8. Регулируемый электропривод как средство рационального использования энергоресурсов и снижения потребления реактивной энергии
Использование регулируемых электроприводов позволяет более эффективно использовать имеющиеся энергоресурсы. Наиболее внедряемым типом регулируемого электропривода в последние время является частотно-регулируемый асинхронный (и синхронный) электропривод – система преобразователь частоты - асинхронный двигатель (ПЧ-АД). Для решения отдельных производственных задач и энергосбережения находит применение система тиристорный преобразователь напряжения – асинхронный двигатель (ТПН-АД).
8.1. Системы электроприводов «тиристорный преобразователь напряжения – асинхронный двигатель»
Система ТПН-АД состоит из тиристорного преобразователя напряжения (ТПН) и асинхронного двигателя (рис. 8.1). Она обеспечивает за счет регулирования по требуемому временному закону угла открытия тиристоров необходимый закон изменения во времени первой гармоники напряжения приложенного к двигателю: от минимального (нулевого) до максимального (номинального) значения.
Использование ТПН позволяет снизить энергопотребление недогруженного асинхронного двигателя при работе в зоне номинальной скорости, обеспечив его работу за счет ТПН на регулировочной (U1 < UН), а не естественной (U1 = UН) характеристике, где U1 – действующее значение первой гармоники напряжения, приложенного к двигателю; UН – действующее значение номинального напряжения сети.
Рис. 8.1. Схема силовой структуры системы ТПН-АД
Этот режим работы иллюстрирует рис. 8.2. Цифрой «1» обозначена естественная характеристика, цифрой «2» – регулировочная механическая характеристика при управлении от ТПН. Мн и Мс – номинальный момент двигателя и момент статической нагрузки; S1 и S2 – скольжение на естественной и регулировочной характеристиках при заданном Мс.
Время формирования питающего напряжения можно варьировать в широких пределах, к примеру, до нескольких минут. Системы плавного пуска позволяют ограничить до желаемого уровня моменты асинхронного двигателя в пусковых режимах, обеспечить управляемый («растянутый» во времени) пуск с заданным линейным и нелинейным темпом нарастания скорости, переходные процессы с постоянством тока статора (так называемую «отсечку по току статора»), значение которого может регулироваться.
Рис. 8.2. Естественная (1) и регулировочная (2) характеристики
асинхронного двигателя
Недостатком данного метода регулирования напряжения является тот факт, что работа АД на регулировочных характеристиках (при возрастании угла открытия тиристоров α) происходит в режиме прерывистого тока. В периодическом несинусоидальном токе кроме основной гармоники присутствуют нечетные гармоники (5-ая, 7-ая, 11-ая и т. д.). Высшие гармоники увеличивают потери в АД, снижается кпд. С ростом угла α увеличивается фазовый сдвиг 1-ой гармоники тока по отношению к напряжению сети, уменьшается cosφ.
Такие устройства, поэтому рекомендуется применять для плавного пуска вентиляторов, насосов, компрессоров и других устройств.
При прямом пуске асинхронных двигателей, когда двигатель сразу подключается к номинальному напряжению сети, возникают на начальном этапе запуска значительные моменты. Они в несколько раз превышающие уровни пусковых моментов, рассчитанных по статическим характеристикам, из-за возникновения повышенных нагрузок в кинематических передачах (особенно, когда момент двигателя в переходном режиме носит знакопеременный характер, а в механической части имеются люфты и зазоры). Это приводит к преждевременному износу и выходу из строя элементов кинематической передачи. Диаграмма скорости на участке разгона имеет колебательный характер, процесс сопровождается недопустимыми для ряда механизмов рывками и ускорениями; происходит значительное увеличение пусковых токов (по сравнению с расчетными значениями по статическим характеристикам), что может привести к недопустимым посадкам напряжения на питающих шинах, особенно при прямом пуске двигателей большой мощности и т. д. Системы плавного пуска позволяют ограничить до желаемого уровня моменты асинхронного двигателя в пусковых режимах, обеспечить управляемый («растянутый» во времени) пуск с заданным линейным и нелинейным темпом нарастания скорости; переходные процессы с постоянством тока статора (так называемую «отсечку по току статора»), значение которого может регулироваться.
Следует отметить:
1. Систему ТПН-АД также как систему реостатного регулирования скорости АД нельзя признать на современном этапе целесообразной для регулирования скорости при продолжительном режиме работы из-за низких энергетических показателей и существенного снижения КПД электропривода. Экономия электроэнергии при применении систем ТПН незначительна при регулировании скорости АД в установившихся режимах работы. Использование ТПН-АД в большинстве случаев определяется технологическими требованиями производственных механизмов (транспортеров, насосов, вентиляторов, конвейеров, лифтов и др.), требующих плавного пуска и ограничения ударных моментов, ускорений и рывков, возникающих при прямом подключении АД к сети. При использовании систем ТПН-АД для управления недогруженным асинхронным двигателем в зоне номинальной скорости экономия электроэнергии будет тем больше, чем меньше момент двигателя по сравнению с номинальным и чем больше время работы двигателя с недогрузкой. Эффект усиливается при использовании асинхронных двигателей с относительно высоким значением тока холостого хода статора.
2. При применении систем ТПН-АД, кроме решения технологических задач, оказывается возможным на 3–5 % снизить потери в асинхронных двигателях за счет ограничения уровня максимальных пусковых токов, обусловленных электромагнитными переходными процессами в машине. Использование плавного пуска асинхронного двигателя позволит снизить посадку напряжения в сети электроснабжения, повысить качество электроэнергии.
3. При неизменной частоте питания с понижением U при снижении скорости возрастает скольжение АД и, следовательно, потери в электроприводе.
4. Работа АД на регулировочных характеристиках при U1 < UН происходит в режиме прерывистого тока, что ведёт к появлению высших гармоник в токе и, следовательно, растут потери в электроприводе [6].
5. Чередование схем подключения статорной обмотки АД приводит к пульсациям момента двигателя.
6. ТПН является потребителем реактивной мощности. При напряжениях меньше номинального и неизменной скорости реактивная мощность может превосходить реактивную мощность при номинальном режиме.
7. При условии выбора только оптимальной продолжительности нарастания напряжения при использовании ТПН для пуска АД пусковые потери снижаются до 10–15 %. Эффект ощутим для двигателей средней и большой мощности.
8. На основании обследования электроустановок ряда предприятий рекомендуется в дипломном проекте рассмотреть вопрос об установке устройства плавного (мягкого) пуска для безударного запуска нерегулируемых электроприводов на насосных станциях, вентиляторах и т. д. На объектах рекомендуется устанавливать по одному устройству плавного пуска для поочередного запуска АД.
9. Экономический эффект от внедрения устройства плавного пуска, на наш взгляд, будет складываться из экономии не только (и не столько) электроэнергии, но из снижения эксплуатационных расходов, снижения аварийности трубопроводов и их элементов за счёт исключения гидравлических ударов, снижения потерь, например, нефти, и, как следствие, в повышении экологической безопасности. Оценить потенциал экономии при такой постановке вопроса без дополнительной проработки для конкретных установок сложно.