3.1.2. 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 , а не на естественной характеристике (где. — действующее значение 1-й гармоники напряжения, приложенного к двигателю; —действующее значение номинального напряжения сети). Этот режим иллюстрирует рис.3.1, где показаны естественная (7) и регулировочная (2) характеристики АД при управлении от ТПН; - номинальный момент двигателя; — момент статической нагрузки; скольжение на естественной и регулировочной характеристиках при заданном

Рис.3.1. Естественная (1) и регулировочная (2) характеристики АД

Электромагнитные потери в двигателе рассчитываются по формуле:

(3.1)

Значения при работе на регулировочной характеристике в системе ТПН—АД определяются с помощью формулы (2.10) при подстановке относительного значения статического момента . При работе АД на естественной характеристике [8] выражения для определения составляющих потерь приобретают следующий вид:

(3.2)

Как следует из (3.2), при работе АД на естественной характеристике при изменении от до потери зависят только от статического момента. При работе на регулировочной характеристике , как следует из (2.10), что позволяет определить значение , доставляющее минимум функции . Хотя в выражения для составляющих (2.10) входят коэффициенты ,связанные нелинейной зависимостью с и , диапазон их изменения для структуры ТПН, состоящей из трех пар тиристоров, включенных встречно-параллельно, незначителен [6], что позволяет при определении , принять их постоянными и равными друг другу . Тогда

Расчеты показывают, что изменение в диапазоне 1... 1,2 не оказывает существенного влияния на значение . Как следует из формулы (3.3), значение не зависит от что позволяет задавать АД и поддерживать соответствующую 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 - электропривод будет работать в процессе регулирования скорости при , значение которого не будет изменяться, если в системе управления используется двукратно интегрирующая САР скорости.

Для разных типов асинхронных двигателей и определяется в основном коэффициентом , т.е. значением тока холостого хода, поэтому значения ,приближающиеся к , имеют двигатели краново-металлургических серий, отличающиеся повышенным воздушным зазором и током . Двигатель может работать соптимальным скольжением, если . 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 меньше, чем при .

Различие в потерях тем больше , чем меньше по сравнению с отношением и больше , поэтому наибольшее снижение потерь при работе в зоне максимальной скорости может быть обеспечено у двигателей краново-металлургических серий, имеющих большее значение момента , при котором может быть достигнуто снижение энергопотребления, и увеличенное значение по сравнению с двигателями )значение для двигателей краново-металлургических серий может быть снижено в 5 —8 раз, а для двигателей единой серии — в 3 —6 раз. Электромагнитный КПД двигателя

где — механическая мощность на валу АД; — установившаяся скорость, соответствующая работе со скольжением .

Рис.3.2. Схема САР скорости системы ТПН-АД: ДС - датчик скорости; СУ- система управления;α - угол открывания вентилей; – соответственно заданная, истинная скорости АД.

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 двигателей разных типов при максимальной установившейся скорости с различными значениями и соответствующими этой скорости скольжениями . Помимо рассмотрения случаев, когда и определены потери и для случая, когда = двигатель работает на регулировочных характеристиках при = .

Таблица 3.1

Зависимость потерь КПД АД от установившихся режимов от скольжения

Значения потерь , приведенные в табл. 3.1, вычислены для с учетом коэффициентов , 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 , значения потерь и КПД при довольно близки, что позволяет в ряде случаев осуществлять режимы с минимизацией потерь в машине, задавая и поддерживая в САР скорости ( = .

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

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

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 работа при пониженном напряжении 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 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 между первыми гармониками напряжения и тока статора, так как в зоне малых скольжений зависимость между углом 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 с фактическим его значением , измеренным косвенным образом датчиком угла (ДУ). В качестве заданного значения задается угол , соответствующий скольжению . 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.