1. От чего зависят потери энергии в переходных режимах электропривода? Способы уменьшения этих потерь. Потери энергии при переходных режимах в электроприводе


7.4 Потери энергии при переходных процессах в нерегулируемом электроприводе

Процессы пуска и торможения двигателей связанны с потерями энергии в обмотках и других элементах двигателя, которые существенно влияют на его нагрев, особенно при частых пусках и торможениях. В общем случае суммарные потери энергии в переходном процессе определяются выражением

.

Здесь ∆Р – суммарные потери мощности, зависящие от нагрузки на валу, механической и электромагнитной инерции и ряда других факторов.

Т.к. в переходном процессе токи, а следовательно, и потери значительно превышают номинальные, то доля постоянных потерь по сравнению с переменными невелика и ими можно пренебречь. Мощность переменных потерь в якорной цепи ДПТ и роторе АД можно представить одним и тем же выражением и потери энергии записать в виде

Для лучшего понимания физической стороны возникновения потерь в переходных процессах пренебрегаем постоянными потерями и рассмотрим сначала случай, когда нагрузка на валу отсутствует, т.е. Мс=0. Пренебрегаем также электромагнитной инерцией. Допущение Мс=0 оправдано тем, что электроприводы часто работают в переходных процессах именно вхолостую, когда момент сопротивления незначителен. К тому же допущение Мс=0 позволяет исключить потери от нагрузки и рассмотреть только те потери, которые вызываются самим фактом переходного процесса.

При Мс=0 уравнение движения

и

или

Интегрируя, получим выражение потерь энергии при изменении скорости от нач до кон

,

где .

Первое слагаемое – это энергия, потребленная силовыми обмотками двигателя из сети. Второе слагаемое означает количество энергии, равное разности запасов кинетических энергий в приводе при нач и кон, которое высвободилось или затрачено при изменении скорости от нач до кон. Разность между первым и вторым слагаемыми – это потери энергии в якорной цепи ДПТ или роторной цепи АД.

Определим теперь потери энергии и затраты энергии при различных видах переходных процессов.

При пуске ДНВ или АД вхолостую (без учета потерь АД в статоре)

.

Потребленная из сети энергия .

Разность - энергия, запасается в процесс разбега инерционными массами электропривода.

Полученное выражение для показывает, что потери энергии при пуске вхолостую ДНВ или АД в цепях этих двигателей равны запасу кинетической энергии, которую приобретают инерционные массы электропривода при установившейся скорости, причем их величина не зависит ни от времени пуска, ни от величины сопротивления якорной или роторной цепи, ни от числа пусковых ступеней.

При динамическом торможении вхолостую торможение начинается с нач=0, (со скольжения S=0) и заканчивается при кон=0 (Sкон=1). Поэтому потребленная из сети энергия

.

Потери энергии

.

Отсюда следует, что вся энергия, запасенная инерционными массами при разгоне до скорости 0, превращается в тепло в сопротивлении якорной цепи ДНВ или роторной цепи АД. Потери равны потерям пр пуске в холостую.

Потери энергии при реверсе вхолостую найдутся, если учесть, что напряжение при реверсе, а значит и 0, меняют знак. Скорость ДНВ изменяется от нач=0 до кон=-0, а скольжение АД изменяется от Sнач=2 до Sкон=0, т.к. реверс начинается с противовключения

,

или .

При противовключении вхолостую, что соответствует реверсированию до кон=0 и Sкон=1

.

Часть их покрывается за счет энергии, идущей с вала механизма, а именно

,

Другая часть, равная - потребляется из сети.

Если учесть потери энергии в случае АД еще и в обмотках статора и добавочном сопротивлении, которое в общем случае может иметься в цепи ротора, то полные переменные потери, (постоянные потери не учитываются в виду их малости), если пренебречь током холостого хода, т.е. считать I1I2.

В случае переходного процесса вхолостую, т.е. при Мс=0:

Из уравнения движения , при Мс=0 , т.к.=0(1–S). Отсюда .

Подставляем это в выражение для ∆Αпп0 и изменяем одновременно пределы интегрирования

.

При пуске вхолостую Sнач=1, Sкон=0.

.

Здесь ∆Αпп2-∆Αпп1 – потери в роторной и соответственно, в статорной цепи.

Как видно, потери энергии в роторной цепи ∆Αпо2 не зависят от времени разбега, ни от сопротивления роторной и статорной цепей. Потери, же в статоре ∆Αпо1 зависят как от r1, так и от r2 и rд. Поэтому с точки зрения уменьшения пусковых потерь в статоре целесообразно применять АД с повышенным скольжением, например, 4АС, имеющее большее r2, а также к.з. АД с глубоким пазом, т.к. последние имеют повышенное сопротивление ротора.

Полные переменные потери энергии при торможении противовключении и реверсе АД вхолостую определятся, если принять соответственно Sнач=2, Sкон=1 Sнач=2 и Sкон=0.

При динамическом торможении вхолостую они такие же, как и в случае ДНВ, т.к. в этом случае можно говорить лишь о потерях в роторной цепи, поскольку обмотка статора от сети отключена.

Потери энергии в статорной и роторной цепи АД при рекуперативном торможении вхолостую

т.к. из уравнения движения при Мс=0 , а торможение с отдачей энергии идет лишь до ωкон=ω0, т.е. до синхронной скорости.

После интегрирования получим, вынося за знак ∫ величину .

Потери только в роторной цепи

В случае двухскоростного АД с соотношением скоростней 1:2 при переключении с одной пары полюсов на другую, при котором двигатель переходит с большей скорости на меньшую, имеем

.

Следовательно

.

В процессе торможения инерционные массы, разряжаясь, отдают часть запасенной энергии, которая равна разности энергий при разгоне до скоростей ω0(1) и ω0(2), т.е.

.

Электромагнитная энергия, передаваемая в цепь статора

.

Энергия, отдаваемая в сеть, будет меньше Аэм на величину потерь в меди и стали статора.

Потери в меди статора

.

Вследствие потерь в статоре отдача энергии в сеть прекратится при ω, превышающей синхронную, т.е. ω0(2) и дальнейшее торможение до скорости ω0(2) осуществляется с потреблением энергии из сети.

При наличии на валу Мс количество энергии, отдаваемой в сеть, будет еще меньше, т.к. часть энергии, высвобождаемая тормозящимися инерционными массами, будет затрачиваться на выполнение полезной механической работы. В этом случае изменится и величина потерь в статоре.

В переходных процессах при наличии на валу двигателя статической нагрузки его момент . Поэтому мощность потерь в якорной цепи МПТ или роторной цепи АД равна

.

Величина потерь энергии в этом случае зависит от характера Мс и формы механической характеристики двигателя.

.

В частности, при пуске с Мс=const от ω=0 доω=ωс.

.

Первый член уравнения – это потери в якорной (роторной) цепи, обусловленные разгоном инерционных масс. Второй можно рассматривать как потери обусловленные статической нагрузкой. Величина потерь ∆Αпс, подсчитывается на основании кривой ω=ƒ(t), изображенной на рис. 7.4.1, где заштрихованная площадь представляет собой разность .

В тормозных режимах величина второго члена уравнения отрицательна, т.к. при торможении противовключением ω0=-ω0, а при динамическом торможении ω0=0.

Очевидно, что при торможении под нагрузкой потери энергии меньше, чем при торможении вхолостую.

Потери при пуске и торможении электроприводов с двигателями последовательного возбуждения при постоянном напряжении питающей сети, при одинаковом моменте инерции и Мс, а также одинаковых пределах изменения скорости могут быть больше, меньше или равны аналогичным потерям в двигателе независимого возбуждения ДНВ. Если в переходном режиме среднее значение тока в якоре меньше номинального и момент двигателя M<Mн из-за уменьшенного потока, зависящего от IЯ, то потери энергии будут больше, чем в ДНВ из-за увеличения длительности переходного процесса, так же как и расход энергии. При IсрIн момент также будет больше Mн и потери энергии, а также ее расход будут меньше, чем у ДНВ за счет меньшей длительности переходного процесса. При Iср=Iн и M=Mн потери и расход энергии будут такими же, как и у ДНВ.

studfiles.net

1. От чего зависят потери энергии в переходных режимах электропривода? Способы уменьшения этих потерь

переходные процессы при быстрых изменениях воздействующего фактора могут сопровождаться большими бросками момента и тока, т.е. значительными потерями энергии. Поставим задачу оценить величину потерь энергии в переходных процессах и найти связи между потерями и параметрами электропривода. Будем учитывать только потери в активных сопротивлениях силовых цепей двигателя, так как именно эта составляющая общих потерь заметно возрастает в переходных процессах.

Анализ проведем лишь для переходных процессов, отнесенных ранее к первым двум группам (п.п. 5.2 и 5.3) и начнем с важного частного случая, когда фактор, вызывающий переходный процесс, изменяется мгновенно, а процесс протекает в соответствии со статическими характеристиками (п. 5.2).

Потери энергии в цепи ротора или якоря за время переходного процесса tпп определяются с учетом (9) как

                 (10)

Для переходного процесса вхолостую (Мс = 0) будем иметь:

                                                                (11)

Подставив (11) в (10) и сменив пределы интегрирования, получим:

                                

После интегрирования получим окончательно

                                                        (12)

Этот результат универсален, очень прост и очень важен: потери энергии в якорной или роторной цепи за переходный процесс вхолостую (Мс = 0) при “мгновенном” появлении новой характеристики зависят только от запаса кинетической энергии в роторе при w 0 и от начального и конечного скольжений. При пуске и динамическом торможении они составят при торможении противовключением , при реверсе Ни форма механической характеристики, ни время переходного процесса, ни какие-либо параметры двигателя, кроме J и w 0, не влияют на потери в роторе.

Если в асинхронном двигателе пренебречь током намагничивания и считать, что то Тогда а общие потери энергии в асинхронном двигателе при этих условиях составят

                                                (13)

Переходный процесс – очень напряженный в энергетическом отношении режим: потери энергии в десятки раз выше, чем за то же время в установившемся режиме.

Для того чтобы оценить потери энергии в переходном процессе под нагрузкой Мс № 0 (другие условия сохраняются), примем, что Мс = const и М = Мср = const, - этот случай был детально рассмотрен в п. 5.2; для пуска графики w (М) и w (t) показаны на рис. 4. Тогда Р1 = Мсрw 0, Р2 = Мсрw , D Р = Р1 - Р2 (рис. 4), а потери энергии определяется в соответствии с (10)

заштрихованным треугольником, т.е.

или с учетом tпп = Jw 0/(Мср - Мс)

                        .                                         (14)

Рис. 4. Механические характеристики и потери энергии при пуске

При торможении нагрузка будет снижать потери:

                                                        (15)

Из изложенного следуют возможные способы снижения потерь энергии в переходных процессах:

  • уменьшение момента инерции за счет выбора соответствующего двигателя и редуктора или за счет замены одного двигателя двумя половинной мощности;

  • замены торможения противовключением динамическим торможением или использование механического тормоза;

  • переход от скачкообразного изменения w 0 к ступенчатому; при удвоении числа ступеней будет вдвое сокращаться площадь треугольников, выражающих потери энергии;

  • плавное изменение w 0 в переходном процессе.

Рассмотрим подробнее последний способ, реализуемый практически в системах управляемый преобразователь – двигатель.

При плавном изменении w 0 в переходном процессе, как это было показано в п. 5.3, должны уменьшаться потери энергии. Это иллюстрируется на рис. 5, где сравниваются два случая – прямой пуск вхолостую (а) и частотный пуск вхолостую за время t1 >>Tм, т.е. при ускорении (б) – заштрихованные площади.

а) б)

Рис. 5. Потери при прямом (а) и плавном (б) пуске

При прямом пуске, как уже отмечалось, потери энергии в якорной или роторной цепи определяется площадью заштрихованного треугольника на рис. 5,а и составят

                                

При плавном пуске потери определятся площадью заштрихованной на рис. 5,б трапеции:

         (16)

Отметим, что выражение (16), полученное при аппроксимации реальной кривой скорости (см. п. 5.3) прямой линией справедливо лишь при t1 >>Tм; при иных условиях следует использовать более точные модели.

Из изложенного следует, что уменьшая e , т.е. увеличивая время переходного процесса и снижая момент, можно управлять потерями энергии, снижая их до любой требуемой величины.

studfiles.net

Постоянные и переменные потери в электродвигателях. Пути их снижения потерь энергии в переходных режимах.

Полные потери можно разделить на постоянные и переменные.

К постоянным относятся такие потери, которые от величины нагрузки не зависят (механические потери, потери в стали и на возбуждение):

, если регулирование по цепи возбуждения не ведётся.

Переменные потери – изменяются с изменением нагрузки на валу двигателя. Имеют место на активных сопротивлениях обмоток машин.

ДПТ НВ:

ДПТ ПВ:

АД: ;

Если , то потери на активных сопротивлениях статора от (тока намагничивания) можно отнести к постоянным.

СД:

– полные номинальные потери.

Тогда для ДПТ НВ:

ДПТ ПВ:

АД:

СД:

Потери можно выразить и через скольжение:

Потери энергии в переходных режимах:

1) Пуск ЭП в холостую: , потери энергии равны запасу кинетической энергии, которую приобретают маховые массы ЭП к концу разгона.

2) Реверс: , потери энергии: 3 запаса кинетической энергии выделяется при торможении от ω0 до 0; и 1 запас при разгоне в противоположном направлении.

3) Потери при торможении противовключением: , в этом случае в потери идёт запас кинетической энергии и 2 запаса потребляются из сети.

Динамическое торможение: , в тепловом отношении динамическое торможение предпочтительнее в сравнении с режимом противовключения, т.к. потери в три раза меньше.

В данном случае рассматривались потери в роторной цепи, но есть ещё потери в статорной цепи на их активном сопротивлении:

Влияние нагрузки на величину потерь: при пуске привода нагрузка увеличивает время переходного процесса, тем самым увеличивая потери; при торможении, наоборот, время переходного процесса уменьшается, уменьшаются и потери.

Влияние сопротивления роторной цепи( R1): при значениях Sк=0,41 мы имеем минимальное время пуска. При этом сокращается ток, потребляемый АД, что ведёт к уменьшению потерь в статоре, которые пропорциональны I2. При дальнейшем увеличении сопротивления ротора время пуска будет расти, но потери общие будут уменьшаться, т.к. Iпуск уменьшится.

Пути снижения потерь энергии в переходных режимах:

1) Снижение за счёт уменьшения запаса кинетической энергии, т.е. уменьшать суммарный момент инерции, за счёт использования двигателей краново-металлургических серий, за счёт конструкций с удлиненным ротором.

2) Использование вместо однодвигательного привода многодвигательного.

3) Ступенчатое изменение скорости идеального холостого хода при пуске и торможении, более эффективно в многоскоростных АД.

 

Пуск в две ступени:

1)

2)

Торможение:

1)

2) , т.е в 3 раза меньше.

Логическим продолжением ступенчатого пуска является плавное изменение ω0 в системе преобразователь – двигатель.

 

 

4. Влияние параметров на вид механических и электромеханических характеристик двигателя постоянного тока последовательного возбуждения

 

 

–электромеханическая характеристика ДПТ ПВ.

 

1) Введение Rд:

С введением Rд жёсткость характеристики

падает.

 

2) Изменение напряжения, приложенного к якорю:

UЯ повышать нельзя.

