ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИЙ АСИНХРОННЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД

Оптимизация потерь и КПД в системах ТПН — АД при изменении параметров установившегося режима

Электроприводы большинства производственных механизмов имеют завышенную мощность, превышающую в 2 — 3 раза необ­ходимую. Кроме того, электроприводы некоторых механизмов (прессов, кузнечного оборудования, станков, металлургических агрегатов и др.) по технологическим особенностям часть времени работают с недогрузкой.

Указанные особенности позволяют снизить энергопотребление недогруженного АД при работе в зоне номинальной скорости [7, 8, 26, 73], обеспечив его работу за счет ТПН на регулировочной (£/j < UlH0M), а не на естественной (£/j = UlHOM) характеристике (где (U— действующее значение 1-й гармоники напряжения, при­ложенного к двигателю; UlH0M — действующее значение номиналь­ного напряжения сети). Этот ре­жим иллюстрирует рис. 3.1, где показаны естественная (/) и ре­гулировочная (2) характеристи­ки АД при управлении от ТПН;

Мном — номинальный момент двигателя; Мс — момент стати­ческой нагрузки; S2 — сколь­жение на естественной и регули­ровочной характеристиках при заданном Мс.

Электромагнитные потери в двигателе рассчитываются по фор­муле

АРэм = ДДм + ДДм + ДДс - (3.1)

Значения АЛм, АР2м и дЛс ПРИ работе на регулировочной ха­рактеристике в системе ТПН —АД определяются с помощью фор­мулы (2.10) при подстановке относительного значения статичес­кого момента Мс* = Мс/Мном. При работе АД на естественной ха­рактеристике [8] выражения для определения составляющих по­терь приобретают следующий вид:

ЛЛм = [Л + (1 - у4)Л/с2*]а/>1мном;

Д^2м = м*.ар2 мном; (3-2)

д/>|с = [г + (1-я)мс2.]д/>1с .ном •

Как следует из (3.2), при работе АД на естественной характе­ристике при изменении S от 0 до S = £ном потери ДРЭМ зависят только от статического момента. При работе на регулировочной характеристике (U< UH0U) АРэм =/(Мс», S), как следует из (2.10), что позволяет определить значение Som, доставляющее минимум функции АРэм =/(Мс*, S). Хотя в выражения для составляющих ДРЭМ (2.10) входят коэффициенты кпХ и кп2, связанные нелинейной зависимостью с £ и Mct, диапазон их изменения для структуры ТПН, состоящей из трех пар тиристоров, включенных встречно­параллельно, незначителен [6], что позволяет при определении 50ПТ принять их постоянными и равными друг другу

Расчеты показывают, что изменение к2 в диапазоне 1... 1,2 не оказывает существенного влияния на значение 50ПГ. Как следует из формулы (3.3), значение SonT не зависит от Мс„, что позволяет задавать АД и поддерживать соответствующую Som скорость при изменяющемся моменте нагрузки.

Очевидно, оптимизация энергопотребления наиболее просто реализуется при наличии в системе датчика скорости и создании с использованием силовой структуры ТПН—АД системы автома­тического регулирования скорости. Схема САР скорости системы ТПН—АД показана на рис. 3.2. В этом случае заданная скорость со3 = со0(1 - Som), т. е. электропривод будет работать в процессе ре­гулирования скорости при SonT, значение которого не будет изме­
няться, если в системе управления используется двукратно интегриру­ющая САР скорости.

Для разных типов асинхронных двигателей Som = (0,5... 0,9)5НОМ и оп­ределяется в основном коэффици­ентом А, т. е. значением тока холос­того хода, поэтому значения 6^, приближающиеся к SHOM, имеют двигатели краново-металлургичес­ких серий, отличающиеся повы­шенным воздушным зазором и то­ком /0. Двигатель может работать с оптимальным скольжением, если мс* < ^опт/^нсщ - В этом случае не­сколько снижается скорость по сравнению с работой на естествен­ной характеристике, уменьшаются потери в меди и стали статора и возрастают потери в меди ротора, однако их перераспределение таково, что электромагнитные по­тери при 50ПХ меньше, чем при Sy.

Различие в потерях АРЭЬЛ тем больше, чем меньше Мс, по срав­нению С отношением S0m/SH0M И больше А ~ (/оАном)2, поэтому наибольшее снижение потерь при работе в зоне максимальной скорости может быть обеспечено у двигателей краново-металлурги - ческих серий, имеющих большее значение момента Мс„ при кото­ром может быть достигнуто снижение энергопотребления, и уве­личенное значение А по сравнению с двигателями единых серий. Так, при работе в установившемся режиме с Mc, = 0,05 значение АРЭМ для двигателей краново-металлургических серий может быть снижено в 5 —8 раз, а для двигателей единой серии — в 3 —6 раз. Электромагнитный КПД двигателя

т,“=7-7д?-’ (14)

1 мех ~ эм

где Рмех = Мссоу — механическая мощность на валу АД; соу — уста­новившаяся скорость, соответствующая работе со скольжением

с с с

‘-'Ь ‘-'опт? ‘-'ном*

Значение КПД может возрасти соответственно в 2 —3 или 1,5 — 2 раза.

