ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИЙ АСИНХРОННЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД

Системы ПЧ—АД

Рассмотренные в подразд. 3.1.3 характеристики частотно-регу­лируемого электропривода относились собственно к асинхронно­му двигателю. Для полноты оценки свойств системы ПЧ—АД как потребителя электрической энергии в установившемся режиме работы частотно-регулируемого электропривода рассмотрим по­требляемую из сети реактивную мощность. Для расчета реактив­ной мощности на входе ПЧ воспользуемся формулами сетевых характеристик (2.60), полученных в предположении отсутствия высших гармоник в кривых токов и напряжений преобразовате­ля, электрических потерь в вентилях выпрямителя и полупровод­никовых ключах автономного инвертора напряжения, а также потерь в стали реакторов. При этих допущениях реактивная мощ­ность на входе ПЧ определяется по формуле

18

Q = — "оэА>.вх42- (3.73)

п1

Формула (3.73) показывает, что реактивная мощность Q зави­сит от величины выходного тока выпрямителя /в и индуктивного сопротивления Хр вх = щэЬрвх коммутирующего реактора. Ток /в в процессе регулирования скорости и изменения момента нагрузки является переменной величиной. Это означает, что на потребле­ние Q влияет режим работы двигателя, точнее ток статора i{ и активная мощность Рь потребляемые от преобразователя частоты. Ток статора /ь мощность и ток /в связаны уравнением баланса мощностей (см. 2.61) преобразователя частоты, которое для опреде­ления тока инвертора преобразуется к биквадратному уравнению

Аі4в + ВіІ + С = 0, (3.74)

где коэффициенты А, В, С определяются из выражений:

На основании формулы (3.73) с учетом уравнения баланса мощ­ностей в преобразователе можно сделать следующие выводы. Ре­активная мощность на входе Q и реактивная мощность на выходе Qi преобразователя частоты не равны друг другу. Так как мощ­ность Q определяется при заданных параметрах реакторного обо­рудования преобразователя током статора и активной мощностью двигателя, то можно предположить, что при регулировании ско­рости вниз от основной скорости вращения АД реактивная мощ­ность на входе преобразователя будет уменьшаться, а при посто­янстве скорости двигателя с увеличением момента нагрузки на валу мощность Q будет возрастать. При этом входная реактивная мощность ПЧ отличается от его выходной мощности при любых знаках Qx и Рх. Мощность Q всегда является положительной, т. е. она потребляется от источника питания выпрямителем.

Ввиду незначительной величины реактивного сопротивления коммутирующего реактора потребление мощности Q при рабочих нагрузках достаточно мало. С уменьшением величины индуктивного сопротивления коммутирующего реактора потребление из сети ре­активной мощности уменьшается. При Lp вых —> 0 мощность Q —»0.

Практический интерес представляет оценка влияния закона частотного управления на потребление реактивной мощности Q. При выбранном режиме частотного управления двигателем проце­дура расчета сводится к следующей последовательности действий. Сначала рассчитывается ток статора и активная мощность двига­теля, соответствующие заданным значениям скорости и момента нагрузки двигателя. Для этого используется методика расчета харак­теристик АД. Затем полученные значения тока ix и мощности Рх подставляются в выражения для коэффициентов В и С биквадрат­ного уравнение (3.74), и из него определяется ток /в. Теперь, зная входной ток инвертора, можно по формуле (3.73) рассчитать по­требляемую преобразователем мощность Q. Для других значений скорости и момента процедура расчета повторяется. Для достовер­ности решения, оценки свойств и возможностей частотно-регу­лируемого асинхронного электропривода следует учитывать насы­щение АД по главному магнитному пути.

На рис. 3.36 и 3.37 приведены зависимости реактивной мощно­сти Q от электромагнитного момента при различных фиксирован­ных значениях угловой частоты напряжения статора. Расчеты выпол­нены для двигателя типа 4А132М6 в режимах пропорционального управления («і/сої = wlHOM/colHOM) и ПРИ постоянстве полного потоко­сцепления ротора (|/2 = V2ном)- При построении зависимостей исполь­зованы безразмерные величины: реактивная мощность отнесена к номинальной электромагнитной мощности (Q* = Q/P3M. U0M), мо-

1 -

0,5 -

0,5 1 1,5 2 Л/,

б

Рис. 3.36. Зависимости реактивной мощности (а) и коэффициента мощности (б) ПЧ двигателя типа 4А132М6 от момента М. в режиме управления и/(йі = W|ном/сО| ном

мент — к номинальному значению момента (М* = М/Мном) и угло­вая частота — к номинальному значению угловой частоты напря­жения (о))* = cO]/cd1hom) двигателя.

Как видно на рис. 3.36 и 3.37, при фиксированной частоте о,* с увеличением момента потребление реактивной мощности уве­личивается. После перехода критической точки механической ха­рактеристики, несмотря на резкое падение скорости двигателя, потребляемая из сети реактивная мощность в режиме управления Wj/cdj = и і ном/ ^ і ном также возрастает. При фиксированном значении момента с уменьшением частоты coj* потребление реактивной мощ­ности уменьшается. Таким образом, максимум реактивной мощ­ности на входе преобразователя в частотно-регулируемом асинх­ронном электроприводе при работе его на статически устойчивом участке механической характеристики приходится на точку с мак­симальными значениями скорости и момента.

Сравнивая потребление реактивной мощности Q при разных законах управления, отметим, что в области рабочих нагрузок, т. е. при А/* < 1, частотно-регулируемый асинхронный электропри­вод характеризуется достаточно малым потреблением реактивной мощности от источника питания. Для электропривода с двигателем
типа 4А132М6 в указанной области нагрузок она не превышает 2 % номинальной электромагнитной мощности. Сравнительная оценка режимов управления щ/щ = иЫоы/щном и |/у = ц/уном, где у = 0, 1,2, показывает, что графики функции Q*(M») при фиксированных частотах а)!* > 0,5 практически сливаются. Если сох* < 0,5, то пред­почтительнее оказываются режимы управления, обеспечивающие постоянство потокосцепления статора, главного потокосцепления, или потокосцепления ротора. Эти режимы управления являются также более эффективными при перегрузках двигателя.

Другим важным сетевым энергетическим показателем частот - но-регулируемого асинхронного электропривода является коэффи­циент мощности на входе преобразователя. В рамках принятых допу­щений коэффициент мощности по основным гармоническим состав­ляющим сетевого тока и напряжения

*м(1) = PS'1.

Активная и полная мощности электропривода определяются по формулам:

(3.76)

(3.77)

Из формул (3.75)...(3.77) следует, что при ZpBX = 0 полная и активная мощности равны. В этом случае потребление от сети реак­тивной мощности отсутствует и коэффициент МОЩНОСТИ £м(1) = 1. Однако на практике из-за наличия конечного индуктивного со­противления ^Гр ВХ коэффициент мощности £м(1) < 1. Коэффициент мощности &м(1) зависит от момента М и скорости со, а также ре­жима управления двигателем. На значение коэффициента мощно­сти оказывает влияние напряжение и источника питания преоб­разователя. Подставив формулы (3.76) и (3.77) в формулу (3.75), получим более удобное для расчетов выражение:

(3.78)

Из формулы (3.78) следует, что при заданном значении на­пряжения и источника питания и индуктивном сопротивлении ^р. вх ф коэффициент мощности /см(1) = 1 только при отсутствии потребления тока /в, а при /в ф 0 с увеличением напряжения и ток /в уменьшается и, следовательно, коэффициент мощности /см(1) увеличивается. Как видно из графиков на рис. 3.36 и 3.37, сетевой
коэффициент мощности в области рабочих нагрузок близок к еди­нице. При перегрузках, а также при малых значениях угловой ча­стоты напряжения статора предпочтительнее использовать режи­мы управления при постоянстве потокосцепления статора, глав­ного потокосцепления или потокосцепления ротора.

Отметим, что частотно-регулируемый асинхронный электро­привод как объект управления обладает экстремальными характе­ристиками по сетевым показателям. Это вытекает из анализа фор­мул сетевых характеристик электропривода. Действительно, при наличии экстремума тока /в* все они примут экстремальные зна­чения. На рис. 3.38 приведены зависимости токов /Вф и /ь от сколь­жения при фиксированных значениях скорости (со* = 0,5) и мо­мента (0,25 <М*< 1,25). Функция /В,(Р) имеет минимум (см. рис. 3.38, а). Анализ экстремального по току /в закона управления по­казывает, что оптимальное скольжение зависит как от момента, так и от скорости двигателя и в общем случае не совпадает при прочих равных условиях со значениями (3 в точках минимума фун­кций мощности потерь и тока статора. Однако режим минималь­ного тока /в, достаточно близок как к режиму минимального тока статора, так и к режиму управления по минимуму полных потерь двигателя. Для сравнения на рис. 3.38, б приведены зависимости тока статора от параметра абсолютного скольжения при разли­чных фиксированных значениях момента. Заметим, что закон оп­тимального управления по минимуму тока статора не зависит от

Рис. 3.38. Зависимости токов /в# (а) и /и (б) от скольжения при фиксиро­ванных значениях скорости и момента

Рис. 3.39. Зависимости реактивной Q„ (а) и активной Рф (б) мощностей от скольжения при фиксированных значениях скорости и момента

скорости двигателя и имеет более ярко выраженный экстремум. Как видно на рис. 3.38, в режиме минимума тока статора практи­чески обеспечивается минимум тока /„*.

При минимуме тока /в<! сетевой ток активная реактив­ная Q* и полная S* мощности, потребляемые преобразователем от источника питания, будут иметь минимальные значения, а коэф­фициент мощности &м(1) будет максимальным. На рис. 3.39 приведены зависимости реактивной Q* = Q/P3м ном и активной Р* = Р/Рэм, ном мощностей от скольжения при фиксированных значениях скоро­сти и момента. Как видно на рис. 3.39, функции Qt(Mt, со„, Р) и Р*(М^, (о„, р) имеют явно выраженный минимум при скольжении, соответствующем минимуму тока на входе инвертора.