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 последнее 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. Система 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 на 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 с ТПН 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-я, 7-я, 11-я и т. д.). Высшие гармоники увеличивают потери в АД, снижается кпд. С ростом угла α увеличивается фазовый сдвиг первой гармоники тока по отношению к напряжению сети, т.е. уменьшается cosφ. Поэтому такие устройства рекомендуется применять для плавного пуска вентиляторов, насосов, компрессоров и других устройств.
При прямом пуске асинхронных двигателей, когда двигатель сразу подключается к номинальному напряжению сети, на начальном этапе запуска возникают значительные моменты. Они в несколько раз превышают 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 обеспечить управляемый («растянутый» во времени) пуск с заданным линейным или нелинейным темпом нарастания скорости асинхронного двигателя, с регулированием момента и тока статора до желаемых значений.
На основании [3, 20,21] следует отметить:
– систему ТПН-АД, так же 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;
– 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;
– при неизменной частоте питания с понижением U при снижении скорости возрастает скольжение АД и, следовательно, потери в электроприводе;
– работа АД на регулировочных характеристиках при U1 < UН происходит в режиме прерывистого тока, что ведёт к появлению высших гармоник в токе и, следовательно, к росту потерь в электроприводе [20];
– чередование схем подключения статорной обмотки АД приводит к пульсациям момента двигателя;
– ТПН является потребителем реактивной мощности. При напряжениях меньше номинального и неизменной скорости реактивная мощность может превосходить реактивную мощность при номинальном режиме;
– при условии выбора только оптимальной продолжительности нарастания напряжения при использовании ТПН для плавного пуска АД пусковые потери снижаются до 10–15 %. Эффект ощутим для двигателей средней и большой мощности;
– экономический эффект от внедрения устройства плавного пуска, на наш взгляд, будет складываться из экономии не только (и не столько) электроэнергии, но и снижения эксплуатационных расходов, снижения аварийности трубопроводов и их элементов за счёт исключения гидравлических ударов, снижения потерь, например нефти, и, как следствие, повышения экологической безопасности. Оценить потенциал экономии при такой постановке вопроса без дополнительной проработки для конкретных установок сложно.
В электрической части выпускной квалификационной работы рекомендуется 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.