Енергозберігаючий асинхронний електропривод

12.1. Загальні положення

Найбільшими споживачами електричної енергії у світі (до 70%) є електроприводи. Серед електроприводів чільне місце займає асин-хронний електропривод із-за простоти конструкції, надійності в ро-боті й дешевизні двигуна. Отже, особливо актуальним є енергозбе-реження при використанні асинхронного електропривода. Воно ста-ло одним із пріоритетних напрямів технічної політики у всіх краї-нах світу, бо витрати на економію 1 кВт потужності у 4-5 разів мен-ші, ніж 1 кВт потужності нових електростанцій. Тому зменшення витрат електроенергії є найбільш дешевим способом забезпечення країни електроенергією і як наслідок – зменшення енергетичної складової у собівартості продукції і послуг.

Перетворення електричної енергії у механічну, що здійснює еле-ктропривод, зв’язано з втратами. Споживана приводом електроенер-гія витрачається на виконання корисної роботи, яка визначається технологічним процесом, і на втрати. Тому економія електроенергії може йти лише за рахунок втрат, які можна зменшити шляхом:

• зменшення втрат в усталених режимах;

• зменшення втрат в динамічних режимах;

• зменшення енергоспоживання за рахунок економічного ре-гулювання швидкості двигуна відповідно до потреб технологічного процесу.

12.2. Втрати електроенергії в усталених режимах

Оцінку енергетичної ефективності електропривода проводять на основі аналізу узагальнених енергетичних показників, якими є міра економічності перетворення електричної енергії у механічну – ККД, і коефіцієнт потужності, який є мірою економічності споживання електричної енергії із мережі живлення.

ККД нерегульованого електропривода є добутком ККД двигуна і передавального пристрою (формула 6.4). Тому енергозбереження може досягатися за рахунок підвищення ККД двигуна і передаваль-ного пристрою.

ККД асинхронного двигуна залежить від коефіцієнта навантаже-ння і досягає максимального значення при рівності постійних і змінних втрат (рис.12.1). Двигуни проектують так, щоби номіналь-ний ККД був менше максимального на , бо фактичне навантаження дещо менше номінального.

П

Рис. 12.1. Енергетичні характеристики асинхронного двигуна

роведений енергоаудит на ряді промислових підприємств показав, що коефіцієнт наванта-ження знаходиться у межах 0.4…0.6, що призводить до зменшення ККД на 2…6%, і на 20…30%, [9]. Такі, на перший погляд, незначні втра-ти складають 1…1,5% всієї ви-робленої електроенергії в краї-ні. Значне подорожчення елек-троенергії в 1970-1980 роках в США і в країнах Західної Євро-пи спричинило перехід на ви-робництво енергоефективних двигунів, в яких за рахунок збі-льшення кількості активних ма-теріалів (міді і сталі) підвищили ККД на 2…5%. В Україні електро-енергія відносно дешева і це не сприяє використанню енергоефек-тивних двигунів.

В даний час нереально ставити завдання заміни всіх двигунів з надлишковою потужністю, але при модернізації виробництва доці-льно забезпечити встановлену потужність відповідно до потреби технологічного процесу. Економічні розрахунки показують, що при менше 0,5 двигун потрібно замінити.

ККД передавальних пристроїв залежать від їх конструкції, точ-ності виготовлення та коефіцієнта навантаження за моментом Нижче наведені ККД деяких передач при номі-нальному навантаженні.

Циліндрична передача:

зі шліфованими прямими зубцями …………….0,99

з необробленими прямими зубцями …………...0,96

Черв’ячна передача ………………………………...0,6…..0,8

Пасова передача …………………………………….0,94…0,98

Фрикційна передача ………………………………..0,7…..0,8

Ланцюгова передача ………………………………..0,98

Величина ККД передачі залежить від навантаження. Ці залежно-сті наводяться у довідниках [6, рис. 50.50].Так при ККД зубчастої передачі знижується на 4-5%, що з одночасним знижен-ням ККД двигуна призводить до значних втрат потужності електро-привода.

Передавальні пристрої характеризуються коефіцієнтами передачі . Чим він більший, тим менший ККД. Так, циліндричний одноступінчастий горизонтальний редуктор з має , а такий же двоступінчастий з вже має .

