ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИЙ АСИНХРОННЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД

Системы ТПН—АД

Системы ТПН—АД, обеспечивая плавный пуск асинхронных двигателей (системы Soft-Start), могут применяться и для сниже­ния энергопотребления при работе недогруженного двигателя в зоне номинальной скорости. В этом случае за счет увеличения угла открытия вентилей, входящих в ТПН, снижается первая гармо­ника напряжения и асинхронный двигатель при заданном момен­те статической нагрузки, питаясь прерывистым током, работает на регулировочной характеристике при скорости несколько мень­шей, чем на естественной характеристике.

Такой режим приводит к уменьшению суммарных потерь в АД и потребляемой активной мощности [11].

Расчет баланса мощности электропривода проводится на основе анализа мгновенных значений токов и напряжений статора, полу­ченных из решения уравнений полной модели системы ТПН—АД, а также предполагается, что симметричный двигатель питается от сети бесконечной мощности и падение напряжения на тиристо­рах не учитывается. Расчет активной мощности, потребляемой электроприводом Р, которая при указанных допущениях равна активной мощности двигателя Рх, производится по формуле

(3.68)

где Т — период напряжения статора, Т = 2л:; щ — мгновенное значение фазного напряжения статора; ix — мгновенное значение фазного тока статора.

Определим полную мощность, потребляемую двигателем S и электроприводом в целом S, по следующим формулам:

(3.70)

где ис — мгновенное значение фазного напряжения сети; С/j — действующее значение фазного напряжения статора; /, — дей­
ствующее значение фазного тока статора; UH0U — номинальное значение фазного напряжения сети.

Теперь можно рассчитать реактивную мощность, потребляемую двигателем Qx и системой электропривода Q:

(3.71)

Q = IS2 - Р1.

Обратим внимание, что мощность, вычисленная по формулам

(3.71) , содержит как собственно реактивную мощность по всем гар­моникам спектра, так и мощность искажения, величина которой, как правило, мала, и в оценочных расчетах ею можно пренебречь.

Расчет составляющих мощности необходимо проводить в об­щепринятой для асинхронных двигателей системе относительных единиц.

На рис. 3.33 приведены графики характеристик реактивной и активной мощностей, рассчитанные для разных двигателей. При расчете скорость двигателя принималась неизменной и равной но­минальной. Реактивная мощность, потребляемая системой элект­ропривода, как видно на рис. 3.33, существенно больше реактив­ной мощности двигателя.

Для выяснения причин, приводящих к увеличению реактив­ной мощности системы электропривода относительно мощности, потребляемой двигателем, необходимо произвести расчет мощно­стей по первым гармоникам напряжений и токов, а методом гар­монического анализа напряжения статора рассчитать зависимо­сти угла смещения первой гармоники напряжения на статоре от­носительно напряжения сети в функции угла открытия тиристо­ров при разных скоростях. На рис. 3.34 показана зависимость угла смещения от угла открытия тиристоров для двигателя типа 4A200L6.

Как следует из графиков на рис. 3.34, наибольшие смещения 1-й гармоники имеют место в области номинального скольжения (со = соном). Изменение смещения 1-й гармоники в зависимости от скорости объясняется эффектом изменения угла нагрузки двигате­ля и соответствующим смещением зоны нечувствительности преоб­разователя, в которой угол открытия тиристоров меньше угла на­грузки двигателя. Так как при номинальной скорости двигатель имеет угол нагрузки, близкий к минимальному, и, следовательно, пре­образователь в этой области обладает минимальной зоной нечув­ствительности, то и смещение 1-й гармоники при регулировании угла открытия тиристоров наступает раньше. Из-за того, что сме­щение 1-й гармоники напряжения определяется углом нагрузки двигателя, полный угол системы будет равен сумме углов нагрузки двигателя и смещения 1-й гармоники напряжения статора.

При известных углах нагрузки системы расчет реактивной мощ­ности можно провести по следующим формулам:

Q = 3#ц/ц sincpn;

Q - 3£АНОм^п sincpb U)

где Uu — действующее значение 1-й гармоники фазного напря­жения статора; /п — действующее значение 1-й гармоники фаз - ного тока статора; фп — фазовый сдвиг 1-й гармоники тока стато­ра по отношению к 1-й гармонике напряжения статора; ф, — фа­зовый сдвиг 1-й гармоники тока статора по отношению к напря­жению сети.

Как отмечается в [35], значения Q и Qb рассчитанные по фор­мулам (3.71) и (3.72), в основном совпадают. Различия наблюдают­ся при низких скоростях и малых напряжениях из-за того, что при этом наиболее высок процент высших гармоник по сравнению с 1-й и поэтому в большей степени проявляется влияние коэффици­ента искажения.

Как отмечалось, угол смещения 1-й гармоники, а следователь­но, и реактивная мощность системы ТПН—АД определяются ско­ростью двигателя через угол нагрузки, что объясняет различие ха­рактеристик как для разных скоростей, так и для разных типов двигателей. Действительно, АД серии 4А имеют минимальный угол нагрузки в области номинальной скорости. При этом с ростом мощности созф двигателя улучшается и, как следствие, возрастает возможный диапазон изменения угла смещения 1-й гармоники и реактивной мощности. Машины типа MTKF, обладая меньшим cosp по сравнению с двигателями серии 4А при номинальной ско­рости, имеют и меньший диапазон смещения 1-й гармоники. Кро­ме того, минимум угла нагрузки для двигателей типа MTKF все­гда находится в зоне скоростей меньше номинальной.

Таким образом, потребление реактивной мощности преобра­зователем с двигателем типа MTKF в рабочей зоне меньше по сравнению с системой на основе двигателей серии 4А.

Для подтверждения результатов расчета были сняты эксперимен­тальные зависимости реактивной мощности АД и системы ТПН— АД в функции напряжения для типов 4А80В4 и MTKF012-6. Ско­рость системы поддерживалась неизменной. Экспериментальные характеристики активной и реактивной мощностей для двигате­лей типов 4А80В4 и MTKF012-6 приведены на рис. 3.35.

Сопоставление экспериментальных данных с расчетными подтверждает общий характер зависимости реактивной мощно­сти системы от фазового сдвига 1-й гармоники и указывает на необходимость учета данного эффекта при оценке энергетических показателей системы ТПН—АД.

Полученные результаты подтверждают, что тиристорный преоб­разователь напряжения является потребителем реактивной мощно­сти. При этом доля реактивной мощности, приходящаяся на ТПН, достаточно ощутима. Более того, при некоторых напряжениях, меньших номинального, и неизменной скорости реактивная мощ­ность системы ТПН—АД может превосходить реактивную мощ­ность при полном напряжении. Основной причиной данного явле­ния следует признать эффект смещения 1-й гармоники при регулиро­вании напряжения статора. Так как гармонический состав напряже­

но

ния определяется как углом открытия тиристоров, так и скоро­стью двигателя (через влияние противоЭДС), систему ТПН—АД при анализе потребляемой реактивной мощности следует рассмат­ривать совместно с учетом конкретных параметров двигателя.

Эффект смещения 1-й гармоники безусловно ухудшает свой­ства системы ТПН—АД. Тем не менее это явление не исключает использования ТПН как средства энергосбережения. Действитель­но, эффект от энергосберегающего режима наиболее ощутим при работе двигателя на холостом ходу. При этом (см. рис. 3.33) суще­ственно снижается потребление как активной, так и реактивной энергии по сравнению с номинальным режимом. Однако необ­ходимо исследование условий оптимизации энергопотребления системы ТПН—АД с учетом баланса реактивной мощности.

В каталогах фирм, выпускающих системы Soft-Start, не приводят­ся сведения о влиянии ТПН на питающую сеть и мероприятиях, направленных на ограничение этого влияния. В условиях повыше­
ния требований по электромагнитной совместимости преобразо­вательных устройств с сетью необходим строгий анализ экономи­ческой эффективности применения энергосберегающих систем ТПН—АД с учетом затрат на фильтрокомпенсирующие устрой­ства, обеспечивающие допустимые параметры качества потребля­емой электроэнергии.