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 DР.

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

(9.1)

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

(9.2)

где P_ро – мощность на рабочем органе механизма.

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

(9.3)

где Р_н, DР_н – номинальная выходная мощность и номинальные потери.

Оценкой энергетической эффективности любого элемента тогда будет зависимость КПД от относительной нагрузки η=f(P/P_н).

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

(9.4)

где Р – активная мощность;

n = I/I₍₁) – коэффициент искажений;

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

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

При небольших искажениях n » 1, коэффициент мощности определяется как отношение активной мощности к действующему значению, тогда c » соsφ.

При передаче по линии с некоторым активным сопротивлением R_л активной мощности Р при cosj ¹ 1 потери мощности переменного тока DР_~ вырастут в сравнении с потерями при передачи той же мощности постоянным током DР₌ в отношении

Оценки энергетической эффективности электропривода вида (9.1-9.3) справедливы, если процесс неизменен во времени. Если же нагрузка заметно меняется во времени, следует пользоваться оценками, определяемыми по энергиям за время t:

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

(9.4)

где W_ц и DW_ц – 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:

(9.5)

где η_т - КПД силового трансформатора, обеспечивающего потенциальную развязку силовых цепей электропривода; ∆U_в - падение напряжения на вентиле; U_тп.н- номинальное выходное напряжение преобразователя.

Если с достаточным запасом принять ∆U_в=∆U_в.max=2 В, то для мостовой схемы преобразователя (n=2) при U₁=380 В и U_тп.н=440 В КПД собственно управляемого выпрямителя составит η_ув=1-2·2/440=0.99, с учетом КПД трансформатора получим η_тп=(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 и дешевое решение, но добавляются потери в его обмотке; преобразователь с большим m хорош, но сложен и дорог.

Однако для электроприводов средней и большой мощности главные энергетические проблемы лежат в сфере взаимодействия электропривода с питающей сетью, которые во многих случаях оказывает решающее влияние ее показатели качества энергопотребления. Дискретный фазо-импульсный 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 фильтро-компенсирующих устройств, каждая цепь которых содержит последовательное соединение батарей конденсаторов и индуктивности с настройкой данной цепи фильтра на определенную наиболее существенную высшую гармонику тока.