ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИЙ АСИНХРОННЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД

Плавный пуск в системах ТПН—АД

Общеизвестно, что из-за электромагнитных переходных про­цессов динамические механические и скоростные характеристи­ки АД существенно отличаются от статических и зависят от пара­метров асинхронного электропривода (значений активных и ин­дуктивных сопротивлений, Мс, /и т. д.), начальных условий, вида и закона изменения во времени приложенного к статору питаю­щего напряжения [6, 40, 70, 71], в связи с чем теоретически мо­жет существовать бесконечное множество динамических механи­ческих и электромеханических характеристик.

Прямой пуск двигателя, когда к двигателю сразу прикладыва­ется полное, или номинальное, напряжение питающей сети, ха­рактеризуется значительными ударными, или динамическими, мо­ментами в начальной стадии переходного процесса, которые су­щественно превышают критический момент статической характе­ристики; обычно этот момент является знакопеременным, при­нимая на отдельных участках отрицательные значения. Эти факто­ры отрицательно влияют на механическую часть электропривода, приводя к возникновению ударов в кинематической передаче, осо­бенно при наличии люфтов и зазоров, существенных динамиче­ских моментов в технологических системах, например в системах транспортировки жидкости, что приводит к возникновению ава­рийных ситуаций, снижает надежность и срок службы производ­ственных агрегатов.

Для иллюстрации изложенного выше на рис. 3.44 приведены динамическая механическая характеристика 1 и динамическая

скоростная характеристика 2 для тока статора при прямом пуске АД типа 4А132М6, а на рис. 3.45 — графики изменения во време­ни переходного момента М, тока статора Jx и скорости со при прямом пуске того же двигателя.

Естественно, что столь неблагоприятные характеристики, соот­ветствующие прямому пуску асинхронных двигателей, обусловили поиск решений по реализации управляемого пуска, которые, как показали исследования, наилучшим образом осуществляются при использовании тиристорных преобразователей напряжения. В этом случае за счет изменения во времени угла открытия вентилей от некоторого максимального значения до значения а=ф 1-я гармони­ка напряжения, приложенного к статору, изменяется от некоторого начального значения (в пределе £/,нач = 0) до значения Ux = UlHOм.

5 Брасланский

При таком подходе к управлению пуском вид динамических ха­рактеристик (при прочих равных условиях) зависит от времени регулирования напряжения /рег, в течение которого и происходит изменение статорного напряжения от значения і/1нач до UH0U. Как показано в [7, 70], для ограничения ударных моментов на началь­ном участке пуска до уровня Мк на статической характеристике достаточно обеспечить незначительное время регулирования /рег, составляющее 0,02...0,06 с.

На рис. 3.46 приведены динамическая механическая характеристи­ка 7 и динамическая скоростная характеристика 2 тока статора при управляемом пуске АД типа 4А132М6 при времени регулирова­ния /рег, равном 0,05 с, а на рис. 3.47 для тех же условий приведены временные графики изменения момента М, тока статора 1 и скоро­сти со. Сравнение графиков на рис. 3.44 и 3.46, а также на рис. 3.45 и 3.47 подтверждает возможность существенного ограничения удар­ных моментов и исключения отрицательных пиков момента при осуществлении управляемого пуска АД с использованием ТПН.

В связи с этим разными производителями освоен серийный выпуск устройств плавного пуска (системы Soft-Start) на основе ТПН. В настоящее время такие системы находят широкое про­мышленное применение для ограничения динамических момен­тов АД в переходных режимах, ликвидации ударов в технологи­ческой системе, ограничения ускорений и рывков до требуемых значений и т. д. К механизмам, для которых целесообразно ис­пользовать устройства плавного пуска, относятся насосы и венти­ляторы, конвейеры и транспортеры, рельсовый транспорт, лиф­ты и др. Проанализируем, как изменяются потери энергии в асин-

хронном двигателе при управляемом пуске A Wy n по сравнению с потерями энергии при прямом пуске A Wn n [14]. Для упрощения расчетов при определении A Wyn и A Wn n будем рассматривать глав­ные составляющие потерь энергии, а именно потери энергии в меди обмоток статора и ротора.

Прежде чем перейти к количественным оценкам при сравне­нии AWyn и AWun, рассмотрим факторы, влияющие на вид элек­тромагнитных переходных процессов, время затухания свободных составляющих моментов и токов.

Известно [32, 71], что коэффициенты затухания, определя­ющие продолжительность электромагнитных переходных процес­сов, зависят от скорости и имеют минимальное значение в зоне низких скоростей, что приводит к увеличению длительности пере­ходных процессов в этом диапазоне скоростей. Максимумы удар­ных значений моментов и токов связаны с амплитудным значени­ем переменного напряжения Uu, приложенного к статору двига­теля, уменьшаясь при снижении i/la. По этим причинам возраста­ние статического и суммарного моментов инерции приводит к более длительному пребыванию электропривода в зоне низкой скорости и, следовательно, к наибольшему проявлению электро­магнитных переходных процессов, увеличивая число колебаний момента при пуске. С другой стороны, слишком большое время регулирования напряжения статора в переходном процессе приво­дит к затянутому пуску, возрастанию времени пребывания электро­привода в зоне больших скольжений (малых скоростей) и увели­чению потерь в меди ротора и статора АД, которые пропорцио­нальны скольжению. Взаимодействие этих факторов, не всегда од­нозначно влияющих на переходный процесс и уровень энерго­потребления, определяет потери энергии при управляемом пуске и их отличие от потерь энергии при прямом пуске.

