по курсу «Автоматизированный электропривод типовых производственных механизмов и технологических комплексов» «Автоматизация технологических процессов (стр. 2 из 10)

Сформулируем пути энергосбережения в асинхронном электроприводе.

В рамках первого направления для снижения потерь энергии в асинхронном электроприводе можно использовать следующие пути.

1. Обоснованный выбор установленной мощности двигателя, соответствующей реальным потребностям управляемого механизма. Эта задача связана с тем, что коэффициент загрузки многих двигателей составляет 50 % и менее, что говорит либо о низкой квалификации разработчиков, либо о несовершенстве использованной методики расчета мощности электропривода. Очевидно, что двигатель заниженной мощности быстро выходит из строя из-за перегрева, а двигатель с большим запасом мощности преобразует энергию неэффективно, т.е. с высокими удельными потерями в самом двигателе из-за низкого КПД и в питающей сети из-за низкого коэффициента мощности. Поэтому первый путь заключается в совершенствовании методик выбора мощности двигателя и проверки его по нагреванию, а также в повышении квалификации разработчиков, проектировщиков и обслуживающего персонала. На практике встречаются случаи, когда вышедший из строя двигатель заменяется подходящим по высоте вала или его диаметру, а не по мощности. Существующие методики выбора мощности двигателя и проверки его по нагреванию могут рассматриваться лишь как первое приближение. Необходима разработка более совершенных методик, основанных на точном учете режимов работы электропривода, изменении его энергетических показателей, тепловых процессов в двигателе, состояния изоляции и т.д. Разумеется, это предполагает широкое использование вычислительной техники и специального программного обеспечения.

2. Переход на более экономичные двигатели, в которых за счет увеличения массы активных материалов (железа и меди), применения более совершенных материалов и технологий повышены номинальные значения КПД и коэффициента мощности. Этот путь, несмотря на высокую стоимость таких двигателей, становится очевидным, если учесть, что по данным западноевропейских экспертов, стоимость электроэнергии, потребляемой ежегодно средним двигателем, в 5 раз превосходит его стоимость. За время службы двигателя, а это десятки лет, экономия энергии значительно превысит капитальные затраты на такую модернизацию. Как уже отмечалось ранее, этот путь пока не получил должного признания в отечественной практике.

3. Переход к более совершенной с энергетической точки зрения системе электропривода. Потери энергии в переходных режимах заметно изменяются при использовании реостатного регулирования, систем ТПН – АД и ППЧ – АД с минимальными потерями при применении частотно-регулируемых электроприводов. Поэтому в рамках каждой из перечисленных систем имеются более или
менее удачные в энергетическом и технологическом плане варианты. Задачей проектировщика является грамотный и всесторонне обоснованный выбор конкретного технического решения.

4. Использование специальных технических средств, обеспечивающих минимизацию потерь энергии в электроприводе. Так как значительная часть асинхронных электроприводов работает в условиях медленно изменяющейся нагрузки (электроприводы турбомеханизмов, конвейеров и т.д.), отклонение нагрузки электропривода от номинальной ухудшает энергетические показатели
электропривода. В настоящее время к таким средствам можно отнести устройства регулирования напряжения на двигателе в соответствии с уровнем его нагрузки. Как правило, это либо специальные регуляторы напряжения на основе ТПН, включаемые между сетью и статором двигателя, либо преобразователи частоты, в
которых предусмотрен так называемый режим энергосбережения.
В первом случае ТПН выполняет кроме функции энергосбережения не менее важные функции управления режимами пуска и торможения иногда регулирует скорость или момент, осуществляет защиту, диагностику, т. е. повышает технический уровень привода в целом. Во втором случае режим энергосбережения рассматривается как дополнительная опция преобразователя частоты и имеется
лишь в некоторых выпускаемых типах преобразователей. С учетом
многофункциональности применения такие устройства оказываются экономически целесообразными для приводов с изменяющейся нагрузкой даже при их относительно высокой стоимости.

5. Совершенствование алгоритмов управления электроприводом в системах ТПН – АД и ППЧ – АД на основе энергетических критериев оценки его качества, т.е. совершенствование известных решений, разработка эффективных технических средств для их осуществления и поиск новых решений, оптимальных в энергетическом смысле.

В рамках второго направления снижения потребления энергии решающее значение имеет переход от нерегулируемого электропривода к регулируемому и повышение уровня автоматизации за счет включения в контур регулирования ряда технологических параметров (давления, расхода, температуры и т.д.). Так как это направление связано со снижением потребления энергии электроприводом за счет изменения технологического процесса, появляется возможность регулировать ранее не регулировавшиеся технологические параметры или изменять способ их регулирования.

Для третьего направления снижения потребления энергии характерны совершенствование системы электропривода в сочетании с автоматизацией технологического процесса и правильный выбор соответствующего по качеству регулирования электропривода из уже имеющихся или разработка новых, более качественных систем.

Заметим, что при реализации конкретных проектов выявляется, как правило, не один, а несколько возможных путей энергосбережения, поэтому для получения максимального эффекта необходим комплексный подход к решению задачи энергосбережения в электроприводе.

Рассмотрим некоторые из перечисленных путей повышения энергетической эффективности асинхронного электропривода.

2. Энергетическая эффективность асинхронных электроприводов.

2.1. Кинематически связанные электроприводы.

Постоянные потери асинхронного электропривода не зависят от его нагрузки и остаются практически неизменными при неизменной скорости. Вместе с тем переменные потери, к которым отнесены потери в меди статора и ротора, зависят от нагрузки. Имеется большое число механизмов, в которых нагрузка электропривода зависит от характеристик механизма, на которые можно повлиять в процессе проектирования, наладки и даже эксплуатации.

В качестве примера рассмотрим многодвигательные электроприводы таких механизмов, как рольганги, механизмы перемещения крана, поворота платформы экскаватора, различных транспортных машин и т.д. Достаточно часто электроприводы механизмов выполняют двух- или многодвигательными для уменьшения их момента инерции, что позволяет улучшить динамику процессов.

Во всех этих механизмах скорость двигателей, как правило, одинакова, а распределение статической нагрузки, если не приняты специальные меры, оказывается неравномерным.

Причиной неравномерной нагрузки двигателей обычно является незначительное отличие механических статических характеристик двигателей. На рис. 2.1 представлены механические характеристики двух одинаковых асинхронных двигателей при питании их от сети. При одинаковой частоте вращения моменты двигателей соответственно для АД № 1 и АД № 2 определяются выражениями:

М_с1=М_с.ср+ΔМ_с; М_с2=М_с.ср-ΔМ_с,

где М_с.ср – среднее значение статического момента, М_с.ср=(М_с1+М_с2)/2; ΔМ_с – отклонение статического момента от среднего.

Рис. 2.1. Распределение момента нагрузки между двумя параллельно работающими двигателями

Очевидно, что аналогичная картина будет наблюдаться и в регулируемых электроприводах. Причиной этого является как разброс параметров отдельных двигателей, так и различие в настройках систем управления. Оценим влияние неравномерности деления нагрузок на потери энергии в двигателе.

Переменные потери энергии в двигателе (потери в меди статора и ротора) можно выразить через механические переменные:

ΔР_м = Мω₀S(1+а), (2.1)

где а = R₁/R₂’.

Так как работа двигателя в двигательном режиме происходит на линейном участке механической характеристики, то скольжение двигателя можно достаточно точно выразить через его момент:

, (2.2)

где β – жесткость линейного участка механической характеристики, β = М_ном/ω₀S_ном.

Тогда

. (2.3)

Потери в меди в номинальном режиме работы двигателя (при М = М_ном) составят

. (2.4)