 

3) Ослабление поля двигателя:

При малых нагрузках сильнее изменяется , при ослаблении поля это ведёт к уменьшению жёсткости характеристики, т.к.

 

 

В зоне больших нагрузок (магнитная система

насыщена) уменьшение ведёт к увеличению

жёсткости.

 

Похожие статьи:

poznayka.org

4. Переходные режимы электроприводов

4.1 Общая характеристика переходных режимов электроприводов, их классификация и понятие об оптимальных переходных процессах

Переходным процессом или переходным режимом электропривода называется режим его работы при переходе от одного установившегося состояния к другому, когда изменяется скорость, ток, момент, ускорение. Причинами возникновения переходных режимов является либо изменение нагрузки, либо воздействие на электропривод при управлении им, т.е. пуск, торможение, реверс и т.п. Они могут возникнуть в результате аварии или других случайных причин, например, при изменении величины напряжения или частоты сети, несимметрии напряжения по фазам, изменении порядка следования фаз, полном исчезновении напряжения, обрыве проводов и т.п. У некоторых механизмов, таких как кривошипно-шатунные прессы, ножницы, подъемно-качающиеся столы некоторых прокатных станов, установившихся режимов вообще нет, а их рабочие режимы представляют собой периодические переходные процессы.

Переходные режимы играют огромную роль в работе электропривода и механизма, и часто их характер предопределяет производительность механизма и качество выпускаемой продукции. Поэтому их изучение имеет большое практическое значение. Анализ этих режимов дает возможность правильно рассчитать мощность электродвигателя и выбрать его, уменьшить расход энергии при пуске и торможении, позволяет выявить предельно допустимое с точки зрения нагрева число включений в час двигателя электропривода, работающего большую часть времени в переходных режимах.

Лишь ограниченное число механизмов допускает возможность проектирования их электропривода без учета характера протекания переходных процессов. К ним относятся некоторые редко пускаемые и длительно работающие механизмы с простейшими пусковыми устройствами, например, вентиляторы, насосы, а также механизмы, в которых производственный процесс настолько груб, что к их электроприводу вообще не предъявляется каких-либо особых требований, кроме обеспечения заданной мощности (бетономешалки, камнедробилки и т.п.).

Характер переходного режима электропривода зависит от свойств рабочей машины, типа электродвигателя и его режима работы, передачи. Теоретическое рассмотрение переходных процессов с учетом всех влияющих факторов часто затруднителен, ибо не всегда можно аналитически выразить законы изменения отдельных параметров, или же поведение электропривода в переходных режимах описывается системой уравнений высоких порядков. К счастью, далеко не во всех случаях требуется детальный учет всех факторов. Второстепенные факторы могут не приниматься во внимание.

На протекание переходных процессов значительное влияние оказывает механическая, электромагнитная и тепловая инерция. Механическая инерция, характеризуемая электромеханической постоянной Тм, зависит как от инерционных масс и характера нагрузки Мс, так и от электромеханических свойств двигателя. Электромагнитная инерция характеризуется электромагнитной постоянной Тэ, зависящей от L и R электрической цепи. Тепловая инерция характеризуется постоянной времени нагрева Тн, зависит от теплоемкости машины и ее теплоотдачи. Поскольку тепловые процессы протекают значительно медленнее электромагнитных и механических, их при анализе переходных процессов электропривода не принимают во внимание.

Если механическая инерция практически всегда ощутима и сказывается на переходных процессах, то электромагнитная инерция может быть и несущественной и практически не влиять на характер протекания процесса. В связи с этим, когда не требуется очень большой точности, учитывается только механическая инерция. Переходные процессы в этом случае называются механическими.

Если учитывается только электромагнитная инерция (например, в цепях возбуждения), переходные процессы называются электромагнитными, а если учитывается механическая и электромагнитная инерция – электромеханическими.

Переход из одного установившегося состояния в другое может совершаться по различным траекториям. При управлении электроприводом стремятся выбирать такие, которые обеспечивают максимальное быстродействие, минимум потерь энергии и динамических нагрузок, максимум полезной работы и оптимальные значения других показателей.

Наиболее часто требуется обеспечить изменение скорости электропривода за минимальное время при ограничении момента двигателя. Такие переходные процессы называются оптимальными по быстродействию при ограничении момента. Этому условию при Мс=const соответствует равномерно ускоренный характер изменения скорости при М=Мдоп=const (см. кривые 1 и 2 на рис. 4.1.1).

Если Мс=f(ω), то скорость при реверсе в процессе торможения и пуска должна изменяться с различными ускорениями в случае реактивного Мс, как показано на рисунке.

Для некоторых механизмов, например, пассажирских лифтов, переходные процессы должны протекать при строго ограниченном ускорении. Условием минимальной длительности переходного процесса является поддержание постоянства ускорения при различных нагрузках. Такие переходные процессы называются оптимальными по быстродействию при ограничении ускорения ε.

В этом случае зависимость ω=f(t) должна оставаться неизменной при разных Мс, а момент двигателя при этих разных Мс будет изменяться.

Однако, в ряде случаев момент двигателя не реагирует на изменение нагрузки. В этом случае для ограничения ε при любых Мс допустимый пусковой момент двигателя необходимо выбрать из условия:

Так вот, если Мпуск выбран в соответствии с данным выражением и при различных нагрузках остается неизменным, ускорение электропривода при возрастании нагрузки будет уменьшаться и при Мс=Мс макс примет значение

Очевидно εмин<εдоп и время пуска по мере возрастания нагрузки увеличится.

Для многих механизмов наряду с необходимостью ограничения М и ε требуется обеспечить плавность протекания переходных процессов путем ограничения производной или так называемого рывка. Такие переходные процессы называются оптимальными при ограничении момента или ускорения и рывка.

Необходимость таких ограничений вызывается различными причинами. Так, для двигателей постоянного тока по условиям коммутации необходимо ограничивать , следовательно, и. Для пассажирских лифтов ограничение рывка создает более комфортные условия для людей, находящихся в лифте. Следует, только, иметь в виду, что ограничение производнойпри пуске электропривода влечет за собой снижение быстродействия. Например, при уменьшениявозрастает время пуска электропривода.

4.2 Уравнения электромеханического переходного процесса электропривода с линейной механической характеристикой при Мс=constи ω0=const

В большинстве применяемых в промышленности электроприводов, получающих питание от сети, электромеханические переходные процессы протекают при неизменном напряжении U или частоте f1, т.е. при ω0=const. При этих условиях они возникают в случае изменения управляющего воздействия ω0 или f1 скачком (пуск, торможение, реверс) или изменении нагрузки. Для ограничения бросков тока и момента при пуске, торможении до допустимых значений в цепь якоря или ротора двигателя вводится добавочное сопротивление. При этом электромагнитная постоянная силовой цепи значительно снижается, а электромеханическая постоянная, наоборот, увеличивается (уменьшается жесткость β). Поэтому при работе двигателя на пусковых характеристиках влиянием электромагнитной инерции на течение переходных процессов можно пренебречь, считая. Необходимость учета Тэ обычно возникает при выходе двигателя на естественную характеристику, когда добавочные сопротивления полностью выведены и влияние электромагнитной инерции может быть существенным.

Получим уравнения переходного процесса для общего случая при Тэ≠0 и ненулевых начальных условиях. Электромеханические переходные процессы при жестких механических связях, т.е. , описываются уравнениями:

;

Найдя М из второго уравнения и подставив в первое, получим уравнение, разрешенное относительно скорости ω.

Аналогично можно получить уравнение, разрешенное относительно момента М.

. Здесь

Корни характеристического уравнения этих дифференциальных уравнений одинаковы и при равны:

Общее решение этих уравнений при m<4 имеет вид:

Постоянные интегрирования A, B, C, D находятся из начальных условий.

При t=0 ω=ωнач; M=Mнач:

Подставляем эти величины в уравнения 1 и 2

ωнач=ωc+A; Mнач=Мс+С. Отсюда ; С=Мнач-Мс

:

отсюда

Т.о. законы изменения ω и М будут такими:

При корни характеристического уравнения р1=-α1, р2=-α2 и общее решение уравнений 1 и 2 будет таким:

Коэффициенты А1, В1, С1, D1 находятся аналогично A, B, C, D.

Законы изменения ω и М будут иметь следующий вид:

При , что бывает в редких случаях, р1=р2=α и общее решение дифференциальных уравнений 1 и 2 имеет вид:

Коэффициенты А2, В2, С2, D2 находятся из начальных условий.

Полученные общие зависимости ω=f(t) и M=f(t) в частных случаях существенно упрощаются, если до начала переходного процесса режим работы электропривода был установившимся.

Во всех случаях, когда двигатель работает на реостатных характеристиках, Тэ пренебрежительно мала и ее можно считать равной 0. Если электромеханическая связь в системе электропривода является жесткой, уравнения переходного процесса можно получить из соотношений 3 и 4, положив в них ;. Они имеют вид:

4.3 Переходный процесс электропривода с линейной механической характеристикой при одно – и многоступенчатом пуске в случае Мс=const; ω0=const

При пуске в одну ступень переходный процесс описывается уравнениями:

;

если увеличение скорости происходит не от ω=0, а от какого-то начального установившегося значения, как показано на рис. 4.3.1“а”.

Закон изменения ускорения

, где

εнач – начальное ускорение.

Уменьшение ε по мере увеличения скорости объясняется непрерывным уменьшением динамического момента Мдин. Кривые ω(t) и M(t) изображены на рис. 4.3.1“б”.

Если разгон идет из неподвижного состояния, т.е. когда ωнач=0, то

(рис. 4.3.2“а”).

Время разгона на любом участке процесса до какой либо промежуточной скорости ωкон

Задаваясь временем t от 0 до найденного по формуле, можно построить кривые ω=f(t) и M=f(t). Они изображены на рис. 4.3.1“б”.

Т.к. ωкон=ωc, то . Поэтому практически процесс считается закончившимся, когда разность между установившимся и текущим значениями скорости снижается до 2%, т.е.

или

При ωнач=0, ωкон=ωс-0,02ωс=0,98 ωс. Поэтому

Обычно при расчете принимается t=(3÷4)Tм.

Что касается Тм, ее можно определить, проведя касательную в любой точке кривой ω=f(t) или М=f(t), как показано на 4.3.1“б” и рис. 4.3.2“б”, или используя следующие выражения:

; ;;

Для расчета переходного процесса при многоступенчатом пуске сначала строится пусковая диаграмма по ранее изложенным правилам задавшись пусковым и переключающим моментами. Она изображена на рис. 4.3.3“а”.

Для любой ступени разгона время, в течение которого момент изменяется от М1 до М2 может быть определено по формуле

Постоянная времени для любой ступени разгона

Законы изменения ω и М при разгоне на любой ступени определяются согласно ранее приведенным выражениям.

Для примера рассчитаем переходный процесс на первой и второй ступенях.

Постоянная времени

Время разгона на первой ступени

Закон изменения скорости на этой ступени

Закон изменения момента на этой ступени

Значения ωн1 и ωс1 находятся из графика рис. 4.3.3 или теоретически:

;

Здесь R1 – полное сопротивление якорной или роторной цепи ДНВ или АД.

Задаваясь временем t от 0 до t1, можно рассчитать по приведенным формулам и построить кривые ω=f(t) и M=f(t).

Постоянная времени для второй ступени

Время разгона на второй ступени

Закон изменения скорости и момента на этой ступени

;

Значения ωн2 и ωс2 находятся из пусковой диаграммы аналогично как и на первой ступени и т.д.

Время разгона при выходе на естественной характеристике до скорости ωс принимается равным tн=(3÷4)Tм, где в Тм вместо ωнх подставляется ωн.

4.4 Переходные процессы электропривода с линейной механической характеристикой при Мс=const; ω0=constв тормозных режимах

Рассмотрим сначала реверс, который заключается в торможении противовключением с дальнейшим изменением направления вращения и разгоне в противоположную сторону. Если реверс осуществляется при активном моменте сопротивления Мс=const, переходный процесс описывается уравнениями, приведенными ранее для двигательного режима, с той разницей, что в этих уравнениях нужно поставить знак минус перед ωс и перед Мнач.

На рис. 4.4.1 изображена механическая характеристика, иллюстрирующая переход из двигательного режима в режим противовключения (“а”) и соответствующие этому кривые переходного процесса ω(t) и M(t).

Двигатель при переводе его в режим противовключения тормозится по линии ВС. Затем, если его не отключить от сети, будет разгоняться в обратном направлении по линии CD, достигает скорости идеального холостого хода (-ω0) и т.к. момент сопротивления активный, переходит в режим рекуперации с отдачей энергии в сеть (линия DE). Равновесие наступит в т. Е, где М=Мс и скорость -ωс. Такой процесс может быть, если в случае подъема тяжелого груза двигатель тормозится противовключением и при ω=0 не отключается и не затормаживается механическими тормозами.

При реактивном моменте сопротивления процесс разбивается на два этапа. На первом этапе, являющемся тормозным, момент Мc и момент двигателя действуют согласно, обеспечивая эффективное торможение. Закон изменения ω и М описываются теми же уравнениями что и при активном Мc. Время торможения до ω=0

На втором этапе происходит разгон в противоположном направлении (после торможения и остановки), если требуется реверс. Знак Мс меняется на противоположный. Уравнения, описывающие переходный процесс будут иметь такой же вид, как для режима пуска, только ωнач=0, Мнач=Мп, ωс=-ω'с, т.е.

;

где Мп – пусковой момент.

Время реверса

Механические характеристики, соответствующие данному режиму и кривые переходного процесса приведены на рис. 4.4.2“а” и “б”.

При переходе скорости через 0 динамический момент Мдин скачком изменяется от значения Мдин=-(Мп+Мс) до Мдин=-(Мп-Мс), что вызывает соответствующее изменение ускорения и в кривых ω=f(t) и M=f(t) появляется излом.

При динамическом торможении законы изменения ω и М описываются теми же уравнениями, что и для реверса, т.е.

;

,

где ωс – установившаяся скорость, определяемая точкой пересечения механической характеристики динамического торможения и вертикали Мc =const.

В случае активного Мс точка “B”, соответствующая установившейся скорости -ωс2, относится к случаю, когда этот момент в начале процесса является тормозным, что имеет место, например, при подъеме груза, а точка “С” с установившейся скоростью ωс1 – к случаю, когда этот момент является движущим, например, при спуске груза (рис. 4.4.3“а”).

В случае торможения при подъеме груза под действием тормозного момента двигателя и Мс привод вначале будет тормозится и остановится, т.к. момент двигателя станет равным 0, но т.к. Мс является активным и будет продолжает действовать в том же направлении, под его действием система будет вращаться в обратную сторону. При этом Мс из тормозного превратится в движущий, а тормозной момент двигателя изменит свой знак и будет продолжать действовать как тормозной. Установившаяся скорость –ωС2 наступит при равенстве момента двигателя и Мс т.е. в точке “В”. Кривые переходного процесса для этого случая изображены на рис. 4.4.3“б”. Время торможения до остановки.

Если активный момент сопротивления Мс в начале торможения был движущим (торможение при спуске груза), то в начале торможения тормозной момент двигателя (отрезок ED на рис. 4.4.3”а”) больше движущего статического момента и имеет место замедление, сопровождающееся уменьшением тормозного момента двигателя. При скорости ωс1 M=Mc, наступает установившийся режим тормозного спуска груза со скоростью ωс1. В этом случае затормозить систему до остановки путем динамического торможения нельзя (рис. 4.4.3”в”).

