Учебники 80228

УДК 62-83.681.513.3

Фролов Ю.М. Энергетика электропривода переменного тока:

Учеб. пособие / Ю.М. Фролов, А.В. Романов. Воронеж. гос. техн. ун-т. Воро-

неж, 2002.85 с.

В учебном пособии рассмотрены положения теории общих закономерностей электромеханического преобразования энергии с примерами по определению энергетических показателей конкретных систем при исследовании и проектировании современных электроприводов переменного тока. Материал учебного пособия может быть использован при выполнении курсового и дипломного проектирования, лабораторных работ, в студенческой научной работе.

Издание предназначено для студентов специальности 180400 «Электропривод и автоматика промышленных установок и технологических комплексов» по дисциплине «Теория электропривода» и может быть использовано студентами, обучающимися по направлению «Электротехника, электромеханика и электротехнологии» при анализе энергетики электрических приводов переменного тока при работе в статическом и динамическом режимах.

Табл. 1. Ил. 26. Библиогр.: 9 назв.

Научный редактор д-р техн. наук, проф. В.Л. Бурковский

Рецензенты: кафедра электротехники Воронежского государственного агроуниверситета; канд. техн. наук В.А. Хомяк

Печатается по решению редакционно-издательского совета Воронежского государственного технического университета

©Фролов Ю.М., Романов А.В., 2002

©Оформление. Воронежский государственный технический университет, 2002

ВВЕДЕНИЕ

В условиях ускорения научно-технического прогресса существенное значение приобретает автоматизированный электропривод, составляющий энергетическую основу механизации и автоматизации различных отраслей промышленности и сельского хозяйства.

Успехи в области силовой полупроводниковой техники, микроэлектроники, систем автоматизированного управления создают необходимые предпосылки для совершенствования современного электропривода и значительного расширения его технических и функциональных возможностей, что позволяет наиболее полно удовлетворить всѐ возрастающие технологические требования и обеспечить эффективную работу производственных машин и агрегатов. Очевидно, что решение этой задачи связано с широким использованием регулируемых приводов, в которых при помощи полупроводниковых преобразователей оказывается возможным изменять параметры энергии, подводимой к электродвигателю в переходных и установившихся режимах, и, тем самым, обеспечивать реализацию управляемых режимов при необходимых, заданных показателях качества.

Вопросы регулирования скорости вращения асинхронных двигателей (АД) постоянно находятся в центре внимания исследователей. Это вызвано тем, что АД является самым простым, надежным и экономичным типом двигателя. Он превосходит по массогабаритным показателям двигатель постоянного тока такой же мощности и частоты вращения. Однако регулирование скорости АД осложнено нелинейностью его характеристики. Наиболее часто регулирование скорости АД осуществляется путѐм изменения таких параметров как: сопротивления роторной цепи, напряжения статора, числа пар полюсов, частоты питающего напряжения, а также применения каскадного и импульсного способов.

Большое разнообразие существующих способов управления ставит перед проектировщиком сложную задачу по выбору оптимального способа управления с точки зрения технологических требований, технико - экономических показателей. Наиболее эффективным способом решения этой проблемы является применение вычислительной техники при проектировании.

1. ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОЕ ПРЕОБРАЗОВАНИЕ ЭНЕРГИИ В АСИНХРОННОМ ДВИГАТЕЛЕ

Энергетические показатели учитываются при технико-экономическом обосновании выбранного рода тока и способа управления электроприводом (ЭП), а также при расчѐте капитальных и эксплутационных затрат. К таким энергетическим показателям относятся: коэффициент полезного действия и коэффициент мощности ЭП.

В любой электрической машине происходит электромеханическое преобразование энергии (ЭМП), в процессе которого часть энергии теряется из-за того, что сопротивление обмоток не равны нулю, существует трение в подшипниках и трения о воздух, перемагничивание стали и т.д. Сложность описания ЭМП, а, следовательно, и определения потерь энергии в асинхронном двигателе (АД) заключается в том, что здесь невозможно разделить цепи якоря и возбуждения, имеются в наличии нелинейные элементы магнитной цепи и т.п. Для упрощения расчѐтов при определении энергетических показателей, как правило, принимают следующие допущения:

1)фазные обмотки двигателя расположены симметрично;

2)гистерезис, вихревые токи, насыщение магнитной системы и потоки рассеяния отсутствуют.

