Теория электропривода учебное пособие

встречно, как показано на рис. 8.10. Из-за разности векторов ∆Е2 = 0 в роторных цепях

ВАМ1 и ВАМ2 тока не будет, поэтому не будет угла рассогласования между пространственным положением секций обмоток роторов вспомогательных машин.

Если теперь к валу машинного агрегата 1 приложить нагрузку, то ЭДС Е21 отстанет от оси Е22 (от оси своего преж-

него состояния) на угол θ. В результате появляется разность вторичных ЭДС ∆Е2 , которая определяет появление так называемого уравнительного тока I2 в роторных цепях, опре-

ϕ21 > 90°, cos ϕ21 < 0,

ϕ22 < 90°, cos ϕ22 > 0.

Вспомогательные машины создают на своих валах моменты:

M1 = –km · I2 · cos ϕ21 > 0 – ВАМ1 работает в двигательном режиме, создавая дополнительный вращающий момент основному двигателю АД1;

M2 = –km · I2 · cosϕ22 < 0 – ВАМ2 работает в тормозном режиме противовключением по отношению к основному двигателю АД2, помогая синхронизировать валы 1 и 2 (знаки «минус» перед моментами означают включение ВАМ «против» поля АД).

261

Моменты М1 и М2 вспомогательных машин могут быть определены по следующим соотношениям, вывод которых дан в работах [2, 5]:

где Мк и sк – критические момент и скольжение ВАМ. Включение вспомогательных машин для работы против

поля основных, как отмечено выше, соответствует s = 2. Это обеспечивает наибольшее значение синхронизирующих моментов М1 и М2.

Из соотношений (8.7) и (8.8) можно для s ≈ 2 получить

Из полученных выражений синхронизирующий момент будет

При θ > 90° ССВ с ВАМ перестает поддерживать синхронное движение, выпадая из синхронизма, так как при дальнейшем увеличении θ (более 90°) с ростом нагрузки синхронизирующий момент станет уменьшаться.

262

Надежная работа ССВ обеспечивается при θ ≤ 20…30°. Пуск ССВ с ВАМ. Перед пуском роторы ВАМ всегда будут рассогласованы (θ ≠ 0), и при пуске будут возникать ди-

ной схеме включаются статоры и основных асинхронных машин (АД).

При включении двух фаз статоров создается неподвижное в пространстве магнитное поле (в каждой из машин), которое, взаимодействуя с ротором, создает небольшой момент, «натягивающий» механизм, и выбирает люфты. После включения третьей фазы начинается пуск без ударов в люфтах.

Существенным недостатком ССВ с ВАМ является большая установленная мощность и усложнение коммутационной аппаратуры пуска, так как мощность ВАМ в ССВ составляет 50 % мощности основных АД

8.3.2. Системы синхронного вращения с асинхронными машинами и реостатом в цепи роторов

Принципиальная схема такой ССВ показана на рис. 8.12. Для нормальной работы такой ССВ необходимы идентичные по характеристикам асинхронные двигатели и питание их от одной сети переменного тока. Так же, как и в рассмотренной ранее ССВ с ВАМ, при равных нагрузках Е21 = Е22, ∆Е2 = 0,

263

θ = 0, ∆М = 0. Через общий реостат Rp в роторной цепи двигателей протекают равные токи I21 = I22.

Увеличение нагрузки на одну из машин ведет к отставанию ее ротора, появлению ∆Е2 и уравнительного тока ∆I2, протекающего между роторами вне общего реостата. Этот ток ∆I2, взаимодействуя с вращающимися полями асинхронных двигателей, создает синхронизирующий момент ∆М:

–движущий на валу отстающей машины, за счет этого момента преодолевается часть возросшей нагрузки;

–тормозной на валу опережающей машины, который дополнительно нагружает опережающую машину, снижая ее скорость.

Рис. 8.12. Схема включения ССВ с АД и реостатом в роторной цепи

Зависимость моментов на валу АД1 и АД2 в функции угла рассогласования описывается уравнениями [2]

264

реостата.

Синхронизирующий момент определяется зависимостью

Обычно оба двигателя работают в двигательном режиме. Если Rр = 0 (короткое замыкание на реостате между фазами), то sк′ = sк и синхронизация отсутствует, поскольку

∆М = М1 – М2 = 0. Асинхронные двигатели работают независимо, объединенные нулевыми точками роторных цепей.

При Rр → ∞, sк′ → ∞ (реостат оборван) моменты двига-

телей описываются уравнениями (8.7), (8.8), как и в ССВ с ВАМ.

мал, так как система работает в области малых скольжений. При большой нагрузке одной из асинхронных машин синхронизирующего момента может быть недостаточно для выравнивания скоростей и система выпадет из режима синхронизации.

Для обеспечения хорошей работы ССВ с общим реостатом в цепи роторов асинхронных машин надо, чтобы при полной нагрузке скольжение составляло величину s 0,3…0,4.

При таких значениях скольжения потери в роторных цепях оказываются существенными, что является большим не-

265

достатком такой ССВ. Кроме того, рассматриваемые ССВ допускают меньшую разность нагрузок, чем ССВ с ВАМ.

Преимуществом ССВ с общим ротором является меньшая установленная мощность асинхронных двигателей.

9. ЭНЕРГЕТИКА ЭЛЕКТРОПРИВОДА

9.1. Общие сведения

Назначением электропривода является преобразование электрической энергии в механическую и управление электромеханическими процессами преобразования. В связи с этим энергетические показатели и характеристики электропривода имеют первостепенное значение, так как электропривод потребляет свыше половины производимой электроэнергии.

Любой процесс передачи и преобразования энергии сопровождается ее потерями, т.е. потребляемая мощность Р1 всегда больше выходной мощности, передаваемой рабочей машине Р2, на величину потерь ∆Р.

