Устройство для повышения энергоэффективности асинхронного электропривода
DEVICE FOR IMPROVING THE ENERGY EFFICIENCY OF AN ASYNCHRONOUS ELECTRIC DRIVE

Изобретение относится к области энергосбережения и может быть использовано в судовом и береговом асинхронном электроприводе для повышения его энергоэффективности при малом коэффициенте загрузки установленного электродвигателя.
Известен ряд конструктивно-технических решений (КТР), способов и устройств позволяющих повысить энергоэффективность (коэффициент полезного действия (КПД) и коэффицинт мощности (cosϕ)) асинхронного электропривода (ЭП) при пониженном коэффициенте загрузки установленного электродвигателя (ЭД) [Краснов И.Ю. Методы и средства энергосбережения на промышленных предприятиях: учебное пособие / И.Ю. Краснов; Томский политехнический университет.- Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2012. - 186 с.]:
1. Применение энергосберегающих ЭД, в которых снижение потерь мощности достигается за счет увеличения объемов активных материалов (меди и стали) в конструкции статора и ротора самого ЭД. Такие энергосберегающие ЭД имеют несколько лучшие показатели энергоэффективности по сравнению с обычными ЭД. Однако при малом коэффициенте загрузки КПД и cosϕ таких ЭД имеют достаточно низкие значения. Кроме того, энергосберегающие ЭД имеют существенно большую стоимость по сравнению с обычными ЭД, что также является недостатком данного КТР.
2. Применение ЭД с уменьшенным моментом инерции ротора за счет его удлинения и, соответственно, уменьшения диаметра, или выполнение ротора полым, позволяет уменьшить потери энергии только в переходных процессах. Снижение момента инерции ЭП также может быть получено при использовании двух ЭД половинной мощности вместо одного ЭД при той же скорости вращения. В установившихся режимах работы, а также режимах работы ЭП с недогрузкой, энергоэффективность такого КТР достаточно низкая.
3. Применение устройств плавного пуска ЭД. В качестве устройств плавного пуска используют, как правило, тиристорный или симисторный регулятор напряжения. Этот способ характеризуется достаточно низкой стоимостью реализации, однако он позволяет, также как описанное выше КТР, улучшить показатели энергоэффективности ЭП только в переходных режимах его работы, что является его недостатком.
4. Применение частотно-регулируемого ЭП с использованием полупроводниковых частотных преобразователей (ППЧ). Этот способ обеспечивает достаточно высокие показатели энергоэффективности как в номинальном, так и в частичных (долевых) режимах работы ЭП. Однако установка ППЧ не всегда целесообразна по ряду причин: во-первых, из-за высокой стоимости ППЧ; во-вторых, из-за снижения общего КПД ЭП, т.к. дополнительно к потерям в ЭД добавляются потери в ППЧ; в-третьих, из-за снижения надежности ЭП в целом и необходимости его обслуживания высококвалифицированным персоналом. В силу вышеизложенных недостатков данного способа массовое его применение нецелесообразно.
Также известно устройство для повышения энергоэффективности асинхронного ЭП за счет уменьшения пусковых токов содержащегося в нем трехфазного короткозамкнутого ЭД путем переключения его обмоток со схемы звезда (Y) при пуске на схему треугольник (Δ) в работе, принятое за прототип [Ильинский В.В. Электропривод: энерго- и ресурсосбережение [Текст], учеб. пособие для студ. высш. учеб. заведений / Н.Ф. Ильинский, В. В. Москаленко. - М.: Издательский центр «Академия», 2008. - 208 с.]. Данное устройство содержит асинхронный трехфазный короткозамкнутый ЭД и традиционную релейно-контакторную аппаратуру, включающую магнитный пускатель, реле времени и два контактора, катушки которых соединены между собой параллельно. Также устройство содержит автоматический выключатель, служащий для подключения ЭД с данной релейно-контакторной аппаратурой к сети и его защиты от токов короткого замыкания и токов перегрузки. Реле времени обеспечивает подключение катушек данных контакторов к сети с выдержкой времени. А контакторы служат для коммутации обмоток ЭД - соединения их на схему звезда (Y) при пуске, и последующего, с небольшой временной задержкой 1,5…2 с, их пересоединения на схему треугольник (Δ).
За счет понижения напряжения снижается, в соответствии с законом Ома, и ток, потребляемый ЭД, также снижаются пропорционально квадрату этого тока и электрические потери в обмотках его статора. Недостатком этого устройства является то, что практически оно используется только в кратковременном режиме - при пуске ЭП, и позволяет, соответственно, повысить его энергоэффективность только во время кратковременного пуска. Устройств, позволяющих автоматически переключать обмотки ЭД со схемы звезда (Y) на схему треугольник (Δ) и обратно, в зависимости от коэффициента его загрузки, в известной литературе не найдено.
