ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИЙ АСИНХРОННЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД

Плавный пуск в системах ПЧ — АД

Ранее мы отметили, что возросшая необходимость экономии энергии поставила задачу перехода к регулируемому полупровод­никовому электроприводу переменного тока. Асинхронный элек­тропривод с частотным регулированием скорости наряду с суще­ственной экономией электроэнергии в статических режимах ра­боты позволяет осуществлять плавный пуск и торможение. Необ­ходимость формирования плавно протекающих переходных про­цессов в асинхронных электроприводах обусловлена тем, что АД
с короткозамкнутым ротором при прямом пуске, т. е. при под­ключении обмотки статора непосредственно к источнику номи­нального напряжения, при частоте 50 Гц имеет не совсем удов­летворяющие требованиям характеристики.

Принципиальной особенностью прямого пуска АД с коротко - замкнутым ротором является возникновение больших электромаг­нитных моментов и токов. Большие броски электромагнитных моментов могут вызвать опасные динамические нагрузки на об­мотки электродвигателей и механические напряжения в элемен­тах кинематической цепи электропривода. Формирование плав­ных переходных процессов при пуске и торможении обеспечивает исключение больших динамических нагрузок, что увеличивает срок службы электродвигателей и элементов механического оборудо­вания. Кроме того, при большой мощности электропривода бла­годаря плавному пуску исключается воздействие пиковых элект­рических нагрузок на питающую сеть, что благоприятно сказыва­ется на других потребителях электрической энергии.

На рис. 3.51 приведены зависимости мгновенных значений элек­тромагнитного момента М*(/), угловой скорости со*(/) и тока ста­тора при прямом пуске АД типа 4А132М6, имеющего Рном = 7,5 кВт. При моделировании использовались уравнения (2.27) с учетом нелинейного характера кривой намагничивания по глав­ному магнитному пути. На рис. 3.51, а видно, что переходный процесс по моменту M,(t) носит колебательный характер. Значе­ние первого ударного момента составляет 2,75Мном при токе ста­тора 5,5/1ном. По мере разгона двигателя колебания момента и тока

затухают, а угловая скорость ротора со» приближается к устано­вившемуся значению.

Цифровое моделирование переходных процессов позволяет оценить энергетические показатели асинхронного двигателя при прямом пуске. Практический интерес представляют зависимости суммарных электрических потерь ДРдв. э*(0 и реактивной мощно­сти показанные на рис. 3.51, б. Потери ЛРдВ. э*(0 и мощ­

ность Q*(t) даны в относительных единицах, для которых базис­ной величиной является номинальное значение электромагнит­ной мощности двигателя. Большие токи статора и ротора в пере­ходном режиме вызывают потери и увеличенное потребление ре­активной мощности, в несколько раз превышающие их значения в номинальном режиме двигателя. Так, максимальные потери энер­гии в переходном процессе превышают номинальную электро­магнитную мощность двигателя в 4,8 раза, а максимальная реак­тивная мощность — почти в 6 раз.

Таким образом, прямой пуск АД сопровождается ударными моментами и токами в обмотках статора и ротора, значительно превышающими номинальные. Из-за этого потери энергии в дви­гателе и потребление им реактивной мощности при прямом пуске существенно возрастают.

Ударные моменты, пусковые токи, потери мощности и по­требление реактивной мощности могут быть снижены в разомк­нутых системах управления АД при плавном изменении частоты напряжения статора. При частотном способе управления наряду с другими факторами важную роль играет выбор закона частотного управления. Рассмотрим подробнее формирование плавного пус­ка и энергетику асинхронного электропривода при частотном спо­собе управления пуском. Задачей исследования поставим выявле­ние качественных особенностей переходных процессов и поведе­ния энергетических характеристик (электрических потерь в сило-

вой части и реактивной мощности на входе преобразователя час­тоты) при частотном пуске двигателя. При управлении переход­ными процессами частотно-регулируемого электропривода с ра­зомкнутой системой управления возникает необходимость выбора темпа изменения частоты со! для получения плавно протекающих переходных процессов и снижения энергетических затрат. В связи с этим представляет интерес исследование влияния продолжи­тельности изменения частоты со! на характер переходного процес­са и энергетические показатели электропривода.

На рис. 3.52 приведена схема разомкнутой системы управления частотно-регулируемого асинхронного электропривода при про­ведении вычислительного эксперимента. Объектом исследования является разомкнутая система управления электроприводом, в составе которой имеется задатчик интенсивности (ЗИ) и функ­циональный преобразователь (ФП). При ступенчатом сигнале на входе Wig задатчик интенсивности формирует линейно изменя­ющийся сигнал задания на угловую частоту сої. Функциональный преобразователь реализует зависимость и = /(сої). Сигналы зада­ния сої и и определяют частоту со, и амплитуду их основной гар­моники напряжения статора АД. На выходе системы установлен блок вычисления (БВ) электромагнитного момента, угловой ско­рости, тока статора, электрических потерь в силовой части и ре­активной мощности в относительных единицах.

