9.4.2 Энергетика переходных режимов асинхронного электропривода

Потери энергии асинхронного двигателя имеют несколько составляющих: потери энергии в статоре ∆W₁, в роторе ∆W₂, потери холостого хода ∆W_хх.

Потери холостого хода на трение, перемагничивание зависят от скорости, но из-за их сложности их считают постоянными и равными потерям мощности в номинальном режиме ∆Р_хх.н. Тогда потери энергии холостого хода будут пропорциональны времени переходного режима

∆W_хх=∆Р_хх.н·t_п.

Потери энергии в цепи ротора.

(9.24)

Уравнение (9.24) повторяет зависимость для цепи якоря ДПТ НВ, представленное уравнением (9.17). Потери в роторе определяются только запасом кинетической энергии. Аналогично рассмотренным выше случаям потери энергии припуске АД составляют ∆W₂=W_кин , при противовключении - ∆W₂=3W_кин , при динамическом торможении без учета потерь в статоре на возбуждение - ∆W₂=W_кин . Соотношения, аналогичные уравнениям потерь энергии в переходных режимах ДПТ НВ под нагрузкой, справедливы и для асинхронных двигателей.

Потери энергии в цепи статора.

(9.25)

В соответствии со схемой замещения АД ток статора I₁ определяется геометрической суммой тока ротора I’₂ и тока намагничивания I_μ . Так как в переходном режиме токи статора и ротора достигают (5÷7)I_н , током намагничивания можно пренебречь и принять равными I₁≈I’₂ . Тогда получим:

(9.26)

Полные потери асинхронного двигателя в переходных режимах, если считать R’₂=const ∆W=∆W₂(1+R₁/R’₂). (9.27)

Если считать для АД с короткозамкнутым ротором R₁≈ R’₂ , то ∆W=2∆W₂ . Получается, что потери энергии в переходных 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 к.з. 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 к.з. ротором:

(9.28)

Полученные выше зависимости позволяют сделать вывод: 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 большими пусковым и критическим моментами, которую можно без существенной погрешности аппроксимировать прямоугольной – со средним моментом пуска M_ср и нулевым скольжением.

Процесс пуска вхолостую при этом будет протекать с постоянным ускорением ε_п=М_ср/J =const и временем пуска t_п=ω₀/ ε_п=J· ω₀/ М_ср .

Потери в роторной цепи при пуске по уравнению (9.28) составят:

(9.29)

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

Электромагнитная энергия (без постоянных потерь), переданная ротору за время пуска W_эм=М_ср·ω₀·t_п=J·ω²₀ на рис.9.2,б показана пропорциональной площадью прямоугольника.

Механическая энергия на валу двигателя в конце пуска определяется запасенной кинетической энергией W₂= J·ω²₀ /2.

а) б)

Рис.9.2 Характеристики асинхронного двигателя:

а) – механические; б) - переходные процессы изменения мощностей

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 3 основных способа снижения потерь энергии при пуске двигателей: