Габаритная мощность силовых элементов в электроприводе переменного тока

Сопоставим величины габаритной мощности преобразователей, питающих силовые цепи двигателей постоянного и переменного тока. Считаем, что якорная обмотка двигателя постоянного тока подключена к реверсивному тиристорному преобразователю, а статорная обмотка синхронного двигателя – к трехфазному преобразователю частоты с непосредственной связью (рис. 5.10). Чтобы обратить внимание лишь на наиболее существенные моменты, примем следующие допущения: падения напряжения в обмотках силовых цепей не учитываются, запасы по напряжению в силовых преобразователях отсутствуют, а режимы работы обоих сравниваемых электроприводов одинаковы.

Величину механической мощности на валу двигателей в обеих системах электропривода примем равной

Р_МЕХ = M · n = 1;

где M и n  момент на валу и скорость вращения вала двигателя.

Величина электрической мощности двигателя постоянного тока

P_ЭЛ = E · I = 1,

где E и I  ЭДС и ток якоря.

Габаритную мощность тиристорного преобразователя постоянного тока с учетом принятых допущений можно оценить выражением:

Pпр = U_d · I_d = 1,

где U_d и I_d  выпрямленные напряжение и ток преобразователя. При этом U_d = E = 1, I_d = I.

Для трехфазного двигателя переменного тока полная электрическая мощность статорных цепей

Р_ЭЛ = 3 · U_Ф · I_Ф = Р_АКТ / cos.

Здесь U_Ф и I_Ф  действующие значения фазных напряжения и тока двигателя,   угол сдвига между U_Ф и I_Ф, Р_АКТ  активная мощность статорной цепи двигателя. Если принять cos = 1, то

Р_ЭЛ = Р_АКТ = 1.

Габаритная мощность тиристорного преобразователя частоты

Р_НПЧ = 3 · U_d · I_d.

Если поставить условие, что напряжение и ток статора имеют синусоидальный характер, то

U_d = 2 U_Ф и I_d = 2 I_d.

В этом случае

Р_НПЧ = 2 Р_ЭЛ = 2.

Итак, если статорные цепи синхронного двигателя получают от преобразователя частоты синусоидальное напряжение, то даже при единичном коэффициенте мощности на зажимах статора двигателя потребная габаритная мощность преобразователя частоты с непосредственной связью должна быть выбрана в два раза выше, чем соответствующая мощность тиристорного преобразователя напряжения в электроприводе постоянного тока. Это обусловлено тем, что габарит вентильных преобразователей определяется не средними, а амплитудными значениями напряжения и тока.

Чтобы не завышать столь значительно габаритную мощность преобразователей в электроприводах переменного тока, какая требуется при строго синусоидальных кривых напряжения и тока, часто преобразователи выбирают не по амплитудному, а по действующему значениям напряжения и тока фазы. В этом случае при больших частотах напряжения на статоре, соответствующих высоким угловым скоростям вращения двигателя, кривая напряжения на статоре имеет не синусоидальную, а трапецеидальную форму, т.е. принципиально, кроме основной гармоники, содержит высшие.

Наличие высших гармоник приводит к тому, что, во-первых, вектор потокосцепления статора в зазоре машины вращается неравномерно, а во-вторых, увеличиваются потери в стали и особенно – на поверхности ротора.

Неравномерность вращения вектора потокосцепления статора в зазоре машины приводит к пульсациям вращающего момента двигателя, но с этим обстоятельством часто примиряются, так как на высоких скоростях пульсации момента, имеющие также высокую частоту, легко фильтруются маховыми массами ротора. При пониженных же скоростях эта трудность отпадает сама собой, так как в этих режимах напряжения на статоре также понижены и, следовательно, режим насыщения преобразователя не наступает.

Поверхностные потери в стали ротора наиболее опасны в крупных машинах и надежнее всего снижаются шихтовкой его полюсных башмаков. Но в последние годы крупные синхронные двигатели чаще изготавливают с массивными полюсами, т.е. из сплошного железа. В этих случае хорошие результаты дает рифление поверхности ротора. Это – нанесение на поверхности ротора кольцевых канавок шириной до 3...6 мм и глубиной до 6...8 мм с шагом около 1...1,5 см. Рифленая поверхность резко увеличивает активное сопротивление контуров вихревых токов от высших гармоник, которые, как известно, замыкаются по поверхности ротора. Кроме того, заметно увеличивается площадь охлаждаемой поверхности ротора.