Перспективы применения асинхронных двигателей с индивидуальной компенсацией реактивной мощности в промышленных электроприводах

Состояние вопроса

Мугалимов Р.Г., Мугалимова А.Р., Мугалимова М.Р. Перспективы применения асинхронных двигателей с индивидуальной компенсацией реактивной мощности в промышленных электроприводах В настоящее время в промышленных электроприводах применяются традиционные асинхронные двигатели, энергетические показатели которых невысоки. Повышение энергоэффективности асинхронных электроприводов является актуальной технико-экономической проблемой всех отраслей промышленности. Для решения этой проблемы разработаны, исследованы, изготовлены и испытаны на практике энергосберегающие асинхронные двигатели с индивидуальной компенсацией реактивной мощности.

Общая постановка проблемы

Повышение энергоэффективности технологий, а также рабочих машин и механизмов, их реализующих, является актуальной технико-экономической проблемой всех отраслей промышленности. До 80–90 % рабочих машин и механизмов промышленных предприятий, строительства, сельского и жилищно-коммунального хозяйств приводятся в движение традиционными асинхронными двигателями (ТАД) с номинальным напряжением до 1000 В. Электроприводы на основе ТАД потребляют не менее 65 % всей вырабатываемой электроэнергии. Около 70 % электроприводов на основе ТАД являются нерегулируемыми, поэтому их энергоэффективность определяется, преимущественно, рабочими характеристиками двигателя.

При известных преимуществах электроприводов на основе ТАД одним из главных их недостатков является сравнительно невысокий энергетический КПД (?эн), определяемый произведением электрического КПД (Ф) и коэффициента мощности (cosФ) двигателя [1]. Даже при нагрузках, близких к номинальным, при которых электрический КПД ТАД находится в диапазоне 70–92 %, а коэффициент мощности 0,75–0,9, наилучший энергетический КПД электроприводов не превосходит 52–83 %. То есть 17–48 % потребляемой электрической энергии преобразуется в тепловую и рассеивается в окружающей среде. Это снижает энергоэффективность преобразования электрической энергии в механическую и, в итоге, конкурентную способность выпускаемой продукции.

В ООО «Научно-исследовательское и опытно-конструкторское бюро “Энергосбережение”» (г. Магнитогорск) совместно с ФГБОУВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова» и ООО «МГТУ-Энергосбережение+» разработаны, исследованы, изготовлены и испытаны на практике энергосберегающие асинхронные двигатели (ЭАД) с индивидуальной компенсацией реактивной мощности [2, 3, 4].

При электрическом КПД ЭАД, равным КПД ТАД, энергетический КПД ЭАД находится в диапазоне 70–92 %, что на 9–18 % выше, чем у ТАД. Это достигается за счет повышения cosФ асинхронного двигателя до 0,99–1,0. Последнее обеспечивается конструктивным изменением обмотки статора, применением трехфазного конденсатора определенной емкости, схемами соединения обмоток друг с другом и конденсатором и использованием явления феррорезонанса токов в электромагнитной системе двигателя [5].

Конструктивные отличия ЭАД от ТАД заключаются в том, что в пазах статора ЭАД размещаются две трехфазные обмотки. Одна из обмоток, называемая рабочей (РО), подключается к источнику питания (ИП), а другая, называемая компенсационной (КО), – к трехфазному конденсатору (С) регламентированной емкости. Параметры обмоток и емкость конденсатора определяются при проектировании электромагнитной системы ЭАД по методике, изложенной, например, в [6, 7]. Отличительной особенностью методики проектирования ЭАД является электромагнитный расчет, выполняемый в два этапа. На первом этапе по известной методике проектирования асинхронных двигателей покритерию минимума затрат рассчитывается ТАД [8]. На втором этапе расчета, используя полученные результаты первого этапа и особенности конструкции ЭАД, осуществляется расчет по критерию максимума энергетического КПД двигателя.

