Технические науки/ 6. Электротехника и радиоэлектроника.

 

Дадабаев Ш.Т.

Худжандский Политехнический институт Таджикского технического университета имени академика М.С. Осими.

 

Перспективные пути оптимизации режимов работы электроприводов с вентиляторным характером нагрузки

 

Не секрет, что примерно 70% электроэнергии, потребляемой промышленным предприятиям, приходится на синхронные или асинхронные электродвигатели. Асинхронные машины надежны, дешевы и просты, но у них постоянная частота вращения, практически не зависящая от нагрузки, в то время как большая часть нагрузочных механизмов, особенно электроприводы с вентиляторным характером нагрузки работают в переменном режиме. Поэтому эти электроприводы неуправляемы и в настоящее время производительность этих механизмов регулируют клапанами или заслонками. С точки зрения экономической эффективности этих методов очень низка.

Для решения этой проблемы последние годы активно внедряется частотное регулирование электроприводов. Типичными примерами ЭП с вентиляторным характером нагрузки могут, служит насосы, компрессоры, вентиляторы и т.д. Как известно, у электродвигателей переменного тока основной проблемой являются переходные режимы, т.е. пуск и торможение электродвигателя. Это проблема особенно актуально для электроприводов насосов, у которых значения токов перегрузки могут достигать максимальных величин, а пусковые токи могут 5-7 раз превышать номинальных значений.

Броски тока имеют ряд негативных воздействий:

-                    увеличение механической нагрузки двигателя;

-                    нестабильность сети;

-                    износ и перегрев обмоток статора электродвигателя.

Кроме того броски пусковых моментов тоже негативно влияют на работу электроприводов и обычно приводят к поломкам электрических и механических частей электрооборудований.

Оптимальное решение этих проблем привел бы к значительным экономиям финансовых и технических средств. Для решения вышеуказанных проблем на практике используют различные методы. Первый метод, который является лучшим это частотный метод, в котором есть возможность регулирования скорости электродвигателя в больших диапазонах. Недостатками данного метода являются высокая цена преобразователей частоты, сложность схемы и большие потери вследствие прямого падения напряжения в силовых элементах. Второй метод основан на использование тиристорных регуляторов напряжения, которые тоже обеспечивают плавный пуск. Другой метод является механическим способом уменьшения нежелательных последствий при переходных режимах электродвигателей и в основном для этого используется жидкостные муфты или тормозные колодки.

Для того чтобы колебания пусковых токов и моментов были понятны для читателя, ниже приведена компьютерная модель пуска асинхронного двигателя и графики переходных процессов протекающих при пуске. Данная модель создана компьютерном программе пакета MATLAB-2010 и доступно всем пользователям программы во вкладке Help/Demos.

 

Рис. 1. Виртуальная модель пуска асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором в программе MATLAB

 

Результаты моделирования показаны ниже.

 

Рис. 2. Изменение тока статора асинхронного двигателя.

 

Рис. 3. Изменение тока ротора асинхронного двигателя.

 

Рис. 4. Изменение скорости вращения ротора асинхронного двигателя.

 

Рис. 5. Изменение электромагнитного момента асинхронного двигателя.

 

Как видно из рис.2 и 5 значения тока и момента во время пуска критичны и создают удары в обмотках электрической машины. Как известно для насосов и вентиляторов требования диапазона регулирования скорости не велик и учитывая высоких цен на преобразователей частоты, целесообразно использовать второй метод, т.е. использовать устройств плавного пуска с фазовым методом регулирования напряжения. Таких устройств сокращенно называют софтстартерами или УПП, которые имеют значительно малую цену. В основе УПП лежит тиристорный регулятор напряжения, который обычно выполняется из тиристоров или симисторов, а плавный пуск достигается за счет фазового управления напряжения.

Принцип работы УПП основан на управление задержки времени открытия тиристора и тем самим изменение напряжения питания электродвигателя. Изменение напряжения питания статора двигателя приводит к уменьшению момента двигателя и пускового тока. На рис. 6 показаны УПП фирмы ООО «АББ»

 

Рис. 6. Внешний вид устройств плавного пуска.