Оскільки коефіцієнт передачі електропривода залежить від синх-ронної швидкості асинхронного двигуна, то, вибираючи двигун необхідної потужності, потрібно забезпечувати мінімальне переда-точне число . Цього можна досягти, оскільки асинхро-нні двигуни однієї потужності виготовляють з синхронними швид-костями .

Розглянемо такий приклад. Нехай для забезпечення технологіч-ного процесу потрібен асинхронний двигун . Номіна-льна швидкість робочого механізму . Можна виб-рати двигун з . Тоді . За цієї умови потрібен двоступінчастий редуктор, який матиме . Втрата потужності у номінальному режимі складе кВт. Якщо вибрати двигун з , то , і потрібен буде одноступінчас-тий редуктор, ККД якого . У цьому випадку втрата потужності .

Отже, за умови маємо економію потужності , що за 8 годин роботи виробничого механізму збереже електроенергії год. В таких розрахунках потрібно враховувати ККД двигунів різної синхронної швидкості. У даному випадку ККД двигунів з і з одинакові і рівні 0,905.

Наведений аналіз слід доповнити економічними розрахунками, бо зі зменшенням збільшуються габарити двигуна, і, як наслі-док, його вартість. Одночасно зменшується вартість передавального пристрою. Двигуни з меншою синхронною швидкістю мають біль-ший момент інерції. Так, двигун потужністю і має момент інерції , що в 5,3 рази більше, ніж у двигуна з . Цю обставину необхідно враховувати при виборі двигуна для робочих механізмів з частими реверсами, наприклад, для привода стола поздовжньо-стругального верстату.

Робота деяких механізмів передбачає технологічні паузи, трива-лість яких невизначена. У таких випадках з метою економії електро-енергії слід обмежити тривалість роботи привода в режимі холосто-го ходу, використавши наступний алгоритм: якщо споживана елект-роенергія в режимі холостого ходу стане рівною витратам електро-енергії на пуск, то двигун потрібно відключити від мережі живлен-ня, тобто коли буде досягнута умова

, (12.1)

де і – відповідно струм і коефіцієнт потужності в режимі холостого ходу привода. Реалізувати умову (12.1) може реле часу, яке буде налаштоване на час спрацювання

, (12.2)

оскільки і в режимі холостого ходу привода є сталими.

При живленні трифазних асинхронних двигунів від частотних перетворювачів при обчисленні ККД і необхідно враховувати спотворення струму. Тому коефіцієнт потужності треба визначати за формулою:

, (12.3)

де i – відповідно повна і активна потужності, які споживають-ся з мережі змінного струму; – реактивна потужність – потуж-ність зсуву трифазного навантаження, зумовлене зсувом за фазою основної гармоніки струму навантаження відносно синусоїдної нап-руги мережі, – потужність спотворення, обумовлена наявністю у складі несинусоїдного періодичного струму, окрім основної, вищих гармонік. З врахуванням (12.3) потужності i в установленому режимі при симетричному навантаженні, яким є асинхронний дви-гун, потрібно обчислювати за формулами:

; . (12.4)

Тоді

і , (12.5)

де – номінальна діюча фазна напруга; – діюче значення фаз-ного струму статора; – діюче значення першої гармоніки фазного струму статора; – фазний зсув першої гармоніки статорного струму відносно фазної напруги мережі живлення; – коефіцієнт спотворення.

ККД електропривода за системою перетворювач частоти – АД (ПЧ-АД)

. (12.6)

ККД перетворювача частоти

, (12.7)

де – активна потужність, яку споживає АД від ПЧ; – втра-та потужності в ПЧ, яка залежить від його схеми. Так, в перетворю-вачі частоти з АІН при живленні його від некерованого випрямляча мають місце такі втрати:

• втрати у вентилях некерованого випрямляча і в силових ключах АІН;

• втрати в реакторах, конденсаторах та в інших елементах систем керування і захисту.

Основною складовою втрат є електричні втрати у вентилях вип-рямляча, ключах інвертора, у вхідних реакторах і у L-C фільтрі на вході інвертора. Точне визначення цих втрат є досить складним. Тому користуються експериментальними даними, які вказуються в технічних паспортах перетворювачів частоти для номінального ре-жиму роботи. При швидкостях АД, менших номінальної, втрати зменшуються, але не пропорційно зміні швидкості [9].