Атанов АЭП Лекции 2008

Инверторы с ШИМ могут найти широкое применение в системах электроснабжения, имеющих питающую сеть постоянного тока, где к тому же может быть использовано рекуперативное торможение.

В последнее время в связи с разработкой более мощных транзисторов, рассчитанных на напряжение до 3000 В и на ток в несколько десятков и даже сотен ампер, стало возможным производство транзисторных преобразователей частоты. На рисунке 7 представлена принципиальная силовая схема преобразователя частоты на транзисторах с промежуточным звеном постоянного тока и с ШИР. Напряжение от неуправляемого мостового выпрямителя регулируется ШИР, выполненным с помощью транзистора VT1, затем через фильтр LС подается па инвертор.

Рисунок 7 - Принципиальная силовая схема преобразователя частоты на транзисторах с промежуточным звеном постоянного тока

Транзисторный преобразователь частоты более экономичен и надежен, чем тиристорный, из-за меньшего числа переключающих элементов. Эти преобразователи могут выполняться и с инверторами с ШИМ. Транзисторные преобразователи частоты для регулируемых электроприводов малой и средней мощности являются более перспективными, чем тиристорные.

При использовании преобразователей частоты по рассмотренным схемам допустим только двигательный режим работы привода и динамическое торможение. Торможение противовключением в схемах с преобразователями частоты обычно не используется из-за больших токов (необходимо усложнять схему).

111

Лекция 15 Энергосбережение в АЭП

Вопросы

1)Общие вопросы энергосбережения

2)Способы повышения КПД и коэффициента мощности АЭП

3)Снижение потерь энергии в переходных режимах

4)Энергосбережение в регулируемом АЭП

1 Общие вопросы энергосбережения

Энергосбережение — это комплекс правовых, технических и экономических мер, направленных на эффективное использование энергетических ресурсов. В соответствии с Федеральным законом РФ «Об энергосбережении» на промышленном предприятии должны быть разработаны мероприятия по экономии электроэнергии применительно к каждой электроустановке. В первую очередь это относится к устройствам с электрическим приводом, основной элемент которого электродвигатель. Известно, что более половины всей производимой в мире электроэнергии потребляется электродвигателями в электроприводах рабочих машин, механизмов, транспортных средств. Поэтому меры по экономии электроэнергии в электроприводах наиболее актуальны.

Основные положения энергосбережения регламентированы государственными стандартами РФ:

ГОСТ Р 51379—99. Энергосбережение. Энергетический паспорт промышленного потребителя топливно-энергетических ресурсов.

ГОСТ Р 31380—99. Энергосбережение. Методы подтверждения соответствия показателей энергетической эффективности энергопотребляющей продукции их нормативным значениям. Общие требования.

ГОСТР 51387—99. Энергосбережение. Нормативно-методическое обеспечение.

ГОСТР 51541-99. Энергосбережение. Энергетическая эффективность. Состав показателей.

Задачи энергосбережения требуют оптимального решения не только в процессе эксплуатации электрических машин, но и при их проектировании.

2 Способы повышения КПД и коэффициента мощности АЭП

При проектировании и эксплуатации разного рода электроприводов необходимо учитывать потребление и потери электроэнергии, влияние ЭП на сеть и другие электроприемники. Оценка этих свойств осуществляется с помощью так называемых энергетических показателей: коэффициента

112

полезного действия, коэффициента мощности, потерь мощности и энергии.

С целью уменьшения потерь энергии в период пуска или торможения двигатели к рабочим машинам подбирают таким образом, чтобы приведенный момент инерции привода при одной и той же скорости был наименьшим. Это реализуется за счет применения малогабаритных двигателей, имеющих пониженный J (двигатели с повышенным отношением длинны якоря к его диаметру, с полым или дисковым якорем). Целесообразно использование двух двигателей половинной мощности. Расчеты показывают; что ∑J двух двигателей половинной мощности оказывается меньше момента инерции одного двигателя на полную мощность. Например, два двигателя типа 4АН200 мощностью по 45 кВт имеющий суммарный момент инерции 2·1,38=2,76 кг·м2. Двигатель 4АН250 мощностью 90 кВт на ту же скорость имеет j=3,53 кг·м2, т.е. почти на 30% больше.

Другой способ уменьшения потерь ЭП – регулирование скорости идеального холостого хода, что хорошо реализуется в ступенчатом пуске ЭП (для АД – регулирование частоты вращения с помощью частоты питающего тока или числа пар полюсов; для ДПТ – регулирование частоты вращения с помощью напряжения).

При ступенчатом пуске отмечается снижение потерь электрической энергии в 2 раза.

За счет изменения в переходном процессе 0 снижаются потери энергии в роторе АД. Уменьшение потерь энергии в роторе вызовет и снижение потерь в статоре и полных потерь в АД. Приведенный момент инерции ЭП зависит не только от момента инерции двигателя или рабочей машины, но и от передачи отношения между ними. Для уменьшение потерь энергии при пуске, передаточное отношение – i следует выбирать исходя из получения минимального приведенного момента инерции ЭП и проверять экономическим расчетом.

КПД ЭП, как электромеханическая система определяется произведением преобразователя, управляющего устройства, электродвигателя и механической передачи ηэп=ηп·ηуу·ηэд·ηмп.

Наиболее значимой величиной является КПД двигателя, который растет с увеличением мощности и частоты вращения.

КПД зависит также от развиваемой им полезной механической мощности на валу (рис. 1).

Работа ЭП, как и любого другого потребителя характеризуется коэффициентом мощности

тельно загружает систему электроснабжения, вызывая дополнительные потери напряжения и энергии, поэтому cos должен стремится к единице. Достаточно часто, коэффициент мощности повышают компенсацией реак-

113

тивной мощности статическими конденсаторами (в данном случае реактивная мощность для создания электромагнитного поля осуществляется от конденсаторов, расположенных непосредственно у АД).

,соs

Рисунок 1 – Зависимость КПД и коэффициента мощности электродвигателя от кратности нагрузки

Рном

Способы повышения КПД и коэффициента мощности ЭП:

-ограничение времени работы на холостом ходу;

-обеспечение нагрузки близкой к номинальной (в том числе путем замены малонагруженного (менее 40% от номинальной мощности) двигателя на двигатель меньшей мощности (должно быть экономически обоснованно));

-выбор высокочастотных электродвигателей.

3Снижение потерь энергии в переходных режимах

Впроцессе эксплуатации двигателя значительные потери энергии наблюдаются в переходных режимах и в первую очередь при его пуске.

Потери энергии в переходных режимах могут быть заметно снижены за счет применения двигателей с меньшими значениями моментов инерции ротора, что достигается уменьшением диаметра ротора при одновременном увеличении его длины, так как мощность двигателя при этом должна оставаться неизменной. Например, так сделано в двигателях крановометаллургических серий, предназначенных для работы в повторнократковременном режиме с большим числом включений в час.

Эффективным средством снижения потерь при пуске двигателей является пуск при постепенном повышении напряжения, подводимого к обмотке статора.

Такой энергосберегающий способ пуска двигателя возможен только при работе двигателя в системе с регулируемым преобразователем: для асинхронных двигателей это устройства плавного пуска или преобразователи частоты, а для двигателей постоянного тока это электронные (тиристорные) устройства управления.

Энергия, расходуемая при торможении двигателя, равна кинетической энергии, запасенной в движущихся частях электропривода при его пуске. Энергосберегающий эффект при торможении зависит от способа

114

торможения. Наибольший энергосберегающий эффект происходит при генераторном рекуперативном торможении с отдачей энергии в сеть. При динамическом торможении двигатель отключается от сети, запасенная энергия рассеивается в двигателе и расхода энергии из сети не происходит. Наибольшие потери энергии наблюдаются при торможении противовключением, когда расход электроэнергии равен трехкратному значению энергии, рассеиваемой в двигателе при динамическом торможении.

При установившемся режиме работы двигателя с номинальной нагрузкой потери энергии определяются номинальным значением КПД. Но если электропривод работает с переменной нагрузкой, то в периоды спада нагрузки КПД двигателя понижается, что ведет к росту потерь. Эффективным средством энергосбережения в этом случае является снижение напряжения, подводимого к двигателю в периоды его работы с недогрузкой.

Рассмотрим принципы построения ЭП, в котором минимизируется потребляемый АД ток и тем самым потери электроэнергии в нем. Для этого обратимся к зависимостям тока статора I1 от напряжения U1 (рис. 2) при разных моментах нагрузки Мc. Как видно из графиков 1...4, для каждого момента имеется такое напряжение, при котором потребляемый АД ток из сети минимален. Штриховая линия, проведенная через точки минимумов тока для каждой нагрузки, определяет закон регулирования напряжения в функции тока, при реализации которого при любом Мc из сети потребляется минимальный ток.

Рисунок 2 – Вольтамперные характеристики и функциональная схема минимизирующая потребление электроэнергии

Схема ЭП с минимизацией потребляемого двигателем тока включает в себя двигатель 4, регулятор напряжения 3 с СИФУ 2, датчики тока 5 и напряжения 6, функциональный преобразователь 7, инерционное звено 8 и элемент сравнения 1.

115

Требуемый закон управления ЭП реализуется с помощью положительной обратной связи по току. Трехфазный датчик 5 вырабатывает пропорциональный току сигнал, поступающий на вход функционального преобразователя 7 который обеспечивает требуемую зависимость между напряжением на АД и моментом нагрузки на его валу (штриховая линия на рис. 2). C помощью инерционного звена 8 обеспечивается необходимое качество переходных процессов. Кроме минимизации потерь электроэнергии, простыми средствами в такой схеме осуществляется повышение КПД и коэффициента мощности асинхронного ЭП.

Этот способ энергосбережения возможно реализовать при работе двигателя в системе с регулируемым преобразователем при наличии в нем обратной связи по току нагрузки. Сигнал обратной связи по току корректирует сигнал управления преобразователем, вызывая уменьшение напряжения, подводимого к двигателю в периоды снижения нагрузки. Если же приводным является асинхронный двигатель, работающий при соединении обмоток статора «треугольником», то снижение подводимого к фазным обмоткам напряжения можно легко реализовать путем переключения этих обмоток на соединение «звездой», так как в этом случае фазное напряжение понижается в 1,73 раза. Этот метод целесообразен еще и потому, что при таком переключении повышается коэффициент мощности, что также способствует энергосбережению. Из справочной литературы следует, что при переключении обмоток с «треугольника» на «звезду» при снижении нагрузки до 50% относительно номинальной коэффициент мощности возрастает более чем на 20%. Примером практического применения этого способа энергосбережения может служить электропривод с асинхронным двигателем, работающий в условиях значительных колебаний нагрузки.

Схема, приведенная на (рис.3), позволяет с помощью двух реле тока КА1 и КА2, катушки которых включены последовательно в фазные обмотки статора через измерительные трансформаторы тока ТА1 и ТА2, автоматизировать переключение обмотки статора с «треугольника» на «звезду» при снижении нагрузки двигателя на 40—50% относительно номинальной и обратное переключение при восстановлении нагрузки.

При нажатии кнопки SВ1 «Пуск» включается силовой контактор КМ1, линейные контакты которого подключают двигатель к сети. Контактор КМ2 в начальный момент пуска остается невключенным и своими размыкающимися контактами соединяет обмотку статора «звездой». Но как только начинается пуск двигателя, значительный пусковой ток статора вызывает срабатывание реле тока КА2. При этом контактор КМ2 своими замыкающими контактами переключает обмотку статора «треугольником». Реле тока КА1 срабатывает, и двигатель переходит в рабочий режим.

116

водного двигателя: номинальной (характеристика 1) и пониженной (характеристика 2).

Рисунок 4 – Характеристики насосного агрегата

Особенностью работы большинства насосных установок является изменение количества (расхода) подаваемой ими жидкости в течение времени. Например, потребление воды в жилых зданиях меняется в течении суток и имеет два максимума - утренний и вечерний. Допустим, что в исходном положении насос работал с номинальными расходом Qном и напором Нном в точке 1. При снижении расхода воды до значения Q2 при неизменной скорости ЭП напор в соответствии с характеристикой возрастет до значения Н2.

Но, тот же расход воды можно обеспечить при меньшем напоре Н1, если с помощью ЭП снизить скорость двигателя до уровня, характеризующегося характеристикой 2. В этом случае из сети будет потребляться меньшая мощность.

Примеры использования регулируемого ЭП насосов показывают, что экономия электроэнергии может доходить до 50% и более в зависимости от вида и режимов работы насосных установок. Кроме того, при работе сетей с меньшими напорами значительно меньше утечки воды в сетях и арматуре (на 15...20% и более). В насосах с ЭП переменного тока при регулировании скорости двигателей обычно применяются статические преобразователи частоты.