Энергетическую эффективность процесса оценивают посредством коэффициента полезного действия (КПД), определяемого через потери как

При практических расчетах известны КПД двигателя, механических передач как отдельных устройств, поэтому КПД электропривода определяется произведением КПД электрического преобразователя ηпр, двигателя ηд и механической части ηмех:

где Pр.о – мощность на рабочем органе механизма.

266

Важным энергетическим показателем любого структурного элемента или электропривода в целом является его номинальное значение КПД:

где Рн, ∆Рн – номинальная выходная мощность и номинальные потери.

Оценкой энергетической эффективности любого элемента тогда будет зависимость КПД от относительной на-

В случаях, когда в линии, питающей электропривод, напряжение и ток не совпадают по фазе и имеют несинусоидальную форму, используется еще одна энергетическая характеристика – коэффициент мощности, определяемый как

U, I, I(1) – действующие значения напряжения, тока, первой гармоники тока;

ϕ(1) – угол сдвига между первыми гармониками напряжения и тока.

При небольших искажениях ν ≈ 1 коэффициент мощности определяется как отношение активной мощности к действующему значению, тогда χ ≈ соsφ.

При передаче по линии с некоторым активным сопротивлением Rа активной мощности Р при cosϕ ≠ 1 потери мощности переменного тока ∆Р~ вырастут в сравнении с по-

267

терями при передаче той же мощности постоянным током

Оценки энергетической эффективности электропривода вида (9.1)–(9.3) справедливы, если процесс неизменен во вре-

мени. Если же нагрузка заметно меняется во времени, следует пользоваться оценками, определяемыми по энергиям за время t:

W = ∫0t P(t)dt, ∆W = ∫0t ∆P(t)dt.

Для циклических процессов с однонаправленным потоком энергии и временем цикла tц используют цикловой КПД, определяемый как

где Wц и ∆Wц – полезная энергия и потери энергии за цикл.

9.2. Особенности энергетики вентильных электроприводов

Для регулируемых электроприводов наиболее общим и эффективным путем решения проблемы энергосбережения на данном этапе развития техники является использование вентильных преобразователей. Для тиристорного преобразователя с m-фазной схемой выпрямления, в котором на интервале проводимости обтекаются током п последовательно включенных вентилей, его можно оценить с помощью соотношения

268

где ηт – КПД силового трансформатора, обеспечивающего потенциальную развязку силовых цепей электропривода;

∆Uв – падение напряжения на вентиле;

Uтп н – номинальное выходное напряжение преобразователя.

Если с достаточным запасом принять ∆Uв = ∆Uв max = = 2 В, то для мостовой схемы преобразователя (n = 2) при U1 = 380 В и Uтп.н = 440 В КПД собственно управляемого

выпрямителя составит ηув = 1 – 2 · 2 = 0,99, с учетом КПД

440 трансформатора получим ηтп = (0,95…0.98) · 0,99 = 0,94…0,97.

Таким образом, замена электромашинных преобразователей в регулируемом электроприводе, КПД которых не превышает значения 0,9, позволяет существенно снизить потери энергии. Однако оценку энергетической эффективности вентильных электроприводов на основе учета потерь в преобразовательном агрегате необходимо дополнить оценкой их негативных особенностей, связанных с дискретным принципом преобразования и регулирования напряжения преобразователей.

Полезную работу электропривода определяет средний момент, т.е. средний ток двигателя постоянного тока или первая гармоника тока двигателя переменного тока. Пульсации тока при данном требуемом моменте создают дополнительные потери в сопротивлениях якорной цепи, вызывают дополнительный нагрев двигателя, поэтому должны ограничиваться на допустимом уровне. Режим прерывистого тока и момента двигателя для быстродействующих приводов с прецизионным регулированием скорости может вызывать недопустимую неравномерность движения механизма. В том и другом случае снизить пульсации тока и ограничить зону прерывистого тока можно либо введением сглаживающего реактора, либо выбором тиристорного преобразователя большей пульсности. Сглаживающий реактор – простое

269

и дешевое решение, но добавляются потери в его обмотке; преобразователь с большим m хорош, но сложен и дорог.

Для электроприводов средней и большой мощности главные энергетические проблемы лежат в сфере взаимодействия электропривода с питающей сетью. Они во многих случаях оказывают решающее влияние на показатели качества энергопотребления. Дискретный фазоимпульсный принцип управления тиристорными преобразователями, несинусоидальность напряжения и тока нагрузки вызывают сдвиг потребляемого из сети тока и искажения его формы.

Таким образом, вентильные преобразователи отрицательно влияют на работу питающей сети. При низких значениях коэффициента мощности электропривод загружает сеть реактивным током основной гармоники, несущей активную мощность электроприводу, и наполняет сеть циркуляцией токов высших гармоник. Эти реактивные токи, протекая по сопротивлениям питающей сети, вызывают дополнительные потери активной мощности, а высшие гармоники тока при увеличении числа и мощности вентильных электроприводов способны вызывать недопустимые искажения напряжения сети, нарушающие нормальную работу других потребителей. При переходе к массовому использованию в промышленности вентильных электроприводов в сфере электроснабжения возникли и другие проблемы, в частности обусловленные высшими гармониками тока резонансные явления в батареях конденсаторов, ранее успешно использовавшихся для компенсации реактивной мощности. В результате резонанса увеличился выход из строя конденсаторов. Это потребовало перехода к использованию фильтрокомпенсирующих устройств, каждая цепь которых содержит последовательное соединение батарей конденсаторов и индуктивности с настройкой данной цепи фильтра на определенную наиболее существенную высшую гармонику тока.

270