CC BY
30
УДК 62-83.01
ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ ИМПУЛЬСНО-ВЕКТОРНОГО УПРАВЛЕНИЯ АСИНХРОННЫМ ЭЛЕКТРОПРИВОДОМ С ФАЗНЫМ РОТОРОМ
А.В. Валов г. Челябинск, ЮУрГУ
Рассматривается асинхронный электропривод с импульсно-векторным управлением. Обращается внимание на его благоприятные эксплуатационные и энергетические характеристики.
Введение. Постоянный рост цен на электроэнергию и топливные ресурсы привели к обострению проблем энергосбережения во многих отраслях производства, особенно в энергоёмких. В электроприводах транспортеров, вентиляторов, насосов в рабочем режиме используется одна скорость, во вспомогательных же режимах (например, в ночное время суток) возможность снижения скорости и потребления электрической энергии при снятии технологических нагрузок не предусмотрена. Кроме того, тяжелые условия прямого пуска вынуждают оставлять электропривод в работе во время плановых остановок и простоев технологических агрегатов, когда скорость вращения остается номинальной.
Между тем, имеются сравнительно малозатратные решения, которые позволяют экономить потребленную электроэнергию при снятии технологических нагрузок. В качестве примера можно указать на асинхронный электропривод с фазным ротором при векторно-импульсным регулировании скорости.
Принцип работы электропривода. Регулирование скорости асинхронного электропривода с фазным ротором производится с помощью тиристорного преобразователя, собранного по мостовой трехфазной схеме (рис. 1). Входные цепи преобразователя подключаются к сети через обмотки статора двигателя АХ, ВУ, СЪ, а выходные (со стороны выпрямленного напряжения) - к обмоткам ротора двигателя ах, уЬ. Обмотка сг может подключаться параллельно или оставаться свободной.
Управление тиристорными мостами производится таким образом, что МДС, создаваемая током в обмотках статора, всегда создает вращающий момент двигателя. Переключая тиристоры моста, создают МДС статора, вращающуюся дискретно с шагом 60°. Эти переключения производят тогда, когда ориентация векторов МДС обмоток статора и ротора соответствует двигательному моменту.
Полная мощность. На рис. 2 представлены зависимости от скорости полной мощности, потребляемой из сети, и полной мощности на зажимах статора электродвигателя при двух моментах статической нагрузки. При пониженной скорости напряжение на зажимах статора также понижено,
Рис. 1. Схема функциональная электропривода
Рис. 2. Зависимость от скорости полной мощности: 1 - вычисленной на зажимах статора при Мс = 0,16; 2 - то же при Мс = 0,25; 3 - потребленной из сети
Электромеханика
следовательно, и мощность, потребляемая двигателем, мала (приблизительно 0,3 от номинальной мощности двигателя). Эта мощность определяет потери в электроприводе. При увеличении скорости напряжение на статоре двигателя возрастает и полная мощность, потребляемая двигателем стремится к полной мощности, потребляемой из сети.
Потери в электроприводе. Для сравнения рассмотренного способа с известными (реостатным, тиристорным преобразователем напряжения- ТПН, преобразователем частоты - ПЧ) сопоставим величину потерь в электроприводе в зависимости от момента статической нагрузки при постоянной пониженной скорости вращения вала ротора двигателя со = 0,1ш0, где со0 - синхронная скорость вращения двигателя.
Потери в двигателе при таком способе управления приходятся на потери в меди, стали, механические и дополнительные потери и были определены по формулам [1]:
АРда = АР1„ + ДР2„ + ДР1с + АР„ех + ЛРдош
= ^' ^п1 ' АР^шом ■ М* ;
тической нагрузки Мс при установившейся скорости вращения 0,1 ш0. На рис. 3 и рис. 4 представлена зависимость потерь в относительных единицах (базовое значение 3500 кВт) в электроприводе от момента нагрузки при различных способах управления двигателем и от мощности двигателя.
Анализ данных, приведенных в табл. 1 и рис. 3 и 4, подтверждает вывод о том, что при снижении скорости возрастает скольжение асинхронной машины и, следовательно, потери в электроприводе тем больше, чем больше момент нагрузки на валу. Экономия энергии тем значительнее, чем выше мощность электропривода. Их рост тем значительнее, а КПД тем меньше, чем меньше значение пониженной скорости. Значит, систему реостатного регулирования скорости асинхронного электропривода и систему ТПН-АД нельзя признать на современном этапе целесообразными для регулирования скорости особенно при продолжительном режиме работы из-за низких энергетических показателей и существенного снижения КПД электропривода. Оптимальным с точки
Зависимость суммарной мощности потерь от момента статической нагрузки Мс и при установившейся скорости вращения 0,1 га0
мс АРдв, Вт
Тип элект| ропривода
ТПН-АД Реост. рег. ПЧ-АД Имп. рег.
