Рассмотрим влияние качества электроэнергии на работу отдельных электроприемников.
Асинхронные электродвигатели (АД). Максимальный электромагнитный момент АД прямо пропорционален квадрату напряжения, приложенного к обмотке статора, и приблизительно обратно пропорционален квадрату частоты сети. При нагрузке, отличной от номинальной, кратность максимального электромагнитного момента Ммах.эл моменту сопротивления Мс, отвечающему этой нагрузке, равна [24]:
где ku, kf— отношение фактического напряжения, частоты к номинальному напряжению, частоте; тс=Мс/Мном.эл,
М ном. эл— номинальный электромагнитный момент; bном= 
=Мтах/Мном. эл — кратность максимального электромагнитного момента номинальному при номинальных напряжении и частоте.
Уменьшение вращающего момента при сниженном напряжении может затруднить самозапуск АД. Снижение напряжения электросети приводит к уменьшению момента электромагнитного асинхронного электродвигателя, увеличению скольжения, т. е. к уменьшению частоты вращения приводного механизма. Снижение частоты приводит к уменьшению синхронной частоты вращения и некоторому снижению скольжения (из-за увеличения Мэл).
Механизмы, применяемые в промышленности, имеют различные механические характеристики. Поршневые насосы при неизменном противодавлении, каландры, лебедки, подъемные механизмы, конвейеры и шнеки при постоянной массе передвигаемого материала имеют постоянный Мс (х=0), поскольку в пределах рабочих частот вращения М0 меняется мало. Момент сопротивления шаровых мельниц также практически не зависит от частоты вращения.
Активная мощность, потребляемая этими агрегатами, пропорциональна частоте вращения электродвигателя.
Некоторые потребители (например, привод генераторов с независимым возбуждением систем двигатель — генератор — двигатель) имеют прямолинейно-падающую механическую характеристику (х=1), т. е. момент сопротивления линейно зависит от частоты вращения. Активная мощность этих потребителей пропорциональна второй степени частоты вращения. Вентиляторы, центробежные насосы обладают так называемым вентиляторным моментом сопротивления, зависящим от квадрата частоты вращения. Активная мощность таких потребителей пропорциональна третьей степени частоты вращения.
Допустимое снижение напряжения, или повышение частоты, по условию сохранения статической устойчивости асинхронного электродвигателя определяется как
В пределах устойчивой работы электродвигателя изменение напряжения мало меняет скольжение (рис. 2.16) и, следовательно, как это видно из (2.1), частоту вращения ротора асинхронного электродвигателя. Так, для электродвигателя, работающего с постоянным моментом сопротивления и имеющего bном=2 и Sкр=0,1 [24], снижение напряжения на 10% уменьшает частоту вращения всего на 1%, а при повышении напряжения на 10% возрастает на 0,4%. Из (2.1) также видно, что частота вращения ротора меняется почти пропорционально изменению частоты. Изменение частоты на 10% приводит к изменению частоты вращения ротора на 9,8%.
Зависимость скольжения асинхронного электродвигателя от частоты показана на рис. 2.17. Изменение частоты вращения электродвигателей отражается на работе агрегата и технологическом процессе. Например, снижение частоты вращения электроприводов прядильных машин приводит к нарушению структуры намотки, возникают обрывы пряжи, снижается производительность машин и качество продукции, появляется брак. Увеличение частоты вращения вызывает дополнительное натяжение пряжи, что также увеличивает ее обрывность, вызывает брак.
1 При работе центробежного насоса с противодавлением полный напор, производительность и мощность на валу при изменении частоты вращения необходимо определять по QH-характеристикам и характеристике сопротивления.
Кратковременные изменения частоты вращения электродвигателей ткацких станков из-за колебаний напряжения сети приводят к изменению плотности ткани, снижению производительности станков и качества продукции. При производстве бумаги весьма важно постоянство скорости бумагоделательных машин. При отклонениях напряжения ускорение машин отдельных секций из-за различия их электромеханических
Рис. 2.16. Зависимость скольжения асинхронного электродвигателя с различными максимальными моментами от изменения напряжения при номинальных частоте и нагрузке
постоянных времени будет разное.