Математическая модель силовой части электропривода описы­вается уравнениями (2.27)...(2.30). Для выполнения численных расчетов уравнения (2.27)...(2.29) приведены к системе коорди­нат, вращающейся с угловой скоростью результирующего векто­ра напряжения статора. Система координат ориентирована так, что выполняются условия: сок = сои1 = соь иХи = их, uXv= 0, где

и = УІиІи + uiv — модуль результирующего вектора напряжения. Уравнения (2.30) записаны в системе координат, вращающейся с угловой скоростью результирующего вектора тока (вектора ком­мутационной функции выпрямителя). При этом составляющие век­тора сетевого тока іи = і и iv= div/dt = 0, где і = - Jil + ul — модуль

вектора стока. В принятой системе координат выражения суммар­ных электрических потерь в силовой части привода и потребля­емой из сети реактивной мощности упрощаются и приобретают вид:

3 3

Д^эп. э = ~~ Мсо, Q — ~Uviu.

Для удобства сопоставления результатов расчета абсолютные значения переменных, полученные при решении уравнений мо­дели привода, пересчитываются к безразмерным величинам. Для

всех переменных, исключая угловую скорость ротора, за базис­ные единицы принимаются их значения в номинальном режиме работы АД. Для угловой скорости ротора базисной величиной яв­ляется скорость идеального холостого хода при номинальной ча­стоте напряжения статора.

Исследование процессов, происходящих при плавном пуске АД, Проводилось при линейном изменении ВО времени частоты (Oj = СОТ, которое обеспечивалось задатчиком интенсивности. Одновремен­но с изменением частоты регулировалось напряжение по закону их/щ = «іномЛ^іном* осуществлявшемуся с помощью ФП.

Результатами расчетов явились представленные на рис. 3.53 пе­реходные процессы плавного пуска АД с короткозамкнутым ро­тором при Мс = 0,5Мном и Гзи = 0,12 с, а также зависимости во времени электромагнитного момента М*(/), угловой скорости со*(/), тока статора электрических потерь в силовой части АРЭП э*(0 и реактивной мощности Q*{t).

На рис. 3.53 приведены переходные процессы при пуске АД с темпом задатчика интенсивности Тш = 0,12 с, что обеспечивает продолжительность переходного процесса по скорости, примерно равное продолжительности разгона при прямом пуске (см. рис. 3.51). Сопоставляя основные показатели переходных процессов при пря­мом и частотном пусках АД, можно отметить, что при частотном пуске величина ударного момента уменьшилась и его максималь­
ное значение составило 2,2Мном, ток статора снизился до величи­ны, равной 4/1ном, число ударных пиков сократилось в 2 раза, т. е. двигатель разгоняется плавно и выходит на установившуюся ско­рость с меньшим перерегулированием.

Частотный пуск сопровождается гораздо меньшими энергети­ческими затратами. Обратим внимание прежде всего на то, что снизились электрические потери в приводе. Максимальное значе­ние мгновенных потерь ДРэп. эЛО при частотном пуске уменьши­лось в 1,8 раза по сравнению с прямым пуском. Потери энергии при частотном пуске составили 1760 Дж вместо 3333 Дж при пря­мом пуске. Особенно показателен эффект от использования частот­ного пуска по реактивной мощности Q*, потребляемой приводом из сети. При частотном пуске максимальная величина реактивной мощности составляет 12,5QHom (см. рис. 3.53), что в 14,5 раза меньше величины реактивной мощности, потребляемой приводом при пря­мом пуске. Различен также характер протекания переходных про­цессов по реактивной мощности. При прямом пуске Q*{t) быстро нарастает на начальной стадии переходного процесса и начинает падать только к концу разгона двигателя. При частотном пуске, как видно из зависимости Q* (/) (см. рис. 3.53), потребление реак­тивной мощности нарастает медленнее и достигает максимума к середине переходного процесса.

Исследование влияния изменения темпа ЗИ показывает, что при увеличении параметра Тш максимальные значения электромагнит­ного момента Л/тах*, тока статора /ітах», сетевого тока /тах„, элект­рических потерь В приводе ДРэп. этах* и реаКТИВНОЙ МОЩНОСТИ 0тах* монотонно уменьшаются, приближаясь асимптотически к своим установившимся значениям. Результаты этого исследования отраже­ны на рис. 3.54 и соответствуют фиксированному значению статиче­ской нагрузки Мс* = 0,5 и сум­марному моменту инерции при­вода /= 2/дв. Характер поведе­ния зависимостей на рис. 3.54 го­ворит о целесообразности увели­чения параметра Тш для сниже­ния токов, электрических по­терь и реактивной мощности при частотном пуске, если вре­мя разгона привода не ограни­ченно. В этом случае, как видно на рис. 3.54, параметр Тш дол­жен превышать продолжитель­ность разгона АД при прямом пуске /п. п.