Техническая задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, состоит в устранении указанного недостатка, а именно: обеспечить снижение потерь в асинхронном ЭП не только в кратковременном, но и в продолжительном режиме его работы при малом коэффициенте загрузки.
Поставленная задача достигается тем, что в известном устройстве для повышения энергоэффективности асинхронного электропривода, содержащем асинхронный трехфазный короткозамкнутый ЭД и магнитный пускатель, в отличие от него, заявляемое устройство дополнительно содержит подключенный к обмоткам ЭД фазометр и/или датчик тока, контроллер с источником его питания и переключающий контактор. При этом выход фазометра и/или датчика тока соединен входом данного контроллера, а выход контроллера соединен с катушкой переключающего контактора. Контроллер запрограммирован таким образом, что подачу тока в катушку контактора, который при этом соединяет обмотки ЭД посредством его контактов в схему треугольник, он подает при повышении коэффициента мощности и/или тока ЭД с временной задержкой, а при понижении коэффициента мощности и/или тока ЭД подача тока контроллером в катушку контактора с такой же временной задержкой прекращается, обмотки ЭД при этом посредством контактов контактора соединяются в схему звезда.
В частном случае временная задержка подачи тока контроллером в катушку контактора равна 10 с.
Благодаря тому, что в данном устройстве осуществляется автоматическое переключение обмоток ЭД со схемы треугольник (Δ) на схему звезда (Y) при каждом понижении его коэффициента мощности и/или тока, т.е. при понижении коэффициента его загрузки, обеспечивается понижение напряжения питания, а следовательно, снижение потребляемого тока и экономия электроэнергии.
Благодаря тому, что автоматическое переключение обмоток ЭД со схемы треугольник (Δ) на схему звезда (Y) производится во время продолжительной его работы при каждом соответствующем понижении коэффициента мощности и/или тока, обеспечивается существенное повышение энергоэффективности заявляемого изобретения.
За счет того, что подача тока контроллером в катушку переключающего контактора осуществляется с временной задержкой, во-первых, исключается пуск ЭД с соединенными в схему треугольник (Δ) его обмотками, благодаря чему обеспечивается понижение пусковых токов электродвигателя; а во-вторых, исключается переключение его обмоток при кратковременной работе в режиме малых нагрузок или холостого хода, благодаря чему увеличивается эксплуатационный ресурс контактора и надежность ЭП в целом, что является дополнительным его преимуществом.
Заявляемое изобретение характеризуется большей надежностью по сравнению с прототипом еще и потому, что в его конструкции содержится два коммутационных аппарата - один переключающий контактор и один магнитный пускатель, а у прототипа коммутационных аппаратов вдвое больше - два контактора, механическое реле времени и магнитный пускатель.
Еще одним дополнительным преимуществом заявляемого изобретения является невысокая его цена, соизмеримая со стоимостью прототипа, т.к. стоимость фазометра, датчика тока и типового контроллера, невелика.
Заявляемое изобретение иллюстрируется: фиг. 1 - Функциональная электрическая схема электропривода.
Заявляемое устройство повышения энергоэффективности асинхронного электропривода реализуется посредством схемы, изображенной на фиг. 1. Данная схема содержит автоматический выключатель (АВ) (1), нереверсивный магнитный пускатель (МП) (2) с его типовой электрической схемой, включающей кнопку пуск (3), кнопку стоп (4), тепловое реле (5) с его нормально замкнутым контактом (5.1), катушку (6) МП (2), главные его контакты (6.2) и замыкающий его блок-контакт (6.1). При этом кнопка пуск (3) соединена последовательно с кнопкой стоп (4), контактом теплового реле (5.1) и катушкой (6) МП (2). Блок-контакт (6.1) МП (2) включен параллельно кнопке пуск (3), а его главные контакты (6.2) включены в цепь обмотки статора (не показано) асинхронного ЭД (7) последовательно с тепловым реле (5) и АВ (1). Также устройство содержит включенный на линейное напряжение, например В - С, фазометр (8) и/или датчик тока (не показано), включенный в одну из фаз - А, В или С, контроллер (9) с его источником питания (10) и переключающий контактор (11). Выход фазометра (8) и/или датчика тока (не показано) соединен со входом контроллера (9).
МП (2) служит для пуска ЭД (7), его остановки, а также защиты от токовой перегрузки. При необходимости реверса ЭД (7) МП (2) используют реверсивного типа (не показано). АВ (1) служит для включения и отключения электрической цепи, а также для ее защиты от токов короткого замыкания. В качестве источника питания (10) контроллера (9) служит однофазный трансформатор напряжения. В качестве датчика тока (не показано), может быть использован трансформатор тока, катушка Роговского или оптоволоконный (волоконно-оптический) датчик тока.