При реактивном Мс динамическое торможение происходит так же, как и при подъеме груза. Разница лишь в том, что при ω=0 действие Мс прекратится, и т.к. момент двигателя тоже станет равным 0, система остановится. Соответствующие этому случаю механические характеристики и кривые ω(t) и М(t) изображены на приведенных рис. 4.4.4 Процесс будет протекать так, как если бы скорость ω стремилась стать равной -ωс, но прекратится при ω=0. Поэтому соответствующие отрезки кривых на рисунке изображены пунктиром.

4.5 Переходные процессы электропривода с линейной механической характеристикой при ω0=const, Мс=f(ω)

В случае линейной Мc от ω, т.е. при Мс=кω дифференциальное уравнение, определяющее поведении электропривода, имеет вид:

, где

ωy – скорость установившегося режима при Мс=Мy, а ωy – падение скорости при установившемся режиме (рис. 4.5.1).

Учитывая, что ωy+ωy=ω0 и умножая обе части уравнения на , получим

или

,

где

Решение этого уравнения относительно ω и М дает законы изменения ω и М

;

Длительность переходного процесса

Здесь – это время, за которое электропривод разгонится до ωy при постоянном моменте, равном пусковому Мп.

При Мс=М0+К1ω и Мс=М0-К1ω (рис. 4.5.2) переходный процесс описывается этими же уравнениями, что и при Мс=Кω, но в них

При вентиляторном моменте сопротивления дифференциальное уравнение, отражающее переходный процесс, имеет вид:

Хотя это уравнение решить можно, однако конечные результаты малопригодны для практического использования. Поэтому на практике чаще используются графические и графоаналитические методы. Естественно, что такие методы дают лишь приближенные результаты, однако, при тщательном выполнении их точность достаточна для решения практических задач. Правда, такие методы имеют и такой недостаток: они не дают возможности получить общие выводы. Решение может быть найдено лишь для частных случаев, когда значения всех параметров электропривода известны. Рассмотрим некоторые из них.

studfiles.net

ПЕРЕХОДНЫЕ РЕЖИМЫ РАБОТЫ АСИНХРОННЫХ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ

ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИЙ АСИНХРОННЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД

2.3.1. Общие принципы оптимизации энергопотребления в переходных режимах

Переход электропривода от одного установившегося режима к другому сопровождается переходным процессом, на который за­трачивается определенное количество энергии. Эту энергию мож­

но представить в виде двух составляющих: полезной, связанной с выполнением электродвигателем определенной механической ра­боты, и потерь энергии.

Очевидно, что полезная составляющая определяется измене­нием произведения момента двигателя на его скорость. При этом в пусковых режимах, связанных с увеличением скорости двигате­ля, энергия из сети расходуется на увеличение кинетической энер­гии движущихся частей электропривода, а в тормозных, наобо­рот, кинетическая энергия движущихся частей электропривода возвращается в сеть (при рекуперативном торможении) или вы­деляется в виде потерь (при динамическом торможении или тор­можении противовключением). Полезная составляющая энергии определяется технологическим процессом и в пусковых режимах повлиять на нее не представляется возможным, а в тормозных режимах она может быть возвращена в сеть за счет рекуперативно­го торможения (разумеется, за вычетом потерь).

Потери энергии обычно делят на постоянные и переменные. Под постоянными подразумеваются потери энергии, не завися­щие от нагрузки двигателя. К ним относятся потери в стали магнито- провода двигателя, механические потери от трения в подшипни­ках и вентиляционные потери. Постоянные потери не остаются неизменными и зависят от скорости двигателя, амплитуды и часто­ты питающего его напряжения и т. д. Но так как эти потери изменя­ются в ограниченных пределах и составляют незначительную часть общих потерь, то они принимаются неизменными и равными постоянным потерям при номинальном режиме работы двигателя

Наибольший интерес с точки зрения оптимизации энергопот­ребления представляют переменные потери электропривода, кото­рые складываются из мощности потерь в меди статора и ротора двигателя:

ДРМ - ЬРм + Д^2м - + 3/2^2-

При использовании Г-образной схемы замещения (см. рис. 1.2) потери в меди статора

а суммарные потери в меди

Тогда потери энергии за время переходного процесса tn „

о

(3.79)

Очевидно, что использование формулы (3.80) для оценки по­терь энергии за время переходного процесса затруднительно, так как для этого необходимо знать законы изменения токов двигате­ля 1Х и 1'2 в переходном процессе, а также располагать данными об изменении сопротивлений.

Более удобные расчетные соотношения могут быть получены при использовании механических переменных и параметров. Ис­пользуя известное соотношение [32] для переменных потерь в ро­торе (потерь скольжения)

= 3/22Р2 ~ M(OqS, найдем энергию потерь в роторе за время переходного процесса:

&Щи = ’j M(t)e>oS(/)dt. (3.81)

о

Потери энергии при работе электропривода без нагрузки (Мс= 0). Из уравнения механического движения электропривода при Мс = 0 получим

d/ = ^ = -^°dS.

М М

Подставив полученное значение dt в формулу (3.81) и заменив пределы интегрирования, получим

~кон

ДW2u= J A/(t)<OoS(t)

*^кон

dS = -/(о2 J SdS =

= /со2 S™H. (3.82)

Формула (3.82) более удобна для определения потерь энергии, так как для расчетов необходимо знать лишь параметры / и со0, начальное и конечное значения скольжения S.

Для примера найдем потери энергии в роторе асинхронного двигателя при его пуске, торможении и реверсе вхолостую.

При пуске двигателя SHa4 = 1, SKOH = 0, поэтому

Л^2м=^-- (3.83)

Заметим, что потери энергии в роторе в соответствии с (3.83), численно равны кинетической энергии, которая будет запасена к концу пуска в движущихся частях электропривода.

Так как при динамическом торможении 5нач = 1, - S^ = 0, то потери энергии также определяются выражением (3.83). При этом весь запас кинетической энергии электропривода превращается в потери, выделяемые в виде теплоты.

При торможении Противовключением £Нач = 2, 5К0Н = 1, а поте­ри энергии AW2m = З/соо/2, т. е. в 3 раза превышают потери при пуске и динамическом торможении и численно равны тройному запасу кинетической энергии.

При реверсе »Унач = 2, = 0, а потери энергии A W2u = 4/coq/2,

т. е. они равны сумме потерь при торможении противовключением и пуске.

Таким образом, потери энергии в роторе AW2yi за время пере­ходного процесса при Мс = 0 не зависят от времени, а определя­ются только начальным SHm и конечным SKOH значениями сколь­жения (или скорости) и суммарным моментом инерции электро­привода /.

Потери энергии зависят не только от величины изменения скольжения (5К0Н - SHa4), но и от абсолютных значений скольже­ния. Найдем потери при изменении скольжения на 0,5 при разных значениях iSHa4. Так, при »Унач = 1 и 5К0Н = 0,5 ДЖ2м= 0,75/со^/2, а при SHSL4 = 0,5 и SKон = 0 AW2м= 0,25/(Oq/2, т. е. потери энергии отличаются в 3 раза.

Представление о зависимости энергии потерь в роторе от Sm4 и *УК0Н можно получить из графиков зависимости относительных потерь в меди ротора АД от 5нач и приведенных на рис. 3.40 (относительные потери энергии даны В ДОЛЯХ ОТ величины /сОо/2, принятой за базовую АР6).

На рис. 3.40 видно, что при одном и том же изменении сколь­жения AS потери будут тем меньше, чем ближе к нулю значения б'нач И SKон. Иными словами, переходные процессы вблизи скоро­сти холостого хода связаны с меньшими потерями. Кроме того, одинаковые изменения скорости в разных направлениях приводят к разным потерям.