Устройства плавного пуска имеют многочисленные функции и возможности, вот некоторые из них:

1) во время режима пуска:

-     управляемый темп разгона;

-     управляемое ограничение тока (обычно до 3 — 4,5Iном);

-     управления пусковым моментом.

2) во время режима торможения:

-     управляемый темп замедления;

-     динамическое торможение.

3) функции защиты:

-     тепловая защита электродвигателя;

-     тепловая защита устройств пуска;

-     сигнализация в случае не симметрии фаз или пропадания фаз.

 

Основные недостатки УПП:

-     невозможность регулирования скорости двигателя в установившемся режиме;

-     невозможность реверсирования направления вращения;

-     невозможность предотвратить провалы напряжения (при слабой сети).

 

На рис.7 приведена схема силовой части УПП для плавного пуска синхронных двигателей. В данной схеме УПП составлен из тиристоров VU1, VV, VW, устройства управления AC, байпассный контактор QB и в цепи возбуждения синхронного двигателя соединено встречно-параллельно пара тиристоров VEP.

Рис.7. Схема силовой части УПП с синхронным двигателем.

В табл. 1 приведены стандартные значения ограничения пускового тока для механизмов с вентиляторным характером нагрузки. Как видно пусковой ток ограничивается до значения 3,5-4Iн. Влияния УПП на нагрев двигателя при пуске неблагоприятно, которое показывает табл.2.

 

 

 

 

Таблица 1.

Параметры настройки системы плавного пуска

Вид нагрузки

Время процесса старта, с

Время процесса старта, с

Нач. напряжение, Uн

Ограничение тока, (×Iн)

Центробежный вентилятор

10

0

30%

4

Центробежный

насос

10

20

30%

3,5

Гидронасос

10

0

30%

3,5

Поршневой

компрессор

10

0

30%

4

Турбинный компрессор

10

0

40%

4

 

Таблица 2.

Нагрев двигателей при прямом и плавном пуске.

Ограничение тока

Отношение перегрева TУПП к перегреву при прямом пуске TПП

TУПП/TПП

4,5Iн

1,15

4 Iн

1,3

 

Результаты исследования использования УПП привёл к закономерным выводам:

1) УПП имеют небольшие габариты и низкие цены;

2) УПП в большинстве случаев ограничивает ударный ток статора (пусковой ток) и колебательный пусковой момент;

3) УПП обеспечивает многочисленные защиты электродвигателя;

4) УПП не снижает нагрев двигателя, а наоборот нагрев двигателя увеличивается;

5) Необходимость к достаточно мощной сети, чтобы искажение напряжения в сети не увеличилось.

6) Использование УПП в целом продлевает срок службы электрооборудования.

7) При выборе УПП необходимо строго соблюдать требованиям задаваемые к электроприводам.

 

Литература

1. А. М. Вейнгер. Регулируемые электроприводы переменного тока. Конспект вводных лекций. – Москва: 2009. – 104 с.

2. Браславский И.Я., Ишматов З.Ш., Поляков В.Н. Энергосберегающий асинхронный электропривод/Под ред. И.Я. Браславского. – М.: ACADEMA, 2004. – 202 с., ил.

3. К.Н. Лебедев С.А. Бузун Адаптивные софтстартеры для погружных электронасосных агрегатов: Монография. – Зерноград: Азово-Черноморская государственная агроинженерная академия, 2012. – 96 с.

4. Л.П. Петров, О.А. Андрющенко, В.И. Капинос. Тиристорные преобразователи напряжения для асинхронного электропривода /Под ред. Л.П. Петров – М.: Энергоатомиздат, 1986. – 200 с.

5. Петухов В.С., Соколов В. А. Повреждения трансформаторов и электродвигателей. Причина – в системе плавного пуска // Новости ЭлектроТехники. – 2005. – № 2(32).

6. Устройства плавного пуска. ООО «АББ» 2010. – 52 с.

7. Интернет ресурсы:

31.07.2013. http://www.electronmash.ru Юрий Бобылев. Устройства плавного пуска и торможение двигателей электроустановок: грамотное использование.

26.12.2012. http://www.nppsaturn ru. Шейкин Ю.И.,  Ерошкин А. В.

Сравнительный анализ вариантов технического решения плавного пуска мощных асинхронных электродвигателей.