Важнейшими организационно-техническими мероприятиями энергосбережения в асинхронных электроприводах является правильный выбор установленной мощности асинхронного двигателя. Эта задача особенно актуальна при использовании нерегулируемых двигателей, которые ещё преобладают среди промышленных электроприводов.

При использовании асинхронного двигателя с меньшей номинальной мощностью, чем требуемая по условиям работы механизма, происходит перегрев двигателя и её преждевременный выход из строя. А завышение мощности двигателя по сравнению с требуемой возрастают капитальные затраты на электропривод, снижается КПД и коэффициент мощности двигателя.[1]

Повышение КПД нерегулируемых АД на несколько процентов возможно применением энергоэффективных двигателей, в которых за счёт увеличения активных материалов (меди и стали) обеспечивалось повышение КПД на 2-5%. Повышение КПД возможно также и увеличением коэффициента загрузки двигателей, считается, что средняя загрузка двигателей должна превышать 60-70%.

Электроприводы большинства производственных имеют завышенную мощность, превышающую в 2-3 раза необходимую, а некоторые электроприводы механизмов по технологическим особенностям часть времени работают с недогрузкой (прессы, кузнечные механизмы, металлообрабатывающие станки и т.д.). Эти особенности позволяют снизить энергопотребление недогруженного асинхронного двигателя в зоне минимальных скоростей за счет применения тиристорного преобразователя напряжения – ТПН на регулировочных характеристиках (рис.1).

Рис.1. Естественная (1) и регулировочная (2) характеристики АД

Электромагнитные потери в двигателе определяются выражением

 (1)

При работе асинхронного двигателя в системе ТПН-АД составляющие потерь мощности определяются по формулам

 (2)

Из выражения (2) следует, что при работе АД на естественной характеристике при изменение скольжения от 0 до S_н потери  зависят только от статического момента.

Для тиристорного преобразователя напряжения оптимальное значения скольжения может быть определено

 (3)

Изменение  в диапазоне 1 ÷ 1,2 не оказывает существенного влияния на значение . Как следует из формулы (3) значение  не зависит от М_с*, что позволяет задавать АД и поддерживать соответствующую скорость при изменяющемся моменте нагрузки. [1]

Оптимизация энергопотребления наиболее просто реализуется при наличии датчика скорости в системе автоматического регулирования скорости ТПН – АД. На рис.2 показана схема системы автоматического регулирования (САР) скорости ТПН – АД. В этой системе заданная скорость будет

В этом случае электропривод будет работать в процессе регулирования скорости при , значение которого не будет изменяться.

Для разных типов асинхронных двигателей  и определяется коэффициентом А, то есть значением тока холостого хода. У двигателей краново-металлургических серий, отличающихся повышенным воздушным зазором и током холостого хода I₀, оптимальное скольжение  приближается к номинальному . Если , то двигатель может работать с оптимальным скольжением. При этом несколько снижается скорость по сравнению с работой на естественной характеристике, уменьшаются потери в меди и стали статора и возрастают потери в меди и стали ротора, а электромагнитные потери при  меньше, чем при 

Рис.2. Схема САР скорости системы ТПН – АД:ДС – датчик скорости; СУ – система управления; α – угол открытия вентилей; ω – заданная и истинная скорости АД.

Наибольшее снижение потерь при работе в зоне максимальной скорости может быть обеспечено у краново-металлургических двигателей, имеющих больщее значение момента М_с* при котором может быть достигнуто снижение энергопотребления. При работе в установившемся режиме с М_с* = 0,05 значение  для краново-металлургических двигателей может быть снижено в 5 – 8 раз, а для двигателей единой серии в 3 – 6 раз.

Электромагнитный КПД двигателя

Значение КПД может возрасти соответственно в 2 – 3 или 1,5 – 2 раза.

Снижение потерь может быть также обеспечено при работе нерегулируемого привода в продолжительном режиме при управлении механизмами непрерывного действия, например вентилятора, когда двигатель выбран со значительном запасом мощности. В этом случае работа при пониженном напряжении может быть реализована в течении всего времени работы (до 9000 часов в год).[2]

Экономия электроэнергии при применении системы ТПН-АД не столь значительна, чтобы обеспечить быструю окупаемость ТПН, включенного в статорные цепи АД. Использование ТПН в большинстве случаев вызвано технологическими требованиями производственных механизмов, требующих плавного пуска и ограничения ударных моментов, ускорений и рывков, возникающих при прямом подключении АД к номинальному напряжению сети. Поэтому ТПН, используемые по условиям технологии, позволяют одновременно решать задачу снижения энергопотребления практически без дополнительных затрат.[3]

При частотном способе регулирования скорости потери в двигатели зависят как от частоты, так и от момента нагрузки. При невысоких нагрузках суммарные потери в двигателе с уменьшением частоты уменьшаются. При перегрузках характер суммарных потерь в двигателе меняются. В этих случаях с уменьшением частоты суммарные потери в двигателе начинают увеличиваться за счёт увеличения потерь в меди обмоток статора и ротора, при том что потери в стали и механические потери уменьшаются. Так, при  и перегрузке двигателя на 10% суммарные потери в нём увеличиваются в 2 раза. Коэффициент полезного действия также зависит не только от частоты, но и от момента нагрузки. В диапазоне частот 0,25 ÷ 1 максимальное значении КПД соответствует 0,5М величине момента. В системе ПЧ-АД основную долю потерь составляют потери в двигателе, однако за счёт потерь в преобразователе частоты потери в системе увеличиваются, а КПД уменьшается.[1]

Одним из важнейших критериев качества по энергетическим соображениям и надёжности электроприводов являются потери мощности. Требования оптимальности по потерям можно рассматривать по отношению к двигателю, преобразователю частоты и в целом к электроприводу. Выявление оптимального режима управления по минимуму потерь двигателя имеет значение в следующих случаях:

При обеспечении минимума потерь для ограничения нагрева двигателя и расширения области допустимых моментов нагрузки;

Для анализа эффективности законов частотного управления по критерию потерь в двигателе.

Целью в этих случаях является обеспечение надёжной работы двигателя, так как даже незначительное повторяющееся превышение температуры обмотки статора сверх допустимой приводит к ускоренному старению изоляции и сокращению срока службы АД.