Из формулы (3.82) следует, что потери энергии в роторной цепи двигателя не зависят от времени переходного процесса. Это означает, что они не зависят и от формы механических характери­стик электропривода. Так, для любой из механических характери­стик асинхронного электропривода, примеры которых приведе­ны на рис. 3.41, потери энергии в роторе при одинаковых изменени­ях скорости будут равными, не зависящими от величины сопротив­ления роторной цепи. Это обстоятельство физически объясняется тем, что механическим характеристикам, для которых при дан­ной скорости моменты больше, соответствуют большие потери, но меньшая продолжительность переходных процессов.

Для определения суммарных потерь энергии в меди АД необходи­мо найти потери в меди статора. Очевидно, что AWlu = AW2mRx/R2,

Рис. 3.40. Зависимость относительных потерь в меди ротора АД от лнач и £кон

т. е. эти потери зависят от сопротивлений статорной и роторной цепей. Чем меньше сопротивление статорной цепи и больше ро­торной, тем меньше потери в статоре асинхронного двигателя.

ростом сопротивления ротора

Рис. 3.41. Примеры механических характеристик асинхронного элек­тропривода, которым соответству­ют одинаковые потери энергии в роторе при пуске при Мс = 0

Уменьшение потерь в статоре объясняется уменьшением пус­кового тока.

В двигателях общего назначе­ния с короткозамкнутым рото­ром обычно » Щ, т. е. в этом случае потери в меди статора и ротора примерно одинаковы.

За счет применения двигате­лей со специальной конструкци­ей короткозамкнутого ротора, имеющего повышенное сопро­тивление, потери в статоре мо­гут быть уменьшены. Например, это двигатели со сплошным стальным ротором и двигатели с повышенным номинальным скольжением краново-металлур-

гической серии. Двигатели, имеющие ротор с глубокими пазами или с двойной «беличьей клеткой», также обладают повышен­ным сопротивлением ротора, зависящим от скольжения, что при­водит к уменьшению переменных потерь в статоре.

Полные потери в меди АД

(3.84)

Для оценки суммарных потерь энергии в переходном процессе должны быть учтены рассмотренные выше постоянные потери энергии, которые будут зависеть от длительности переходного процесса, однако их учет даст более точное представление о поте­рях энергии только при чрезвычайно затянутых переходных про­цессах.

Потери энергии при работе электропривода с нагрузкой (Мс ф 0). При определении потерь энергии в меди ротора справедлива фор­мула (3.81). Для этого необходимо знать, как изменяются момент M(t) и скольжение S(/) двигателя в переходном процессе, а так­же закон изменения Mc(t).

Из уравнения движения электропривода (см. подразд. 1.3) на­ходим

Для оценочных расчетов можно принять, что момент двигате­ля и статический момент в переходном процессе не изменяются и равны некоторым средним значениям Мср и Мсхр. Тогда

Подставив полученное значение dtB формулу (3.81) и заменив пределы интегрирования, найдем

Для иллюстрации зависимости потерь в меди ротора от нагруз­ки двигателя на рис. 3.42 приведены графики относительных по­терь (в долях от /соо/2) при пуске и динамическом торможении с постоянными моментом М и моментом нагрузки Мс, которые выра­жены в относительных единицах (за базовый момент принят Мном). В соответствии с формулой (3.86) и приведенными на рис. 3.42 графиками потери энергии в роторе АД при работе под нагрузкой увеличиваются в пусковых режимах и уменьшаются в тормозных. Последнее обстоятельство связано с тем, что при торможении часть запасенной кинетической энергии расходуется на преодоле­ние момента нагрузки, поэтому в двигателе выделяется в виде потерь только оставшаяся ее часть. Потери при торможении могут быть снижены практически до нуля, если Мдв = 0. Это так называ­емый режим «выбега» двигателя, когда торможение осуществля­ется за счет Мс. Вместе с тем в пусковых режимах потери много­кратно возрастают, если момент двигателя близок к моменту на­грузки. Это связано с тем, что в данном случае динамический момент и, соответственно, ускорение двигателя очень малы и процесс пуска затягивается. Поэтому можно сделать вывод о том, что если это допустимо по технологии, то целесообразно пред­усматривать пуск двигателя вхолостую, а торможение под нагруз­кой.

Еще одну формулу для расчета потерь в меди ротора в переход­ных процессах под нагрузкой можно получить, если учесть, что по сравнению с переходными процессами при пуске АД вхоло­стую они будут отличаться временной продолжительностью. При М = const время пуска и торможения вхолостую ґп п0 = /coq/M

Время пуска и торможения под нагрузкой (снижением скоро­сти в установившемся режиме пренебрегаем) /п п = /со0/(М± Мс),

Рис. 3.42. Зависимость относительных потерь в меди ротора АД при разных

моментах нагрузки

поэтому потери энергии в переходном процессе можно рассчи­тать по формуле

- SL,)^-. (3.87)

‘п. п О

Таким образом, в неуправляемых переходных процессах, когда угловая скорость о)0 задается скачком, потери энергии за время переходного процесса пропорциональны суммарному моменту инерции электропривода J, квадрату скорости идеального холо­стого хода ш0 и зависят от диапазона изменения скольжений и нагрузки электропривода.

Анализ формул (3.82) и (3.86) позволяет назвать два основных способа снижения потерь энергии в переходных режимах:

1) уменьшение суммарного момента инерции электропривода /;

2) регулирование в переходных процессах скорости идеально­го холостого хода, т. е. использование управляемых переходных процессов.

Особенно эффективны эти способы для электроприводов с частыми пусками и торможениями (кранов, лифтов, манипуля­торов, рольгангов, экскаваторов и т. д.).

Имеются следующие способы уменьшения момента инерции электропривода.

1. Использование малоинерционных двигателей.

2. Рациональное конструирование механической передачи (вы­бор оптимального передаточного числа редуктора [28], оптималь­ных массогабаритных показателей механической передачи и т. д.).

3. Замена одного двигателя двумя и более с сохранением суммар­ной мощности. Как правило, суммарный момент инерции двух двигателей половинной мощности оказывается меньше момента инерции одного двигателя полной мощности в рамках одной се­рии двигателей.

Регулирование скорости идеального холостого хода осущест­вляется следующими способами: изменением числа пар полюсов в многоскоростном АД или изменением частоты питающего на­пряжения в системе ППЧ—АД.

Рассмотрим процесс пуска двухскоростного АД. Допустим, что путем переключения обмоток статора при пуске можно в 2 раза увеличить число пар полюсов, т. е. в 2 раза уменьшить скорость идеального холостого хода, снизив ее до О,5(о0. При этом потери за время пуска вхолостую до скорости О,5со0 (5нач = 1; SK0H = 0) со­ставят АЖ2м(1) = /(0,5со0)2/2 = /со02/8-

На втором участке пуска от 0,5соо до щ переключением обмоток синхронная скорость увеличивается до со0, £нач = 0,5; 5К0Н = 0 и поте­ри составят

Д^2„(2, =^(0,52-0) = /0)^/8.

Суммарные потери в меди ротора за время ступенчатого пуска составят

“ Д^2м(1) + Д^2м(2) /4,

что в 2 раза меньше, чем при прямом пуске.

В общем случае, если скорость идеального холостого хода в переходном процессе имеет п одинаковых ступеней регулирова­ния, потери энергии в роторе также уменьшаются в п раз, т. е.

Можно показать, что потери снижаются и при ступенчатом торможении. Так, при динамическом торможении в две ступени потери энергии уменьшатся в 2 раза, а при торможении противо- включением переход на пониженную скорость дополнительно сопровождается рекуперацией энергии в сеть и суммарные потери в роторе уменьшатся в 1,5 раза.

