Снижение напряжения на зажимах электродвигателя

При невозможности замены малозагруженных двигателей следует проверить целесообразность снижения напряжения на его зажимах. Снижение напряжения питания АД приводит к уменьшению потребления реактивной мощности (за счет снижения тока намагничивания) и, тем самым, к повышению cosj. При этом одновременно уменьшаются потери активной мощности, т.е. увеличивается КПД двигателя. В некоторых случаях понижение напряжения требуется только для запуска двигателя и регуляторы можно назвать регуляторами пуска. В других случаях возможна длительная работа двигателей при пониженных напряжениях, что обеспечивается с помощью регуляторов напряжения. При этом регулятор используется и для запуска электродвигателя. Возможны следующие методы снижения напряжения у малозагруженных асинхронных двигателей:

· переключение статорной обмотки с "треугольника" на "звезду";

· секционирование статорных обмоток;

· понижение напряжения в силовых цепях предприятий переключением ответвлений понижающих трансформаторов;

· применение регулируемого электропривода, позволяющего изменять напряжение на статоре АД в функции нагрузки (ЧРП, ТРН-АД).

Переключение статорной обмотки АД с "треугольника" на "звезду" обычно рекомендуют для двигателей напряжением до 1000В, загруженных менее чем на 30%. Эффективность мероприятий поясняется рисунками (здесь представлены графики для значений cos j_н = 0,78; 0,82; 0,86; 0,9).

Величина момента, развиваемого асинхронным двигателем, пропорциональна квадрату напряжения питающей сети. Поэтому при переключении обмоток статора с "треугольника" на "звезду" вследствие снижения момента необходимо производить проверку по перегрузочной способности и величине пускового момента.

Секционирование рекомендуется, если невозможно воспользоваться предыдущим способом. Если двигатели изготовлены с параллельными ветвями в статорной обмотке, то секционирование осуществляют путем перепайки лобовых соединений обмотки. Если же обмотка выполнена одиночным проводом, то переключение секций обмотки возможно лишь при капитальном ремонте.

Переключение ответвлений понижающего трансформатора часто применяют на практике. Это производиться если трансформатор не питает одновременно другие приемники, которые не допускают снижения напряжения на их зажимах. Понижая напряжение питающей сети, следует помнить, что при этом возрастают потери и в самой сети. А в трансформаторах суммарные потери активной мощности при изменении напряжения в большинстве случаев не меняются.

Снижение напряжения влияет и на тепловой режим асинхронных двигателей. Так, при номинальной нагрузке и номинальной частоте питающей сети снижение напряжения на 10% приводит к росту перегрева двигателя также на 10%. Однако следует учитывать, что при загрузке двигателя, составляющей 90%, допустимо снижать напряжение на 13%, а при k_З = 0,8 – напряжение можно снижать на 22%, без опасности перегрева двигателя свыше допустимого.

На практике используют отключение части приводных двигателей при недогрузке, например многодвигательного конвейера. Но это нецелесообразно, поскольку из-за вращения работающими двигателями неработающих приводных блоков потери мощности почти не уменьшаются. А износ редукторов, связанных с неработающими двигателями, может быть не меньше, чем у работающих.

На рис.а приведены зависимости тока от напряжения при различных моментах нагрузки. Как видно, при каждой нагрузке АД имеется такое напряжение, при котором потребляемый двигателем ток минимален.

Штриховая линия, проведенная через точки минимумов тока для каждой нагрузки, определяет закон регулирования напряжения в функции тока.

При реализации такого закона, при любой нагрузке из сети потребляется минимальный ток. Это приводит к существенному повышению КПД электропривода и эффективному использованию установленной мощности АД.

На рис.б представлены рабочие характеристики электропривода с переменной нагрузкой, питающегося от сети с частотой 50 Гц и номинальным напряжением 220В (сплошные линии) и от частотного преобразователя (пунктирные).

Как видно из характеристик, при уменьшении нагрузки от номинальной (Р_2н=750 Вт) до минимальной (200 Вт) при питании АД (4АМ71В) от энергосберегающего устройства по сравнению с нерегулируемым электроприводом, потребляемая двигателем мощность Р_п уменьшается от 8,7 до 61%, коэффициент полезного действия η увеличивается от 7 до 43%, коэффициент мощности cosφ от 6 до 36%.