Особый интерес представля­ет зависимость электрических
потерь энергии AW3* от пара­метра Гзи (рис. 3.55), имеющая принципиально иной характер в исследуемом диапазоне изме­нения Тш. При Тш > /п п функ­ция А РК,*(ГЗИ) минимальна (см. рис. 3.55). Значение параметра Гзи, доставляющее минимальное зна­чение функции ДЖЭ*(ГЗИ), зави­сит от момента статической на­грузки Мс, и момента инерции привода /. График функции А^э*(7зи) соответствует Мс, = 0,5 и J — 2/дв.

При сравнительно большой продолжительности развертки ЗИ, превышающей примерно в 2 — 3 раза продолжительность прямо­го пуска, максимальное значение переходного момента не превышает значения, соответствующего номинальной перегрузочной способности. При этом колебания момента, вызываемые электромагнитными переходными процес­сами, практически отсутствуют, ротор достигает установившегося значения скорости почти одновременно с окончанием изменения частоты и на протяжении всего процесса разгона точно следует за изменением частоты, что соответствует мягкому режиму частотно­го пуска. На рис. 3.56 приведены характеристики режима мягкого частотного пуска АД с короткозамкнутым ротором при Мс* = 0,5 и Гзи = 5/п п = с, которое соответствует минимальному значению потерь энергии АЖэ* [см. график функции АЖЭ,(ГЗИ) на рис. 3.55].

На рис. 3.56 видно, что максимальное значение электромагнит­ного момента равно номинальному моменту двигателя Afmax* = 1. При разгоне пусковой момент практически постоянен. Реальная скорость отслеживает задание, поступающее с задатчика интен­сивности, с небольшими колебаниями и скоростной ошибкой и выходит на установившееся значение скорости за период, равный продолжительности развертки Гзи. Пик тока статора снижен до значения 1,38/1ном и большую часть продолжительности разгона остается практически постоянным. Сетевой ток, сохраняя некото­рые колебания, возрастает, достигая максимального значения только к завершению разгона двигателя. Потери энергии и реак­тивная мощность в этом режиме меньше по сравнению с частот­ным пуском при Тзн = 0,12 с, максимальное значение электри­ческих потерь уменьшается в 10 раз, а потребление реактивной мощности снижается в 31 раз. Сравнение интегральных характе­ристик показывает значительный выигрыш при использовании

режима мягкого пуска: при оптимальном параметре Тш = 0,6 с потери энергии за время пуска составляют 625 Дж, что в 2,8 ра­за меньше потерь энергии при частотном пуске с параметром Тш = 0,12 с.

По мере уменьшения продолжительности Гзи, начиная с Тш = = /п п, наблюдается возрастание бросков электромагнитного момен­та и значительное увеличение колебаний электромагнитного мо­мента на начальном участке пуска, где угловая скорость ротора еще сравнительно невелика. При этом колебания возрастают по длительности, амплитуде и при малых статических нагрузках появ­ляются отрицательные выбросы момента. Колебания момента особенно сильно проявляются в случае пуска под нагрузкой. Следо­вательно, с энергетической точки зрения уменьшение продолжи­тельности Тш приводит к снижению положительного эффекта.

Таким образом, простейшие системы управления АД позволя­ют путем подбора параметра Тш воздействовать на показатели качества переходных процессов электромеханических и электри­ческих координат, а также на энергетические показатели элект­ропривода. Однако в разомкнутых системах проявляется влияние свободных электромагнитных колебаний, что не всегда удовлет­воряет требованиям технологических процессов. Кроме того, с то­чки зрения оптимизации энергетических показателей электропри­вода в режиме пропорционального управления АД нельзя добить­ся нужного эффекта в условиях изменения момента нагрузки и при изменяющемся моменте инерции или других параметров двига­теля. Заметим также, что оптимальное значение параметра Тш не отвечает решению задачи оптимального управления по минимуму электрических потерь энергии, а является лишь некоторым ее приближением. Более полно осуществить заложенные в способ частотного управления АД возможности удается только в замкну­тых системах автоматического управления, построенных с привлече­нием методов математической теории оптимального управления и методов синтеза многосвязных систем подчиненного регулиро­вания. Рассмотрим некоторые подходы к этой важной проблеме.