Для подтверждения этих выводов в табл. 3.1. приведены отдель­ные составляющие потерь, электромагнитные потери и г|эм дви­гателей разных типов при максимальной установившейся скоро­сти с различными значениями соу и соответствующими этой ско­рости скольжениями Sy. Помимо рассмотрения случаев, когда Sy = S

и Sy = £опт, определены потери и для случая, когда двигатель рабо­тает на регулировочных характеристиках при Sy = SH0M.

Значения потерь АР1м и АР2м, приведенные в табл. 3.1, вычислены для Som и SH0M с учетом коэффициентов кпі и кп2, зависящих при заданной скорости от отношения моментов двигателя на естествен­ной и регулировочной характеристиках [6]. Как видно из табл. 3.1 для двигателей краново-металлургических серий, когда. SoriT ~ £ном, значения потерь и КПД при /5^ и, УН0М довольно близки, что по­зволяет в ряде случаев осуществлять режимы с минимизацией потерь в машине, задавая и поддерживая в САР скорости со3 = соном

(Sy = ^ном).

Количество сэкономленной электроэнергии в рассматриваемом случае зависит от типа АД, его мощности, времени работы на скорости соу и момента статической нагрузки.

Так, если асинхронный двигатель MTKF012-6, имеющий ом = 2,2 кВт, обеспечивает, работая в повторно-кратковременном режиме, 60 включений в час при работе на установившейся ско­рости соу в течение ty = 30 с и работает в течение года 8000 ч (Т = = 8000 ч), то при работе на регулировочной характеристике со скольжением S2 = 50ПХ удастся сэкономить за год 280 кВт ч элект­роэнергии при Мс = 0,5Мном; 880 кВт-ч при Мс = 0,25Мном; 1530 кВт-ч при Мс = 0,05Мном по сравнению с работой АД на естествен­ной характеристике при Sx.

Снижение потерь может быть также обеспечено при работе нерегулируемого привода в продолжительном режиме при управ­лении механизмами непрерывного действия, например вентиля­торами, когда АД выбран со значительным запасом по мощности (коэффициент загрузки не превышает 0,3... 0,4). В этом случае ра­
бота при пониженном напряже­нии {U< t/іном) может быть реа­лизована в течение всего време­ни работы (8760 ч в год).

Использование датчика ско­рости не всегда целесообразно и возможно, так как вызывает дополнительные трудности при создании САР скорости по схе­ме, показанной на рис. 3.2. Лише­на этого недостатка схема асин­хронного электропривода с регу­лированием напряжения стато­ра двигателя в функции угла (рь показанная на рис. 3.3, так как энергоэффективный асин­хронный электропривод по­строен без применения датчика скорости [73]. В ней скольжение (скорость) измеряется косвен­но по углу сдвига ср, между пер­выми гармониками напряжения и тока статора, так как в зоне малых скольжений зависимость между углом фі и скольжением практически линейна.

Выходное напряжение ТПН (см. рис. 3.3) за счет изменения угла открытия вентилей регулируется системой управления (СУ), которая сравнивает заданное значение угла ф1з с фактическим его значением фь измеренным косвенным образом датчиком угла (ДУ). В качестве заданного значения ф,3 задается угол фь соответству­ющий скольжению SonT. Мгновенные значения напряжения и тока статора измеряются с помощью датчиков тока (ДТ) и напряже­ния (ДН). Так как на выходе ТПН присутствуют высшие гармони­ки [6], то за датчиками тока и напряжения устанавливаются филь­тры (Ф), выделяющие первые гармоники тока и напряжения.

Отметим, что экономия электроэнергии при применении си­стемы ТПН—АД не столь значительна, чтобы обеспечить быст­рую окупаемость ТПН, включенного в статорные цепи АД. Использование ТПН в большинстве случаев вызвано технологи­ческими требованиями производственных механизмов (транспор­теров, насосов, вентиляторов, лифтов, конвейеров и др.), требу­ющих плавного пуска и ограничения ударных моментов, ускоре­ний и рывков, возникающих при прямом подключении асинх­ронных двигателей к номинальному напряжению сети (подробнее в подразд. 3.3.3). Поэтому ТПН, используемые по условиям техно­логии, позволяют одновременно решать задачу снижения энерго­потребления практически без дополнительных затрат.