный двигатель» (ППЧ— АД). Однако наряду с этим электроприводом в некоторых случаях для решения отдельных производственных задач и энергосбере­жения находит применение система «тиристорный преобразова­тель напряжения—асинхронный двигатель» (ТПН—АД), обеспе­чивающая регулирование напряжения первой гармоники напря­жения, подводимого к статору.

В эксплуатации также находятся электроприводы на основе асин­хронных двигателей с фазовым ротором, регулируемые за счет изменения добавочных сопротивлений в роторных цепях, так на­зываемые системы реостатного регулирования — «устройство реостатного регулирования — асинхронный двигатель с фазовым ротором» (УРР—АДФР). Особенно много таких электроприводов входит в состав подъемно-транспортных механизмов.

Для количественной оценки выигрыша в энергопотреблении при замене, например, электропривода с фазным ротором систе­мой ППЧ—АД необходимо располагать энергетическими показа­телями всех систем регулируемых асинхронных электроприводов: УРР—АДФР, ТПН—АД, ППЧ—АД.

Для оценки энергетической эффективности работы различных типов регулируемых асинхронных электроприводов целесообраз­но ввести и проанализировать обобщенные энергетические показа­тели для установившихся и переходных режимов электропривода.

Для статических режимов в качестве основных энергетических показателей могут быть использованы коэффициент полезного действия г|, являющийся мерой экономичности преобразования электрической энергии в механическую, и коэффициент мощно­сти км, который является мерой экономичности потребления электроэнергии из сети и используется вместо понятия coscp в
цепях с несинусоидальными токами, что характерно для электро­приводов, управляемых от вентильных преобразователей. При ана­лизе процессов по основной гармонике (гладкой составляющей) без учета высших гармоник можно, как и в традиционном рас­смотрении, использовать понятие cos (р.

Рассмотрим общие выражения для определения ті и км, кото­рые будут конкретизированы при анализе различных типов элек­троприводов.

Используя методы определения активной Р, реактивной Q и полной S мощностей в трехфазных цепях переменного тока при управлении от вентильных преобразователей [37], получим выра­жения для отыскания ц и км при синусоидальном напряжении питающей сети. Выражение для кы выглядит следующим образом:

Р

S yjP2 + Q2 + Т2 +Н2 ’

где Р и S — активная и полная мощности, потребляемые от сети переменного тока трехфазной нагрузкой; Q — реактивная мощ­ность, или мощность сдвига трехфазной нагрузки, обусловленная сдвигом по фазе основной гармоники тока нагрузки относитель­но синусоидального напряжения питающей сети; Т — мощность искажения, обусловленная наличием в составе несинусоидально­го периодического тока, кроме основной, высших гармоник; Н— мощность несимметрии, учитывающая дополнительные потери энергии, связанные с неравномерной загрузкой фаз трехфазной нагрузки. Большинство применяемых для управления асинхрон­ным двигателем преобразователей обеспечивают симметричную, равномерную загрузку фаз двигателя, поэтому Я = 0.

Значения мощностей 5иРв установившемся режиме записы­ваются в следующем виде [37]:

Тогда

где Un — номинальное действующее линейное напряжение трехфаз­ной сети; 1А, 1{В, 1с — действующие значения токов фазы соот­ветственно А, В, С статора; 1ыи /151, /]С1 — действующие значе­ния первой гармоники токов фаз А, В, С статора; <ры, ф15, фіС — фазный сдвиг первой гармоники статорного тока фаз А, В, С по отношению к напряжению фазы А, В, С питающей сети; Рмех — механическая мощность на валу асинхронного двигателя, Рмех = = Мссо.

Статорные токи отдельных фаз двигателя, как правило, сим­метричны. В этом случае ІІА = ІЇВ= /1С= фм = ф, д = ф, с = ф,; 1Ш = = /151 = /1С1 = /1Ь где /, — действующий ток фазы статора; 1п — действующий ток первой гармоники фазы статора. Тогда

км = їу - СОБф! = ки СОБфь 1

Мг со

Л =

СОБф!

где кп=^у- — коэффициент искажения.

1

Для оценки нагрева обмоток двигателя высшими гармониками и определения возрастания потерь при полигармонических токах по сравнению с синусоидальными введем коэффициенты пере­грузки по токам статора кп[ и ротора кп2. При симметричных ре­жимах значения кп для отдельных фаз статора и ротора одина­ковы:

*пі=/і//.і; (2 7)

Kl-hlhx,

где /2 — действующий ток фазы ротора; /21 — действующее значе­ние первой (основной) гармоники тока ротора.

В качестве показателя экономичности работы электропривода в переходных режимах используем значение энергии потерь за время переходного процесса ДЖПП. Очевидно, в общем случае

Д W„,n = "/ Д Pmdt, (2.8)

О

где ґп п — время переходного процесса; АРт — суммарная мощ­ность потерь в двигателе:

Д^дв = ДЛм + Д^2м + АЛс + + &Рцоп + АРмех? (2.9)

где ДЛм, А^2м — потери в меди соответственно статора, ротора асинхронного двигателя (для асинхронных двигателей с фазовым ротором вместо ДР2м используется величина АР2ms — полные по­тери в роторной цепи двигателя); АР1с, АР2с ~~ потери в стали соответственно статора, ротора; ДРдоп — дополнительные потери; ДЛіех — механические потери.

В зависимости от типа анализируемого асинхронного электро­привода отдельные составляющие потерь в формуле (2.9) могут быть незначительными в общем балансе потерь (ДРдв) и их можно не учитывать при определении ДЖП П. В ряде случаев потери в по­лупроводниковом преобразователе ДРпр, от которого питается асин­хронный двигатель, могут оказаться существенными и потребует­ся их учет при определении ДЖп. п, т. е.

где АРпр — потери в преобразователе; АРЭП — потери в электро­приводе, АРЭП = АРав + ДРпр.

Эти вопросы будут конкретизированы при рассмотрении раз­ных типов электроприводов.

Еще один аспект, требующий рассмотрения, — это особенно­сти математического описания и модели полупроводниковых пре­образователей, которые используются для регулирования асинх­ронного двигателя, и систем управления ими. Точную картину процессов в асинхронном электроприводе (гармонический состав питающих двигатель токов, оценку энергетических показателей, учет влияния полупроводниковых электроприводов на питающую сеть и др.) можно получить, анализируя совместную работу систе­мы «преобразователь — двигатель» с использованием взаимосвя­занного математического описания указанных элементов системы. Особенности моделирования и описания различных систем «пре­образователь — асинхронный двигатель» с учетом систем уп­равления будут рассмотрены далее.