Рассмотрим энергетическую диаграмму АД с фазным ротором, представ-

потери мощности в обмотках статора; pС1 – потери в стали статора; pС 2 – потери в стали ротора; pМ 2 – потери в обмотках ротора; pД – потери в доба-

вочных сопротивлениях ротора; pМЕХ – механические потери в подшипниках и на вентиляцию.

Рис. 1.1. Энергетическая диаграмма АД с фазным ротором

Двигатель потребляет из сети электрическую мощность

где m1 , U1 , I1 , cos 1 – соответственно число фаз, фазный ток, напряжение и

коэффициент мощности статора.

Поступившая в статор энергия частично рассеивается в активных сопротивлениях статора. Эти потери мощности определяются равенством

где R1 – сопротивление фазы обмотки статора, Ом.

Основная часть потребляемой мощности идѐт на создание электромаг-

Часть электромагнитной мощности статора расходуется на потери в стали pС1 , а большая часть передаѐтся через зазор к ротору и представляет собой

мощность электромагнитного поля в зазоре

где M ЭМ – электромагнитный момент;

1 – угловая скорость вращения магнитного поля относительно статора.

Магнитное поле в воздушном зазоре вращается относительно обмотки статора с синхронной скоростью

стали ротора ( pС 2 ) при номинальном моменте двигателя и скольжениях, при-

Мощность, пропорциональная механической работе, расходуется на совершение полезной работы P2 , механические потери и определяется электромагнитным моментом двигателя и скоростью вращения ротора:

Мощность, расходуемая на покрытие потерь в цепи ротора, называется мощностью скольжения. Эта мощность определяется выражением

Мощность скольжения рассеивается в сопротивлениях обмотки ротора и на добавочных сопротивлениях:

добавочное и суммарное сопротивления, Ом.

Для двигательного режима работы привода коэффициент полезного действия можно определить из равенства

где pсум – суммарные потери в приводе, которые определяются в соответствии с выражением (1.17) согласно /2/

приводе.

Под постоянными потерями понимают потери, которые не зависят от тока нагрузки. Для асинхронного двигателя при работе в обычных схемах включения за постоянные потери принимают потери в стали статора и ротора от то-

ка намагничивания Im , механические потери.

Постоянные потери АД по паспортным данным можно определить из выражения /3/

где PН – номинальная мощность двигателя, Вт.;

Н и SН – соответственно коэффициент полезного действия, и скольжение при работе АД в номинальном режиме.

Переменные потери в приводе зависят от нагрузки и определяются из равенства

Коэффициент полезного действия можно определить из выражения

где A – работа, совершаемая приводом, за определѐнный промежуток времени, Дж;

A – полные потери энергии за тоже время, Дж. Полезная работа находится из выражения

а энергия потерь из равенства

В установившемся режиме работы привода выражения (1.21) и (1.22) можно записать

где tУ – длительность работы в установившемся режиме привода,

В динамических режимах работы электропривода изменяется и величина полезной мощности и значения потерь мощности.

Коэффициент мощности из схемы замещения рис. 1.2 можно найти двумя способами.

Рис. 1.2. Т-образная схема замещения фазы двигателя

Рассмотрим способ первый.

В двигательном режиме, коэффициент мощности двигателя можно определить по формуле

где Q – реактивная мощность, потребляемая из сети, В*Ар.

Согласно данной схеме замещения активная мощность, потребляемая трѐхфазным асинхронным двигателем из сети, равна

где R2сум– суммарное приведенное активное сопротивление фазы ротора, которое находится из формулы (1.27)

Реактивная мощность, потребляемая из сети, находится из выражения

Ток статора по схеме замещения определяется по формуле

где RЭ и X Э – активное и индуктивное эквивалентные сопротивления параллельных ветвей намагничивания и ротора, находятся из равенств (1.30) и (1.31):