0,1МН 545 1423 623 780
0,2МН 1087 1869 634 793
о,змн 1631 2300 666 815
АР
2м
"кп2 ' Дымном ‘М* ;
ЛРС =лрсном-М,;
АР = АР
1~х± мех МЄХНОМ
СО
\3/2
Дымном ~ 3 • 12ном • Я2 да ротора, 122ном
где АРда - полные потери в двигателе; ДР1„ и ЛР2м -потери в меди статора и ротора асинхронного двигателя; АРС - потери в стали; АРДОП = 0,01РН - дополнительные потери; АРмех — механические потери; АР 1мном = 3 • 1?„ом • К-1 _ номинальные потери в меди статора, 1]ном - номинальный ток статора;
’1 ~ номинальные потери в ме-
приведенный номинальный ток
ротора; АРСН0М - номинальные потери в стали; М* = М/Мном - относительное значение момента двигателя; кп1 = кв2 = 1,1 - коэффициент искажения, учитывающий нагрев обмоток из-за несинусоидального значения тока.
В таблице приведена зависимость суммарной мощности потерь в двигателе типа МТТШ-б (Рном=3,5 кВт, пном= 895 об/мин) от момента ста-
Рис. 3. Потери в двигателе при различных способах управления: 1 - реостатном;
2 - ТПН; 3 - импульсное регулирование; 4 — ПЧ
58
Вестник ЮУрГУ, № 11, 2008
Валов А.В.
Энергетические показатели импульсно-векторного управления _____________асинхронным электроприводом с фазным ротором
а)
б)
0 0,7 1,4 2,1 2,8 Р, кВт
^ДВ Т Г -1 1 -г 1 1
■Р„ 1 1 1 1 1 1
0,6 1 т 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 /1 / 1 1 1
0,45 л 1 1 1 1 1 1 / ' | 1 2 ^ 1 1
0,3 1 1 /Г 3 1 1
0,15 1 / 1 1 1 1 1 1 1 I 1 1 1 1
0 0,7 1,4 2,1 2,8 Р, кВт
Рис. 4. Потери в двигателе в зависимости от его номинальной мощности при а) М = 0,1 М„; б) М = 0,ЗМ„ и разных способах управления:
1 - реостатном; 2 - ТПН; 3 - импульсное регулирование; 4 - ПЧ
зрения КПД на низких скоростях вращения остается частотное управление. Но при этом требуются большие капитальные затраты на покупку оборудования. Система импульсного управления уступает системе частотного управления, но обладает существенно меньшими капитальными затратами. Для сравнения на рис. 5 приведена зависимость от мощности удельной цены на рынке 2007 года различных электроприводов [2]. Из графиков видно, что цена преобразователя частоты остается приблизительно равной 100 $/кВт при мощности преобразователя больше 20 кВт. Импульсное управление и ТПН обладают одинаковой силовой
схемой, а их удельная цена не превышает 20 $/кВт при мощности больше 20 кВт. Стоимость резисторов значительно меньше, чем тиристоров, но управление с помощью резисторов обладает гораздо большими потерями, особенно при низких скоростях вращения.
Рис. 5. Удельная цена преобразователя в зависимости от номинальной мощности двигателя:
1 - реостатном; 2 - импульсное регулирование и ТПН; 3 - ПЧ
Заключение. Импульсное управление обладает невысокой стоимостью при малых потерях электроэнергии. Данный способ, по мнению автора, наиболее целесообразен для механизмов с вентиляторной нагрузкой, где используется асинхронный двигатель с фазным ротором. Экономия электроэнергии наиболее значительна при работе на низких скоростях. Наибольший эффект достигается в электроприводах большой мощности.
Литература
1. Браславский, И.Я. Энергетический асинхронный электропривод/ И.Я. Браславский. - М. : Издательский дом «Академия», 2001. -358 с.
2. http://snabenerg.ru/nku3.shtml.
Валов Артем Владимирович в 2006 г. окончил Южно-Уральский государственный университет и в этом же году поступил в аспирантуру на кафедру электропривода.