Для иллюстрации на рис. 3.48 приведены потери энергии при прямом и управляемом пусках для АД типа 4А225М4, Рном = 55 кВт. Значение времени пуска tn определялось, как время первого согла­сования скорости АД с установившейся скоростью. За время /рег напряжение t/j изменялось от 0 до UXnou. Расчет токов проведен на основании полной модели АД с учетом эффектов вытеснения тока ротора и насыщения главной магнитной цепи.

На рис. 3.48 четко виден минимум потерь энергии, вызванный снижением колебательности процессов. Уже при /рег = 0,02...0,04 с потери энергии AWy n снижаются на 15 % по сравнению с потеря­ми энергии при прямом пуске ДЖП П. В дальнейшем общие элект­рические потери возрастают за счет увеличения времени нахож­дения двигателя на пониженной скорости. При большем моменте сопротивления нарастание потерь происходит быстрее.

Как показывают расчеты, влияние момента инерции проявля­ется иначе. Увеличение момента инерции способствует ослабле­нию колебаний и уменьшению потерь, обусловленных колебани­ями тока статора. При этом в случае быстрого темпа изменения напряжения, когда полное напряжение достигается еще на пони­женной скорости, потери энергии AJVyjl, обусловленные сколь­жением, практически не меняются по сравнению с потерями энер­гии при прямом пуске A Wn n.

Данное явление удобнее проследить на нескольких АД разной мощности. На рис. 3.49 показаны графики пусковых потерь энер­гии, рассчитанные для АД разных типов.

Как видно на рис. 3.49, потери энергии практически не уменьша­ются для двигателей небольшой мощности, которые разгоняются достаточно быстро, поэтому увеличение темпа задатчика напряже­ния задерживает разгон машины в большей степени и увеличива­ет потери, связанные с возрастанием продолжительности пребыва­ния в зоне больших скольжений. Более мощные двигатели разгоня-

ются медленнее, и увеличение темпа задатчика напряжения не приво­дит к значительному увеличению продолжительности пуска и воз­растанию потерь энергии, обусловленных большим скольжением.

Таким образом, использование ТПН с точки зрения энерго­сбережения дает больший как абсолютный, так и относительный эффект для более мощных машин при условии правильного вы­бора протяженности нарастания напряжения.

В большей степени эффект уменьшения пусковых потерь энергии проявляется при пониженном моменте сопротивления (см. рис. 3.48). В связи с этим интерес представляет рассмотрение влияния вен­тиляторной нагрузки. Действительно, на пониженной скорости момент сопротивления вентилятора близок к нулевому значению. С другой стороны, задатчик напряжения уменьшает динамиче­ские потери в самом начале пуска, поэтому эффект уменьшения потерь энергии должен проявиться максимально. Это хорошо ил­люстрируют графики пусковых потерь энергии при вентилятор­ном моменте статической нагрузки для разных типов АД, приве­денные на рис. 3.50. Эффект уменьшения потерь энергии проявля­ется в этом случае за счет расширения зоны, в которой потери энергии меньше пусковых, однако точка минимума потерь энер­гии практически не меняется.

Таким образом, анализ возможностей снижения энергопотреб­ления при осуществлении управляемого, или плавного, пуска АД позволяет сделать следующие выводы:

• использование ТПН для пуска АД снижает пусковые потери на 10... 15 % при условии выбора оптимальной продолжительно­сти нарастания напряжения;

• рациональная продолжительность нарастания напряжения со­ставляет 0,02...0,04 с, что соответствует одному-двум периодам напряжения питающей сети;

• эффект от оптимизации более ощутим в двигателях средней и большой мощности;

• наибольший выигрыш в энергопотреблении достигается при Мс = 0, что характерно для механизмов с вентиляторным момен­том нагрузки;

• при увеличении продолжительности нарастания напряжения пусковые потери энергии увеличиваются и могут превысить поте­ри при прямом пуске.

Несмотря на относительно незначительное снижение потерь энергии при управляемом пуске этот выигрыш достигается прак­тически «бесплатно», так как использование ТПН для реализа­ции плавного пуска диктуется технологическими требованиями, обеспечивая одновременно и снижение потерь энергии при пус­ке асинхронного двигателя. Таким образом, еще раз подтвержда­ется сформулированное выше положение о том, что примене­ние полупроводниковых преобразователей для управления ре­жимами АД, обеспечивая удовлетворение технологических тре­бований, позволяет одновременно решать и задачу энергосбере­жения.