Теория электропривода учебное пособие

∆Wх.х = ∆Рх.х.н · tп.

Потери энергии в цепи ротора

Уравнение (9.26) повторяет зависимость для цепи якоря ДПТ НВ, представленную уравнением (9.19). Потери в роторе определяются только запасом кинетической энергии. Аналогично рассмотренным выше случаям потери энергии при пуске АД составляют ∆W2 = Wкин, при противовключении – ∆W2 = 3Wкин, при динамическом торможении без учета потерь в статоре на возбуждение – ∆W2 = Wкин. Соотношения, аналогичные уравнениям потерь энергии в переходных режимах ДПТ НВ под нагрузкой, справедливы и для асинхронных двигателей.

Потери энергии в цепи статора

В соответствии со схемой замещения АД ток статора I1 определяется геометрической суммой тока ротора I2′ и тока

намагничивания Iµ. Поскольку в переходном режиме токи статора и ротора достигают (5…7)Iн, током намагничивания можно пренебречь и принять I1 ≈ I2′. Тогда получим

281

R1 ≈ R2′, то ∆W = 2∆W2. Получается, что потери энергии в пе-

реходных процессах асинхронного электропривода вдвое больше потерь в ДПТ НВ. Добавочные сопротивления в цепи ротора АД с фазовым ротором позволяют вынести потери из корпуса машины и снизить ее нагрев. У АД с короткозамкнутым ротором все потери в переходных режимах выделяются внутри машины, поэтому в каталогах приводится допустимое число включений в час.

Роторные потери энергии в переходных режимах асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором

Полученные выше зависимости позволяют сделать вы-

вод: потери энергии, выделяющиеся за время пуска вхолостую, численно равны кинетической энергии, которую за время пуска приобретают движущиеся массы привода.

9.5.Пути улучшения энергетических показателей переходных процессов электроприводов

Для определения способов снижения потерь в переходных режимах рассмотрим пример пуска вхолостую асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором. На рис. 9.2, а представлена механическая характеристика двигателя с боль-

282

шими пусковым и критическим моментами, которую можно без существенной погрешности аппроксимировать прямоугольной – со средним моментом пуска Mср и нулевым скольжением.

Рис. 9.2. Характеристики асинхронного двигателя: а – механические; б – переходные процессы изменения мощностей

Процесс пуска вхолостую при этом будет протекать с постоянным ускорением εп = MJср = const и временем пуска

tп = ω0 = Jω0 .

εп Mср

Потери в роторной цепи при пуске по уравнению (9.30) составят

∆W2 = ∫0tп ∆Р2 dt = ∫0tп Pэм s dt = ∫0tп М (ω0 −ω) dt. (9.31)

На рис. 9.2, б показаны переходные процессы изменения электромагнитной мощности, передаваемой ротору, мощности на валу и мощности потерь при пуске со средним момен-

том Мср.

Электромагнитная энергия (без постоянных потерь), переданная ротору за время пуска, Wэм = Мср · ω0 · tп = J · ω02 , на рис. 9.2, б показана пропорциональной площадью прямоугольника.

283

Механическая энергия на валу двигателя в конце пуска определяется запасенной кинетической энергией W2 =

= J ω02 . 2

Потери энергии, как интеграл по времени от мощности скольжения, равны значению кинетической энергии и показаны на рис. 9.2, б пропорционально заштрихованной площадью. Наглядно видно, что половина потребленной за время пуска энергии затрачена на увеличение запаса кинетической энергии в движущихся массах привода, а вторая половина выделилась в виде потерь скольжения на сопротивлениях роторной цепи.

Если выполнить пуск двигателя с рассмотренной механической характеристикой со сниженным вдвое пусковым моментом, электромагнитная мощность и ускорение привода снижаются вдвое, а время пуска вдвое возрастает, как показано на рис. 9.2, б. Потребление энергии и потери в роторе двигателя (потери скольжения) не зависят от пускового момента двигателя.