Следует, однако, иметь в виду, что момент инерции много­скоростного двигателя значительно выше момента инерции одно­скоростного двигателя с той же мощностью и номинальной ско­ростью вращения, поэтому замена односкоростного двигателя мно­госкоростным только для уменьшения потерь энергии представ­ляется нецелесообразной. Можно говорить только о сравнении прямого и ступенчатого пуска для одного и того же многоскорост­ного асинхронного двигателя.

Еще более эффективным путем снижения потерь является непре­рывное управление скоростью идеального холостого хода путем из­менения частоты питающего АД напряжения в системе ППЧ—АД.

Построим переходный процесс пуска АД вхолостую при изме­нении частоты напряжения на статоре так, чтобы сформировать закон изменения скорости идеального холостого хода в виде [32]:

= «онач + Et

"О (0 = ^0 ном

НОМ

При 0)0 < СОоном; При Wq — Wqhomj

где є — ускорение электропривода, обеспечивающее заданное вре­мя переходного процесса /п п = /(О0н0м/^при постоянном момен­те двигателя М, є = dw/dt = со0Н0МЛп. п-

На рис. 3.43 показаны графики переходных характеристик при частотном пуске АД вхолостую.

При постоянном моменте М, выбранном исходя из допусти­мого ускорения или по перегрузочной способности двигателя или преобразователя, такое управление обеспечивает в меди ротора потери энергии:

(3.88)

Эти потери по сравнению с прямым пуском снижаются про­порционально 2(ОоначМ)ном - В за­висимости от мощности и типа двигателя потери могут умень­шиться в 5 —10 раз.

При определении полных по­терь энергии за время переход­ного процесса асинхронного

Рис. 3.43. Переходные характеристики двигателя необходимо учиты - при частотном пуске АД вхолостую вать, что к переменным поте-

рям относятся и потери в меди

статора. С учетом (3.84) потери энергии в меди АД (переменные потери) составят

(3.89)

а суммарные потери в двигателе с учетом постоянных потерь со­ставят

A Wm = AWM +(АРС + ДРмех)/п. п.

Разумеется, выражения (3.89) и (3.90) являются оценочными, так как получены при определенных допущениях. Тем не менее с их помощью можно при проектировании и модернизации асин­хронного электропривода выбирать такие технические решения, которые обеспечивают минимизацию потерь энергии в динами­ческих режимах работы электропривода.

msd.com.ua

Снижение потерь энергии в переходных режимах

Количество просмотров публикации Снижение потерь энергии в переходных режимах - 350

В процессе эксплуатации двигателя значительные потери энергии наблю­даются в переходных режимах и в пер­вую очередь при его пуске.

Потери энергии в переходных ре­жимах бывают заметно снижены за счёт применения двигателœей с мень­шими значениями моментов инœерции ротора, что достигается уменьшени­ем диаметра ротора при одновремен­ном увеличении его длины, так как мощность двигателя при этом должна оставаться неизменной. К примеру, так сделано в двигателях краново-металлургических серий, предназначенных для работы в повторно-кратковремен­ном режиме с большим числом включений в час.

Эффективным средством снижения потерь при пуске двигателœей является пуск при постепенном повышении на­пряжения, подводимого к обмотке статора.

Такой энергосберегающий способ пуска двигателя возможен только при работе двигателя в системе с регули­руемым преобразователœем: для асинх­ронных двигателœей это устройства плавного пуска или преоб­разователи частоты, а для двигателœей постоянного тока это элек­тронные (тиристорные) устройства управления.

Энергия, расходуемая при тормо­жении двигателя, равна кинœетической энергии, запасенной в движущихся частях электропривода при его пуске. Энергосберегающий эффект при тор­можении зависит от способа торможе­ния. Наибольший энергосберегающий эффект происходит при генераторном рекуперативном торможении с отдачей энергии в сеть. При ди­намическом торможении двигатель от­ключается от сети, запасенная энер­гия рассеивается в двигателœе и расхо­да энергии из сети не происходит. Наи­большие потери энергии наблюдаются при торможении противовключением, когда расход электроэнергии ра­вен трехкратному значению энергии, рассеиваемой в двигателœе при дина­мическом торможении.

При установившемся режиме рабо­ты двигателя с номинальной нагруз­кой потери энергии определяются номинальным значением КПД. Но если электропривод работает с пере­менной нагрузкой, то в периоды спа­да нагрузки КПД двигателя понижа­ется, что ведет к росту потерь. Эффек­тивным средством энергосбережения в данном случае является снижение на­пряжения, подводимого к двигателю в периоды его работы с недогрузкой.

Рассмотрим принципы построения ЭП, в котором минимизирует­ся потребляемый АД ток и тем самым потери электроэнергии в нем. Для этого обратимся к зависимостям тока статора I1 от напряжения U1(рис. 2) при разных моментах нагрузки Мc. Как видно из графи­ков 1...4, для каждого момента имеется такое напряжение, при котором потребляемыйАД ток из сети минимален. Штриховая линия, проведен­ная через точки минимумов тока для каждой нагрузки, определяет закон регулирования напряжения в функции тока, при реализации которого при любом Мc из сети потребляется минимальный ток.

Рисунок 2 – Вольтамперные характеристики и функциональная схема минимизирующая потребление электроэнергии

Схема ЭП с минимизацией потребляемого двигателœем тока включает в себя двигатель 4, регулятор напря­жения 3 с СИФУ 2, датчики тока 5 и напряжения 6, функциональный преобразователь 7, инœерционное звено 8 и элемент сравнения 1.

Требуемый закон управления ЭП реализуется с помощью поло­жительной обратной связи по току. Трехфазный датчик 5 выраба­тывает пропорциональный току сигнал, поступающий на вход фун­кционального преобразователя 7 который обеспечивает требуемую зависимость между напряжением на АД и моментом нагрузки на его валу (штриховая линия на рис. 2). C помощью инœерционного звена 8 обеспечивается крайне важно е качество переходных процессов. Кроме минимизации потерь электроэнер­гии, простыми средствами в такой схеме осуществляется повыше­ние КПД и коэффициента мощности асинхронного ЭП.

Этот способ энергосбережения воз­можно реализовать при работе двига­теля в системе с регулируемым пре­образователœем при наличии в нем об­ратной связи по току нагрузки. Сиг­нал обратной связи по току коррек­тирует сигнал управления преобразо­вателœем, вызывая уменьшение напря­жения, подводимого к двигателю в пе­риоды снижения нагрузки. В случае если же приводным является асинхронный двигатель, работающий при соединœе­нии обмоток статора ʼʼтреугольникомʼʼ, то снижение подводимого к фазным обмоткам напряжения можно легко реализовать путем переключения этих обмоток на соединœение ʼʼзвездойʼʼ, так как в данном случае фазное напряжение понижается в 1,73 раза. Этот метод целœесообразен еще и потому, что при таком переключении повышается ко­эффициент мощности, что также способствует энергосбере­жению. Из справочной литературы следу­ет, что при переключении обмоток с ʼʼтреугольникаʼʼ на ʼʼзвездуʼʼ при сниже­нии нагрузки до 50% относительно номинальной коэффициент мощности возрастает более чем на 20%. Приме­ром практического применения этого способа энергосбережения может слу­жить электропривод с асинхронным двигателœем, работающий в условиях значительных колебаний нагрузки.

Схема, приведенная на (рис.3), по­зволяет с помощью двух релœе тока КА1 и КА2, катушки которых включены после­довательно в фазные обмотки статора че­рез измерительные трансформаторы тока ТА1 и ТА2, автоматизировать переключе­ние обмотки статора с ʼʼтреугольникаʼʼ на ʼʼзвездуʼʼ при снижении нагрузки двигате­ля на 40—50% относительно номиналь­ной и обратное переключение при восста­новлении нагрузки.