Уровень оптимального фазного напряжения U_ф.опт при тех же диапазонах изменения мощности на валу АД уменьшается до 50% номинального U_ф.н. Таким образом, применение энергосберегающего устройства существенно улучшает технико-экономические и энергетические показатели установки.

6.6. Использование синхронной машины как компенсатора реактивной мощности

Работа системы электроснабжения характеризуется потреблением электроприемниками реактивной мощности. Это вызывает:

· дополнительные потери энергии в системе;

· снижение уровня напряжения и необходимость иметь повышенную пропускную способность подстанций и распределительных сетей, что снижает экономичность работы системы.

В связи с этим необходимо производить компенсацию реактивной мощности. Одним из эффективных способов компенсации является использование синхронной машины, которая за счет регулирования тока возбуждения может осуществлять генерацию реактивной мощности в электрическую сеть. В этом случае СД работает с опережающим cosj.

Возможность работы СД в качестве источника (компенсатора) реактивной мощности иллюстрируют V – образные характеристики (см. рисунок), которые представляют собой зависимости тока статора двигателя I₁ и его cosj от тока возбуждения I_в при U_Ф = const, f₁ = const и P₁=const. Зависимости тока I₁(I_в) имеют минимум, которому соответствует максимум коэффициента мощности cosj=1, что объясняется с помощью векторной диаграммы СД.

При небольших токах возбуждения ток статора I₁ отстает от напряжения U_Ф на угол j, что соответствует работе СД с отстающим cosj и потреблению им реактивной мощности из питающей сети. Активная составляющая полного тока I_1а=I₁cosjсовпадает по направлению с вектором напряжения сети U_ф, а реактивнаясоставляющая I_1р отстает от него на 90°, что и определяет потребление реактивной мощности.

Пусть СД работает при постоянной нагрузке и потребляет из сети активную мощность

Пусть СД работает при постоянной нагрузке и потребляет из сети активную мощность Р₁ = 3 U_Ф I₁cosj = 3 U_Ф I_1а.

Из выражения следует, что при P₁ = const и ток I_1а= const. Поэтому при увеличении тока возбуждения СД конец вектора полного тока I₁ будет перемещаться вверх по штриховой вертикальной линии, что означает уменьшение реактивной составляющей тока. При некотором токе возбуждения, близком к номинальному, реактивная составляющая тока станет равной нулю, т.е. ток статора будет равен активной составляющей I_1а. Этому режиму соответствует точка минимума кривых токов I₁(I_в) и максимально возможное значение cosj =1.

При дальнейшем увеличении тока возбуждения (перевозбуждение СД) вновь появится реактивная составляющая тока I'_1р, но уже опережающая напряжение сети на 90°. Ток статора I'₁ также будет опережать напряжение сети и СД будет работать с опережающим cosj, отдавая реактивную энергию в питающую сеть.

На рисунке показаны зависимости при двух уровнях нагрузки – номинальной (Р_н) и при холостом ходе (Р_х). Область характеристик справа от штрих пунктирной линии cosj=1 соответствует работе СД с опережающим cosj, а слева – с отстающим. Из рисунка видно, что с ростом мощности нагрузки область генерации реактивной мощности (опережающего cosj) смещается в сторону больших токов возбуждения. Таким образом, если СД работает с пере­менной нагрузкой на валу, то для полного использования его компенсирующих свойств требуется соответствующее изменение его тока возбуждения, что ведет к увеличению габаритной мощности двигателя.

Отдаваемая или потребляемая реактивная мощность СД

Q = 3 U_ф I₁ sinj.

Отношение полной (габаритной) мощности к активной

.

Пусть требуемая реактивная опережающая мощность составляет 40% активной мощности, т.е. Q/P = 0,4. Расчет по формуле показывает, что при этом отношение S/P составит 1,08, т.е. генерирование указанной реактивной мощности потребует увеличения габаритной мощности только на 8%.