Существуют три основных способа снижения потерь

энергии при пуске двигателей:

1. Снижение момента инерции. Поскольку потери энер-

гии в переходных процессах электропривода зависят от кинетической энергии, запасаемой в механической части электропривода, то снижение кинетической энергии электропривода

W J 0 возможно за счет снижения суммарного приве-

= ω2

денного к валу двигателя момента инерции J.

При неизменном моменте инерции механизма следует выбирать двигатели с якорем (ротором) большей длины и меньшего диаметра – двигатели краново-металлургической серии. Возможно применение двухдвигательного электропривода с двумя двигателями половинной мощности.

2. Замена тормозных режимов более экономичными.

Как было установлено в предыдущем разделе, тормозные

284

режимы значительно отличаются один от другого потерями энергии. Так, например, торможение противовключением следует в целях снижения потерь заменять способами динамического торможения или механическим способом.

3. Снижение синхронной скорости вращения двигателя.

При этом пуск осуществляется ступенчатым изменением скорости идеального холостого хода. Так, например, в многоскоростном асинхронном двигателе, как показано в п. 5.5, переключением обмоток фаз статора при пуске по схеме «звезда – двойная звезда» можно вдвое уменьшить число пар полюсов, т.е. ступенчатым образом увеличить вдвое синхронную скорость поля с ω0 до 2ω0.

В электроприводе с двигателями постоянного тока с независимым возбуждением возможно изменение схемы включения якорных цепей с последовательной на параллельную

мощность Рэм = Мср · 0,5ω0, а потери энергии за этот период составят ∆W2 = J (0,52ω0 )2 = 0, 25Wкин.

На втором участке пуска синхронная скорость увеличи-

вается до ω0. На этом участке ωнач = 0,5ω0 и ωкон = ω0, поэтому в соответствии с (9.19) или (9.26) потери также составят

285

∆W2 = 0, 25Wкин и суммарные потери за время ступенчатого

пуска будут равны 0,5Wкин, т.е. вдвое меньше, чем при прямом пуске.

4. Непрерывное управление скоростью идеального холо-

стого хода. Если пренебречь электромагнитной инерцией, момент двигателя постоянного тока или асинхронного двигателя в пределах линейной части механической характеристики можно формировать в переходном процессе, управляя соответственно напряжением на якоре или частотой тока статора:

М = β(ω0 – ω).

Для этого используют простой способ управления – переходные процессы электропривода при линейном нарастании ω0, рассмотренные в п. 7.4. Такой процесс пуска вхолостую представлен на рис. 7.7, где показаны зависимости ω0(t),

ω(t), M(t).

При работе в пределах линейной части механической характеристики мощность потерь в цепи якоря или ротора асинхронного двигателя определяется соотношением ∆Р2 =

На рис. 9.4, б показаны переходные процессы мощностей при прямом пуске двигателя с идеальной (прямоугольной) механической характеристикой. На рис. 9.4, в для сравнения показаны переходные процессы холостого режима пуска двигателя, соответствующие рис. 7.7, при линейном изменении ω0. Для упрощения анализа потерь при пуске двигателя в уравнениях ω0(t), ω(t), M(t) принято, что t1 >> Tм, тогда момент двигателя изменяется скачком в пределах 0–Мп–0, а скорость двигателя по линейному закону без учета влияния Tм, т.е. с постоянным ускорением (ε = ε0 = const).

При прямом пуске, как уже отмечалось, потери энергии в якорной или роторной цепи определяются площадью за-

286

штрихованного треугольника на рис. 9.4, б и составляют

Рис. 9.4. Механические характеристики (а) и потери при прямом (б) и плавном (в) пуске

При плавном пуске потери определяются площадью заштрихованной фигуры на рис. 9.4, в:

∆W2 = Мп ω0 Тм = J ε0 ω0 Тм =

Следует отметить, что выражение (9.32), полученное при аппроксимации реальной кривой скорости (см. рис. 7.7) прямой линией, справедливо лишь при t1 >> Tм; при иных условиях следует использовать более точные модели.

Таким образом, уменьшая ε, т.е. увеличивая время переходного процесса и снижая момент, можно управлять потерями энергии, снижая их до любой требуемой величины.

При определении потерь энергии в цепях якоря или ротора двигателя в переходных режимах под нагрузкой (Мс ≠ 0) уравнения оказываются громоздкими, неудобными для практического использования. Для оценки влияния статической нагрузки можно принять, что в сравнении с режимом пере-

287

ходного процесса при Мс = 0 режим переходного процесса под нагрузкой отличается лишь длительностью. При М =

9.6. Энергосбережение средствами электропривода

Свыше 70 % электроэнергии, потребляемой электроприводом в развитых странах, и выполнение электроприводом практически всех технологических процессов, связанных с движением, делают особенно актуальной проблему энерго-

сбережения в электроприводе и средствами электроприво-

да. Можно отметить основные направления решения этой проблемы:

1. Повышение КПД асинхронных электродвигателей в нерегулируемом электроприводе за счет применения высокоэффективных материалов при их изготовлении.

2.Правильный выбор двигателя по мощности для конкретного технологического процесса, обеспечивающий высокие энергетические показатели – номинальные КПД и коэффициент мощности.

3.Переход к регулируемому электроприводу с управлением по всем координатам технологического процесса. Выбор рациональных в конкретных условиях типов электропривода и способов управления, обеспечивающих минимизацию потерь в силовой части, является важным элементом энергосбережения.

288

4.Применение систем электропривода, обеспечивающих возврат энергии потерь в переходных режимах, в широком спектре мощностей производственных механизмов.

Ожидается, как указано в работе [3], что переход от нерегулируемого электропривода к регулируемому в технологиях, где это требуется, может сэкономить до 25–30 % электроэнергии. В одной из технологий горной промышленности (в воздухоснабжении) переход к регулируемому электроприводу, как показал опыт, экономит до 50 % электроэнергии

идо 10 % тепла.

10.ВЫБОР МОЩНОСТИ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ

10.1. Постановка задачи выбора мощности электропривода

Выбор двигателя – один из ответственных этапов проектирования привода, так как двигатель осуществляет электромеханическое преобразование энергии и в значительной мере определяет технические и экономические качества привода в целом.

Для проектируемого электропривода выбор двигателя включает:

–выбор конструкции (исполнения) по условиям эксплуатации;

–выбор двигателя по скорости рабочей машины;

–выбор двигателя по мощности.

Правильный выбор мощности двигателя обеспечивает надежную и экономичную работу производственного механизма. Выбранная мощность должна соответствовать рассчитанной нагрузке. При любом графике нагрузки электродвигатель должен удовлетворять следующим основным требованиям:

1) перегрев двигателя не должен превышать значений, установленных ГОСТ на электрические машины;

289

2)двигатель должен сообщить рабочей машине необходимую скорость вращения;

3)при соответствующей скорости вращения двигатель должен развить момент, требуемый механизмом.

Наибольшая допустимая температура нагрева двигателя ограничивается термической стойкостью его изоляции, которая является самым ответственным элементом электрической машины, определяющим срок ее службы. Номинальные значения мощности, напряжения, тока силовой цепи и скорости соответствуют номинальной нагрузке на валу двигателя, при которой двигатель, работая в номинальном режиме при температуре окружающей среды +40 °С, нагревается до допустимой температуры. Превышение температуры нагрева двигателя над температурой окружающей среды, принятое ГОСТ, рассчитывается для проверки выбранной мощности по нагреву и классу изоляции.

Для электропривода многих механизмов необходимо обеспечить минимальное время разгона и торможения. Это условие может быть выполнено при правильном выборе так называемого оптимального передаточного числа редуктора между электродвигателем и механизмом.

Основными исходными данными для определения требуемой мощности двигателя являются моменты, которые должны быть приложены к валу механизма, скорости и ускорения рабочего органа механизма. Эти величины должны быть известны из требований технологического процесса.

Задача выбора мощности двигателя осложняется тем, что в динамическом режиме момент, развиваемый двигателем, отличается от момента статической нагрузки на величину динамического момента. В связи с этим в тех случаях, когда динамические режимы играют заметную роль, задача решается в два этапа: предварительный выбор двигателя и его проверка по перегрузочной способности и по нагреву. В частном случае, когда двигатель работает преимущественно

290