Рис. 2.17. Зависимость скольжения асинхронного двигателя от частоты при работе с номинальными напряжением и нагрузкой
Возникает расхождение скоростей секций машин, приводящее к обрыву бумаги. Даже отклонение напряжения на ±5% от номинального значения существенно влияет на частоту вращения привода, вызывает расстройство технологического процесса (брак, непостоянную плотность бумажного полотна, его обрыв) или остановку машин. При отклонениях частоты вращения привода в пределах 0—1% возможно нарушение его нормальной работы, снижение качества бумаги. В пределах —1%≤∆f≤—2,5% наступает обрыв полотна бумаги, остановка машины технологической защитой.
Рассмотрим влияние изменения напряжения и частоты на изменение тока холостого хода, реактивной мощности и КПД асинхронного электродвигателя.
Исходя из того, что U≈E1=4,44kобfΦ, и принимая U=kuUном, получаем:
(2.2)
где Ф, Фном — магнитный поток соответственно при фактических и номинальных напряжении и частоте; kоб — обмоточный коэффициент.
Намагничивающий ток, создающий соответствующий (2.2) магнитный поток, будет изменяться по характеристике холостого хода.
На рис. 2.18 показаны изменения реактивной мощности намагничивания, реактивной мощности рассеяния и полной реактивной мощности для электродвигателя с bном=2;
Рис. 2.18. Изменение реактивной мощности асинхронного двигателя в зависимости от напряжения при номинальной частоте (кривые 1, 3, 5)
и от частоты при номинальном напряжении (кривые 2, 4, 6):
А — А — граница устойчивости при понижении напряжения; Б — Е — то же при повышении частоты
cos ψ=0,85 при работе с постоянным номинальным электромагнитным моментом [24].
Рис. 2.19. Зависимость тока статора асинхронного двигателя от напряжения при работе с номинальными частотой и нагрузкой при Ьвом = 2 вызывает изменение тока ротора. Изменение тока статора при изменении напряжения и частоты (рис. 2.19, 2.20) зависит от нагрузки электродвигателя и его параметров (отношения тока холостого хода к номинальному).
Изменение скольжения электродвигателя КПД асинхронного электродвигателя [24]
где Р, Рном — электромагнитная мощность, передаваемая от статора к ротору соответственно при фактической и номинальной нагрузке; ΔΡ1 — потери в меди, стали и добавочные потери; a≤l— коэффициент, определяющий механические потери в долях Рном· С достаточной для наших расчетов точностью можно принять а=0,01 и ΔΡ1= —0,05 Рном, тогда
Рис. 2.20. Зависимость тока статора асинхронного двигателя от частоты при работе с номинальным напряжением при bном=2:
а — при моменте сопротивления вентиляторного типа; б — при постоянном моменте сопротивления
Система несимметричного напряжения состоит из систем напряжений прямой и обратной последовательностей.
В электрических машинах переменного тока эти системы создают магнитные поля, вращающиеся соответственно с синхронной частотой вращения в направлении вращения ротора и с двойной синхронной частотой в противоположном направлении. Возникают тормозной электромагнитный момент, а также дополнительный нагрев активных частей машины, главным образом ротора, за счет токов двойной частоты. В асинхронных электродвигателях уменьшение полезного вращающего момента пропорционально квадрату коэффициента несимметрии [39]
где z1α и z2α — полные сопротивления прямой и обратной последовательностей электродвигателя.
Обычно коэффициент несимметрии в практике эксплуатации сетей не превышает 0,05—0,06, поэтому электромагнитный момент асинхронного электродвигателя уменьшается на весьма малое значение. Потери энергии в электродвигателе, вызванные несимметрией напряжения,
где ΔΡм.ном — номинальные потери в меди статора электродвигателя; kп — кратность пускового тока.
При работе электродвигателя с номинальной нагрузкой и коэффициентом несимметрии, равным 0,04, срок службы изоляции электродвигателя сокращается примерно в 2 раза из-за дополнительного нагрева. При большей несимметрии срок службы изоляции снижается еще больше, и поэтому во избежание преждевременного выхода из строя электродвигателя приходится снижать его допустимую нагрузку.
Расчеты, выполненные различными авторами, показывают, что увеличение суммарных потерь в асинхронных электродвигателях из-за снижения качества электроэнергии оценивается в целом по стране в 120—150 млн. кВт-ч.
