Снижение потерь энергии в переходных режимах

В процессе 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 краново-металлургических серий, предназначенных для работы в повторно-кратковремен­ном 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 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 М_c. Как видно из графи­ков 1...4, для каждого момента имеется такое напряжение, при котором потребляемыйАД 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 М_c 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.

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.

Рисунок 3 – Схема автоматического переключения обмотки статора асинхронного двигателя с «треугольника» на «звезду»

Если нагрузка двигателя снизится до значения Р₂< 0,5Р_ном , то реле тока КА1 отпустит и своими контактами отключит контактор КМ2, что приведет к пересоединению обмотки статора с «треугольни­ка» на «звезду». При этом двигатель будет продолжать работу при повышенном зна­чении коэффициента мощности. Если же нагрузка двигателя вновь возрастет до зна­чения Р₂> 0,5Р_ном, то произойдет пере­ключение обмотки статора со «звезды» на «треугольник».