Создание ЭАД возможно или на существующих электромашиностроительных заводах, или на электроремонтных предприятиях, цехах и участках путем реконструкции ТАД при их капитальном ремонте, используя имеющиеся технологии, материалы и оборудование.

Перспективы применения ЭАД в промышленных электроприводах определяются следующими их преимуществами:

• 1. Рабочие и механические характеристики ЭАД превосходят аналогичные характеристики ТАД. Для сравнения, на рис. 1 представлены зависимости cosФ, . = f(Р2) и естественные механические характеристики n = f(М) ТАД и ЭАД типа SMR55, созданного путем реконструкции ТАД при капитальном ремонте


Рисунок 1 - Зависимости Ф, cosФ, . = f(Р2) и n = f(М) ТАД и ЭАД типа SMR55

• 2. Электропривод на основе ЭАД в статических режимах работы практически не потребляет из электросети реактивный ток (реактивную мощность), в результате этого уменьшаются потребляемые полные ток и мощность. Разность начальных фаз питающего напряжения и потребляемого тока (сдвиг фаз) практически равна нулю, коэффициент мощности асинхронного электропривода равен единице, энергетический КПД равен электрическому КПД. На рис. 2 приведены осциллограммы токов, на- пряжений и мощностей электроприводов при установившихся режимах работы одинаковых промышленных механизмов, созданных на основе ТАД и ЭАД типа SMR 55.


Рисунок 2 - Осциллограммы токов, напряжений и мощностей электроприводов на основе ТАД и ЭАД типа SMR 55 поднагрузкой

• 3. Электропривод на основе ЭАД позволяет при пуске в работу снизить динамические механические и электромагнитные нагрузки в рабочей машине и собственно в электродвигателе, а также уменьшить электрическую энергию, потребляемую при пуске. На рис. 3 приведены осциллограммы напряжений, токов и мощностей при пуске электроприводов на основе ЭАД и ТАД типа SMR55 при одинаковых системах управления.
• 4. Нерегулируемые электроприводы на основе ЭАД с короткозамкнутым ротором позволяют осуществлять двух- или трехступенчатые пуски с применением простейшей коммутирующей аппаратуры. Это достигается путем комбинационных электрических соединений рабочей, компенсационной обмоток и конденсатора.

Например, на рис. 4 приведена одна из простейших электрических схем, реализующая двухступенчатый пуск ЭАД с короткозамкнутым ротором ОР. Пуск реализуется или в функции времени, или в функции тока рабочей обмотки. Первая ступень пуска обеспечивается включением коммутирующего устройства К1 при отключенном коммутирующем устройстве К2, вторая ступень – включением К2 при отключенном К1. В приведенной схеме пусковой ток ЭАД уменьшается в (1 + WКО/WРО) раз, где WКО, WРО – числа витков соответствующих обмоток статора. Дополнительная ступень пуска может бытьобеспечена путем переключения последовательно соединенных пофазно КО и РО из схемы «звезда» в схему «треугольник».



Рисунок 3 - Осциллограммы напряжений, токов и энергии при пуске электроприводов на основе ЭАД и ТАД типа SMR55



Рисунок 4 - Электрическая схема двухступенчатого пуска ЭАД с короткозамкнутым ротором