Если электропривод не подвержен значительным регулировкам частоты вращения, частым пускам, реверсам и т.п., то повышенные затраты на тиристорное либо другое дорогостоящее оборудование могут оказаться неоправданными, а расходы, связанные с потерями энергии — незначительными. И наоборот, при интенсивной эксплуатации электропривода в переходных режимах применение электронных пускорегулирующих уст-

118

ройств становится целесообразным. К тому же следует иметь в виду, что эти устройства практически не нуждаются в уходе и их техникоэкономические показатели, включая надежность, достаточно высоки. Необходимо, чтобы решение по применению дорогостоящих устройств электропривода подтверждалось технико-экономическими расчетами.

Известно, что электрические потери в питающих сетях и обмотках электрических машин пропорциональны квадрату тока (Рэл = I2R). По этой причине желательно электропитание двигателей от сети с более высоким напряжением, так как при заданной мощности применение более высокого напряжения сопровождается уменьшением силы тока и, следовательно, сокращением потерь. Поэтому для низковольтных двигателей целесообразно применение напряжения 440 В (для двигателей постоянного тока) или 660 В (для двигателей переменного тока). Что же касается двигателей мощностью 500 кВт и более, то они обычно рассчитаны на напряжение 6000

или 10000 В.

Решению проблемы энергосбережения способствует применение синхронных двигателей, создающих в питающей сети реактивные токи, опережающие по фазе напряжение. В итоге сеть разгружается от реактивной (индуктивной) составляющей тока, повышается коэффициент мощности на данном участке сети, что ведет к уменьшению тока в этой сети и, как следствие, к энергосбережению. Эти же цели преследует включение в сеть синхронных компенсаторов.

Примером целесообразного применения синхронных двигателей является электропривод компрессорных установок, снабжающих предприятие сжатым воздухом. Для этого электропривода характерен пуск при небольшой нагрузке на валу, продолжительный режим работы при стабильной нагрузке, отсутствие торможений и реверсов. Такой режим работы вполне соответствует свойствам синхронных двигателей. Используя в синхронном двигателе режим перевозбуждения, можно достичь значительного энергосбережения в масштабе всего предприятия.

С аналогичной целью применяют силовые конденсаторные установки («косинусные» конденсаторы). Создавая в сети ток, опережающий по фазе напряжение, эти установки частично компенсируют индуктивные (отстающие по фазе) токи, что ведет к повышению коэффициента мощности сети, а следовательно, к энергосбережению. Наиболее эффективным является применение конденсаторных установок типа УКМ 58 с автоматическим поддержанием заданного значения коэффициента мощности и со ступенчатым изменением реактивной мощности в диапазоне от 20 до 603 квар при напряжении 400 В.

Необходимо помнить, что энергосбережение направлено на решение не только экономических, но и экологических проблем, связанных с производством электроэнергии.

119

Содержание

Лекция 1 . Классификация, структура автоматизированных электроприводов (АЭП) …….………………………………4

Лекция 2. Регулирование координат ЭП………………………..8

Лекция 3. Пускозащитная аппаратура управления разомкнутых электроприводов ……………………….…….19

Лекция 4. Средства управления разомкнутых электроприводов …….27 Лекция 5. Аварийные режимы и средства защиты в ЭП ………………36

Лекция 6. Специальные виды защит ……………………..…………….45

Лекция 7. Типовые узлы и схемы управления ЭП с

двигателями ПТ ……………………….…………….55

Лекция 8. Типовые узлы и схемы управления ЭП с асинхронными двигателям …………..……………………..60

Лекция 9. Автоматизированный ЭП с синхронными электродвигателями ……………………………………..…..68

Лекция 10. Технические средства замкнутых схем управления АЭП …………………………………….……….74

Лекция 11. Замкнутые схемы управления АЭП с ДПТ …………...…86 Лекция 12. Замкнутые схемы управления электроприводов с

двигателями переменного тока ………………………..…...93 Лекция 13. Электромашинные преобразователи частоты ………….….98

Лекция 14. Статические преобразователи частоты ………..…………104

Лекция 15. Энергосбережение в АЭП ………………………………..…112

120