9.3 Потери в установившихся режимах

Энергию, необходимую для совершения рабочим органом механизма полезной работы, электропривод в общем случае потребляет из сети. Прохождение потока энергии от сети к рабочему органу механизма сопровождается потерями энергии во всех элементах электропривода. Протекание токов в силовой цепи и в цепи возбуждения двигателя вызывает потери электрической энергии в активных сопротивлениях (потери в меди); изменения магнитного потока являются причиной потерь в магнитной цепи двигателя, обусловленных вихревыми токами и гистерезисом (потери в стали). Силы трения, а также сопротивление движению, создаваемое самовентиляцией двигателя, вызывают механические потери двигателя, а силы трения в передачах - механические потери в кинематической цепи.

Для нерегулируемого электропривода первую составляющую, пропорциональную I², относят к переменным потерям, поскольку I º M, а момент определяется моментом сопротивления, т.е. зависит от технологического процесса. Две другие составляющие относятся условно к постоянным потерям, так как потери в магнитопроводе определяются практически неизменными амплитудой и частотой магнитной индукции, а механические потери – практически неизменной скоростью. Таким образом, для нерегулируемого электропривода в первом приближении можно считать

DР = К + I²R, (9.5)

где К – постоянные потери,

I и R – ток и сопротивление силовой цепи.

На рис.9.1 показано распределение потерь в направлении передачи энергии от источника энергии Р₁ = 3U_фI_фcosj (или Р₁ = UI для электропривода постоянного тока) к вращающейся рабочей машине Р₂ = Мw. Мощность, передаваемая статором ротору через воздушный зазор, показана как электромагнитная мощность Р_эм = Мw₀ .

Рис. 9.1 Энергетическая диаграмма электрической машины

Нерегулируемый электропривод рекомендуется загружать (0.8÷0.9)Р_н, при которой он имеет наилучшие энергетические показатели (η и cosφ). Работа с недогрузкой приводит к заметному снижению КПД, поэтому неоправданное завышение мощности двигателя оказывается неоправданным. Нежелательны также неудачно организованные циклы, когда холостой ход в рабочем цикле занимает большое место.

В регулируемом по скорости электроприводе энергетическая эффективность определяется выбранным способом в зависимости от того, изменяется или нет w₀ в процессе регулирования.

К первой группе (w₀ = const) относятся способы реостатного регулирования, а также регулирование асинхронного двигателя с к.з. ротором изменением напряжения при неизменной частоте.

Если принять для простоты, что Р_эм » Р₁ и DР₂ » DР_2м, то для этой группы получим: ∆P₂=Mω₀ – Mω=M(ω₀ – ω)=P₁(ω₀ – ω)/ ω₀=P₁s. (9.6)

Получили зависимость потерь в роторной (якорной) цепи при любой нагрузке пропорциональны разности скоростей Dw= (w₀ - w) (жесткости механических характеристик) или скольжению s.

При реостатном регулировании лишь часть этих потерь, пропорциональная суммарному сопротивлению роторной (якорной) цепи идет на нагрев, рассеивается внутри машины и греет ее. Другая часть, пропорциональная R_2доб/(R₂+R_2доб) рассеивается вне машины. Именно эта часть в каскадных схемах используется полезно.

В асинхронном электроприводе с к.з. ротором при регулировании изменением напряжения или каким-либо другим способом, но при постоянной частоте вся мощность DР₂ = Р₁s рассеивается в двигателе, нагревая его и делая способ практически непригодным для продолжительного режима работы.

Ко второй группе w₀ = var относятся способы регулирования изменением напряжения и магнитного потока в электроприводах постоянного тока изменением напряжения и магнитного потока и частотное регулирование в электроприводах переменного тока.

Способы регулирования с точки зрения потерь предпочтительны, поскольку разность скоростей Dw » const (механические характеристики параллельны), однако следует учитывать, что в устройствах, обеспечивающих w₀ = var, тоже есть потери, сопоставимые при малых мощностях и небольших диапазонах регулирования.

Рассмотрим составляющие потерь в установившемся режиме в электроприводах с различными типами двигателей.