Фазометр (8) служит для измерения углов сдвига фаз (cosϕ) между двумя изменяющимися периодически электрическими колебаниями (напряжением и током ЭД (7)) и подачи управляющего сигнала по его выходу на вход контроллера (9). Датчик тока (не показано) служит для измерения тока ЭД и подачи управляющего сигнала по его выходу на вход контроллера (9), который по этому управляющему сигналу и/или управляющему сигналу фазометра (8), осуществляет по его выходу подключение катушки (не показано) переключающего контактора (11) к источнику питания (10) или ее отключение от этого источника питания (10).
Переключающий контактор (11) служит для соединения обмоток (не показано) ЭД (7) в схему звезда (Y) или в схему треугольник (Δ) посредством его переключающих контактов (11.1).
Заявляемое устройство повышения энергоэффективности асинхронного электропривода работает следующим образом. При замыкании АВ (1) и нажатии кнопки пуск (3) катушка МП (6) получает питание. Блок-контакт (6.1) МП (2) при этом шунтирует кнопку пуск (3), после чего ее можно отпустить, а главные контакты (6.2) замыкаются, подключая обмотки статора (не показано) асинхронного ЭД (7) к сети. Переключающие контакты (11.1) контактора (11) находятся в замкнутом положении I, а обмотки статора (не показано) ЭД (7) при этом соединены в схему звезда (Y). Ротор ЭД (7) разгоняется до номинальной скорости. После небольшой временной задержки t=10 с контроллер (9) начинает сравнивать текущее значение cosϕ, измеренное с помощью фазометра (8), и/или текущее значение тока, измеренное с помощью датчика тока (не показан), с заданными заранее в его памяти верхним и нижним пороговыми значениями cosϕ, и, соответственно, с верхним и нижним пороговыми значениями тока. При достижении cosϕ и/или током верхнего порогового значения, контроллер (9) подключает катушку (не показано) переключающего контактора (11) к источнику питания (10). Переключающие контакты (11.1) при этом переходят из замкнутого положения I в замкнутое положение II и переключают, тем самым, обмотки статора (не показано) асинхронного ЭД (7) со схемы звезда (Y) на схему треугольник (Δ).
А при понижении коэффициента загрузки ЭД (7) его cosϕ и ток также уменьшаются. При достижении cosϕ и/или током нижнего порогового значения, контроллер (9) отключает катушку (не показано) переключающего контактора (11) от источника питания (10). Переключающие контакты (11.1) при этом переходят из замкнутого положения II в замкнутое положение I и переключают, тем самым, обмотки статора (не показано) асинхронного ЭД (7) со схемы треугольник (Δ) на схему звезда (Y). Коэффициент загрузки ЭД при этом, благодаря понижению напряжения питания на обмотках статора, повышается.
Таким образом, при нагрузках на валу ЭД (7), близких к номинальному значению, и, соответственно, близких к номинальному значению cosϕ и тока, обмотки его статора автоматически соединяются посредством контактов (11.1) переключающего контактора (11) в схему треугольник (Δ), и двигатель работает с номинальным напряжением, током и мощностью. При понижении нагрузки на валу ЭД (7), и соответственно, понижении cosϕ и тока, обмотки его статора автоматически соединяются посредством контактов (11.1) переключающего контактора (11) в схему звезда (Y). К обмоткам в этом случае подводится пониженное в  раза напряжение, а развиваемая ЭД мощность снижается при этом в 3 раза, за счет чего снижаются и суммарные потери в ЭД (7).
Предложенное устройство может быть использовано при равенстве номинального фазного напряжения обмотки статора ЭД и линейного напряжения сети, и может найти применение в ЭП таких механизмов, которые имеют квадратичную (вентиляторную) зависимость момента сопротивления на валу от частоты его вращения: вентиляторы, центробежные и вихревые насосы, сепараторы, центрифуги, гребные винты. Широкие перспективы применения данное устройство имеет в ЭП судовых механизмов, ряд которых большую часть времени работает с существенной недогрузкой по моменту, и очевидно, с пониженным коэффициентом мощности, загружая при этом питающую сеть повышенной реактивной мощностью: электрогидравлические рулевые машины, электроприводы, обслуживающие механизмы главной силовой установки судна при ее работе в долевых режимах, в том числе электроприводы судовых нагнетателей (насосов, вентиляторов, компрессоров).
Также предложенное устройство может найти применение и в береговых ЭП механизмов непрерывного транспорта, для перемещения твердых, жидких и газообразных продуктов (конвейеры, вентиляторы, насосы) с нерегулируемым асинхронным ЭП, который приводит в движение рабочие органы с постоянной скоростью независимо от загрузки данных механизмов. При неполной (частичной) их нагрузке работа ЭП с постоянной скоростью характеризуется, как известно, повышенным удельным расходом электроэнергии по сравнению с номинальным режимом (номинальной нагрузкой). Применение предложенного устройства в ЭП таких механизмов при их недогрузке позволяет выполнить ту же работу с меньшим удельным расходом электроэнергии.