При нажатии кнопки SВ1 ʼʼПускʼʼ вклю­чается силовой контактор КМ1, линœейные контакты которого подключают двигатель к сети. Контактор КМ2 в начальный мо­мент пуска остается невключенным и сво­ими размыкающимися контактами соеди­няет обмотку статора ʼʼзвездойʼʼ. Но как только начинается пуск двигателя, значи­тельный пусковой ток статора вызывает срабатывание релœе тока КА2. При этом контактор КМ2 своими замыкающими контактами переключает обмотку статора ʼʼтреугольникомʼʼ. Релœе тока КА1 срабатывает, и двига­тель переходит в рабочий режим.

Рисунок 3 – Схема автоматического переключения обмотки статора асинхронного двигателя с ʼʼтреугольникаʼʼ на ʼʼзвездуʼʼ

В случае если нагрузка двигателя снизится до значения Р2< 0,5Рном , то релœе тока КА1 отпустит и своими контактами отключит контактор КМ2, что приведет к пересоединœению обмотки статора с ʼʼтреугольни­каʼʼ на ʼʼзвездуʼʼ. При этом двигатель будет продолжать работу при повышенном зна­чении коэффициента мощности. В случае если же нагрузка двигателя вновь возрастет до зна­чения Р2> 0,5Рном, то произойдет пере­ключение обмотки статора со ʼʼзвездыʼʼ на ʼʼтреугольникʼʼ.

referatwork.ru

Потери мощности и энергии в установившемся режиме регулируемого электропривода

⇐ ПредыдущаяСтр 32 из 35Следующая ⇒

Выбор того или иного способа регулирования скорости электропривода определяется в конечном счете его экономичностью. И хотя понятие экономичности включает в себя такие факторы, как капитальные затраты, эксплуатационные расходы, надежность работы и т.п., показатели расхода электроэнергии и регулировочных потерь являются основной для сопоставления регулируемых электроприводов по экономичности. При прочих равных условиях большей экономичностью обладает электропривод с меньшими потерями и расходом электроэнергии.

С энергетической точки зрения регулирование скорости или момента означает изменение мощности механической энергии на рабочем органе механизма. Изменить эту мощность можно путем рассеяния ее части в виде тепла в добавочном рабочем сопротивлении якоря МПТ или ротора АД.

Такой же результат можно получить увеличив потери в самом двигателе, например, при несимметричном питании, когда в двигателе протекают несинусоидальные токи. Такие способы параметрического регулирования скорости (реостатный, несимметричного включения АД и др.) при длительном снижении механической мощности с энергетической точки зрения неэкономичны. Экономичнее отводя часть энергии (без изменения основного потока энергии) возвратить ее в сеть. Это реализуется в каскадных схемах включения АД – в электрических каскадах, или эту часть энергии дополнительно направить к рабочему органу механизма, что реализуется в электромеханических каскадах.

Существенно экономичнее регулировать поток механической мощности не за счет дополнительных потерь, а так, что бы мощность потребляемой механической энергии определялась мощностью, необходимой в данный момент времени механизму и потерями. Такие возможности имеют системы УП-Д, позволяющие регулировать параметры U, I, f на входе двигателя. В таких системах управление механической мощностью осуществляется за счет снижения потребляемой двигателем электроэнергии. Здесь источник (УП) выделяет такую электрическую мощность, которая требуется в данный момент времени механизму.

Чтобы сделать вывод об экономической целесообразности конкретного регулируемого электропривода необходимо прежде всего определить полные потери во всех его элемента.

У ДПТ с независимым возбуждением без большой ошибки можно принять, что механические потери Км и потери в стали Кс равны

, где

(Км+Кс)н – потери при номинальной скорости.

Переменные потери в якорной цепи

, где

w0р - скорость идеального холостого хода двигателя, соответствующая регулировочной характеристике.

Суммарные потери в регулируемом приводе с ДНВ с учетом потерь Кв на возбуждение

.

При реостатном регулировании скорости переменные потери изменяются пропорционально относительному перепаду скорости , а постоянные при уменьшении скорости уменьшаются.

При регулировании скорости изменением напряжения (w0=var) с Мc=Мн=const ток якоря неизменен и равен номинальному, т.к. . Неизменны и переменные потери .

При регулировании скорости ослаблением магнитного потока при Рс=Мс·wс=const ток возбуждения из-за нелинейности кривой намагничивания изменяется в большей степени, чем поток. Кривую намагничивания в пределах изменения тока возбуждения от 0 до Iвн можно аппроксимировать выражением

, где 1<m<2.

Тогда постоянные потери

.

С некоторым приближением можно принять, что снижение потерь в цепи возбуждения при увеличении скорости компенсируется увеличением механических потерь. При регулировании скорости изменением Ф с постоянной мощностью на валу Рс=Рн=const ток якоря Iя=Iн=const. Переменные потери тоже не изменяются. Отсюда следует, что суммарные потери в двигателе при данном способе регулирования скорости остаются постоянными

.

При регулировании скорости ДПТ изменением напряжения на якоре двигателя (w0=var), имеют место потери и в преобразователе. Для системы Г-Д постоянными являются механические потери и потери в стали машин. Переменные потери в системе Г-Д состоят из потерь в меди ротора и статора гонного двигателя генератора. Потери в якорной цепи системы

.

Для статического преобразователя с полупроводниковым вентилями (тиристорами) постоянные потери определяются в основном потерями в стали силового трансформатора и реакторов (сглаживающего и уравнительных). Они практически неизменны. Следовательно, для статического и вращающегося машинного преобразователя:

Кп=Кпн=const, где

Кпн – постоянные потери в преобразователе при его номинальном режиме.

К переменным потерям статического преобразователя относятся потери в обмотках силового трансформатора, дросселях, реакторах (если они есть) и в вентилях

или

, где

∆Ркз - потери к.з. трансформатора;

∆Ррн, ∆Рвент.н - потери в уравнительных и сглаживающих реакторах и вентилях.

В АД к постоянным потерям относят механические потери Км, потери в стали статора Кс1 и ротора Кс2, в меди статора от намагничивающего тока, т.е.

.

С достаточной точностью

Потери в стали (от вихревых токов и гистерезиса) пропорциональны квадрату амплитуды магнитной индукции и частоте в степени 1,3. Принимая, что при регулировании скорости двигателя и что объем шихтованной стали статора и ротора одинаковы, выражение для суммарных потерь в стали можно представить в виде

С учетом того, что Кc1н=Кс2н – потери в стали при номинальном напряжении и номинальной частоте

.

При реостатном регулировании АД, когда он питается от сети с U1=U1н и f1=f1н потери в стали

,

т.е.суммарные потери в стали при увеличении S растут за счет роста потерь в стали ротора.

В диапазоне скоростей от 0 до номинальной увеличение потерь в стали практически компенсируется снижением механических потерь. Поэтому

.

При частотном регулировании и работе АД на линейной части механической характеристики скольжение ротора S остается небольшим во всем диапазоне изменения скорости. Поэтому, потерями в стали ротора в этом случае можно пренебречь. Тогда при регулировании по закону и умножая и деля правую часть выражения для Кc, на

Переменные потери

.

Если частотное регулирование осуществляется при Мс=Мн=const, то перепад скорости ∆w=w0·S=const и переменные потери остаются неизменными

.

При реостатном регулировании переменные потери

.

Таким образом, переменные потери в роторной цепи Vрот определяются моментом и скольжением, а в статорной цепи Vстат - они зависят только от момента. Если регулирование осуществляется при Мс=const, то потери в статоре постоянны, а в роторной цепи они пропорциональны скольжению.

При вентиляторном потери в роторной цепи в зависимости от скорости определяются зависимостью

.

Взяв производную по скорости и прировняв ее 0, находим максимум потерь. Скорость и скольжение, при которых эти потери максимальны

Подставляя эти значения в выражение потерь, получим

,

где Рн – номинальная мощность на валу двигателя.

Потери в цепи статора с уменьшением скорости убывают

.

 

 

Читайте также:

lektsia.com