• 5. Конструкция ЭАД позволяет существенно увеличить число электромагнитных схем (ЭМС) силовой части электропривода. Например, обмотки статора могут подключаться к первому трехфазному источнику питания (ИП1) или ко второму источнику питания (ИП2), или одна из обмоток к ИП1, а другая к ИП2. ЭАД может работать с конденсатором или без конденсатора. Обмотки статора могут быть соединены друг с другом или потенциально, или через электромагнитное поле. Пофазно РО и КО могут соединяться последовательно согласно или параллельно одноименными началами или концами. Таким образом, электропривод на основе ЭАД, имеющий пять активных конструктивных элементов (РО, КО, ИП1, ИП2, С), могут иметь ЭМС, число NЭМС которых определяется выражением 5 NЭМС = = 2 32 . Из этих 32-х комбинаций ЭМС не имеют практического применения ЭМС, не содержащие хотя бы один источник питания и одну из обмоток статора, так как без ИП1 или ИП2 и без РО или КО невозможно преобразование электрической энергии в механическую. С учетом этого число реально реализуемых ЭМС равно 28. Каждая электромагнитная схема электропривода позволяет получить индивидуальные рабочие и механические характеристики, что дает возможность проектировщику выбрать наиболее рациональную (эффективную) по заданному критерию схему. Кроме того, эти возможности ЭАД позволяют создавать проблемно-ориентированные электроприводы.

Расчеты и эксперименты, проведенные на реальных электроприводах, созданных на основе ЭАД, при прежних режимах работы механизмов, позволяют утверждать:

• коэффициент загрузки трансформаторов снижается на 13 %;
• потери электрической мощности в системах электроснабжения и электроприводов уменьшаются на 19 %;
• каждый киловатт установленной мощности реконструированного ТАД в ЭАД позволяет в зависимости от режимов работы электропривода экономить в год 310–750 кВт·ч.

  В перспективе на основе ЭАД могут быть созданы регулируемые электроприводы по системам ТРН-ЭАД, ПЧ-ЭАД [9].

  Список использованной литературы

  1. Ильинский Н.Ф. Рожанковский Ю.В., Горнов А.О.Энергосбережение в электроприводе // Энергосберегающая технология электроснабжения народного хозяйства / под ред. В.А. Веникова. – М.: Высш. шк., 1989. – 129 с.
  2. Мугалимов Р.Г., Мугалимова А.Р. Энергосберегающий электропривод нефтяного станка-качалки на основе асинхронного двигателя с индивидуальной компенсацией реактивной мощности // Электромеханические преобразователи энергии: мат-лы Междунар. науч.-техн. конф. – Томск: ТПУ, 2005. – С. 196–199.
  3. Мугалимов Р.Г. Моделирование энергоэффективности электроприводов насосных агрегатов на основе асинхронных двигателей с индивидуальной компенсацией реактивной мощности // Приводная техника. – 2011. – № 1. – С. 3–9
  4. Мугалимов Р.Г., Мугалимова А.Р. Моделирование показателей энергоэффективности вариантов электроприводов промышленных установок на основе применения традиционных и компенсированных асинхронных двигателей // Вестник МГТУ. – 2011. – № 2. – С. 70–75.
  5. Пат. 2112307 RU, МКИ 6 Н02 к 17/28. Асинхронная компенсированная электрическая машина / Савицкий А.Л., Мугалимов Р.Г. , Савицкая Л.Д.// Открытия. Изобретения. – 1998. – № 15. – 8 с.
  6. Мугалимов Р.Г., Мугалимова А.Р. К проектированию энергосберегающего асинхронного двигателя с индивидуальной компенсацией реактивной мощности // Электромеханические и электромагнитные преобразователи энергии и управляемые энергомеханические системы: тр. III Междунар. науч.-техн. конф. – Екатеринбург: УГТУ-УПИ,2007. – С. 77–80.
  7. Мугалимов Р.Г., Косматов В.И., Мугалимова А.Р. Метод и алгоритм проектирования компенсированного энергосберегающего асинхронного двигателя // Сб. мат-лов V Междунар. (XVI Всерос.) науч. конф., 18–21 сентября 2007 г. – СПб., 2007. – С. 281–284.
  8. Гурин Я.С., Кузнецов Б.И. Проектирование серий электрических машин. – М.: Энергия, 1978. – 480 с
  9. Мугалимов Р.Г. Асинхронные двигатели с индивидуальной компенсацией реактивной мощности и электроприводы на их основе. – Магнитогорск: ФГБОУВПО «МГТУ», 2011. – 250 с