книги из ГПНТБ / Основы автоматизированного электропривода учеб. пособие

чит, уменьшается скорость и т. д. Поэтому в конце пере­ ходного процесса изменение скорости и момента двигателя

момента инерции, статического момента и других факто­ ров на характер переходных процессов.

На рис. 9-25, а, приведены графики изменения мо­ мента и скорости асинхронного двигателя при его пуске

при скорости, близкой к синхронной, ослабляются, так как при медленном изменении скорости в области кри-

т

тического скольжения переходные токи меньше отли­ чаются от своих установившихся значений, чем при более быстром изменении скорости. Приведенные на рис. 9-25, б зависимости подтверждают эти положения. При пуске двигателя под нагрузкой характер изменения скорости и момента примерно такой же, как и при пуске с дополнительными массами (рис. 9-25, в). Важно отме­ тить, что изменения момента инерции и статического мо­ мента приводят не только к изменению длительности пере­ ходных процессов, но и к изменению длительности дей­

включения коммутирующих аппаратов, вновь подклю­ чается к сети, но при другом чередовании напряжения, так что двигатель начинает тормозиться в режиме противовключения, а затем разворачивается в обратную сторону. После отключения двигателя от сети токи в обмотках ста­ тора сразу уменьшаются до нуля. Однако магнитный поток машины не может мгновенно упасть до нуля. По­ этому в обмотках ротора возникают свободные токи, под­ держивающие магнитный поток, который был до отклю­ чения. Эти токи затухают во времени. Если двигатель вновь подключается к сети, когда токи ротора и соответ­ ствующее им магнитное поле еще не затухли, то это не­ затухшее магнитное поле оказывает существенное влия­ ние на электромагнитные переходные процессы.

На рис. 9-26, а приведены зависимости момента и ско­ рости двигателя от времени при реверсе с затухшим полем, а на рис. 9-26, б — при реверсе с незатухшим полем.

471

В первом случае наибольший пик переходного момеита может в 3—6 раз, а во втором — в 12—18 раз превышать номинальное значение момента двигателя. Наличие таких больших моментов может вызвать удары в передачах кине­ матической цепи электропривода, что необходимо учиты­ вать при проектировании последнего. Следует отметить, что в зависимости от начального угла между вектором э. д. с. от незатухшего магнитного поля и вектором на­ пряжения сети переходные процессы начинаются при раздшх условиях. Поэтому значение первого, наибольшего пика момеита при разных процессах реверса различно, что вызывает нестабильность времени и пути торможения двигателя при его работе в режиме противовключения. Практически реверс асинхронного двигателя часто проис­ ходит при наличии незатухшего магнитного поля.

Высказанные в данном разделе положения показы­ вают, что электромагнитные переходные процессы асин­ хронного двигателя оказывают существенное влияние на его динамические режимы. Возникающие в начале пере­ ходных процессов пики моментов могут при пуске в 3— 5 раз, а при реверсе в 12—18 раз превысить номинальные моменты. Следовательно, эти процессы определяют надеж­ ность работы асинхронного электропривода. Исследо­ вания показывают, что при переходных процессах с за­ тухшим магнитным полем, например при пуске, электро­ магнитные переходные процессы практически не оказы­ вают влияния на время переходных режимов. Это в неко­ торых случаях дает оспование не считаться с электромаг­ нитными процессами и рассчитывать переходные режимы с помощью статических характеристик.

При переходных процессах с незатухшпм магнитным полем, как правило, нельзя пренебрегать электромагнит­ ными процессами. Возникающая при таких режимах не­ стабильность в протекании переходных процессов может быть оценена только с учетом анализа указанных процес­ сов.

Возникающие при переходных процессах броски элект­ ромагнитных моментов имеют место в начале процессов и далее уменьшаются. Их особенно следует учитывать для электроприводов, в которых часто имеют место переход­ ные процессы.

При использовании специальных мер электромагнит­ ные переходные процессы могут быть значительно ослаб­ лены. Так, если осуществлять плавный пуск асинхрон­

472

ного двигателя постепенным изменением напряжения на его зажимах от пуля до поминального значения, то при этом изменение момента будет иметь плавный харак­ тер, а броски моментов будут отсутствовать. Такой способ пуска можно реализовать при питании асинхронного дви­ гателя через магнитный усилитель или тиристорный регу­ лятор напряжения, с помощью которых при плавном из­ менении управляющего сигнала можно добиться плавного изменения напряжения на зажимах двигателя.

Г л а в а д е с я т а я

ЭНЕРГЕТИКА ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ

10-1. ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ РАБОТЫ ЭЛЕКТРОПРИВОДА

Понятие «энергетика электроприводов» включает в себя вопросы потребления и расхода электроэнергии, потерь энергии при ее электромеханическом преобразовании, вопросы эффективности использования активной и реак­ тивной энергии. Важность этих вопросов делает, целе­ сообразным выделить их в самостоятельную главу, хотя частично они излагались и в других главах.

Потребляемая из сети электроэнергия, расходуемая на валу двигателя механическая энергия и значения по­ терь в электроприводе определяют важные энергетические показатели его работы: к. п. д. т] и коэффициент мощности cos ср. Повышение ц и cos ф позволяет полнее использо­ вать электрооборудование и снизить его эксплуатацион­ ные расходы. Энергетические показатели электропривода существенно зависят от режимов его работы, от момента нагрузки, угловой скорости, напряжения и частоты сети. Остановимся вначале на энергетических показателях нерегулируемого электропривода, когда двигатель рабо­ тает в режимах, соответствующих его естественной механи­ ческой характеристике.

Мощность потерь в нерегулируемом электроприводе складывается из мощности потерь в двигателе и в механи­ ческих передачах от двигателя к рабочему органу, т. е.

473

Потери в двигателях можно условно разделить иа постоянные (к) и переменные (v) потери, т.е.

Под постоянными подразумеваются потери мощности, не зависящие от тока нагрузки. К ним относятся потери в стали, механические потери от трения в подшипниках и вентиляционные потери. Для синхронных двигателей, а также двигателей постоянного тока с независимым воз­

буждением к постоянным по­ терям могут быть отнесены потери в обмотках возбужде­ ния. «Постоянные» потери в действительности не являют­ ся постоянными, т. е. неиз­ менными. Они изменяются при изменении скорости дви­ гателя, питающего напряже­ ния, частоты сети. Однако при работе двигателя на естественной характеристике его скорость в большинстве случаев изменяется незначи­ тельно. Это позволяет при­ нять постоянные потери неиз­ менными по величине, и рав­ ными своему номинальному

значению. Под переменными подразумевают потери мощ­ ности, зависящие от тока нагрузки, т. е. потери в меди обмоток двигателя, по которым протекает ток нагрузки.

Для двигателей постоянного тока

где индекс «и» относится к номинальным значениям тока и потерь.

Для асинхронных двигателей

v = 3/fi?x + ЗПИ'а = 3П {R2 + § t

где а = I'JIi можно найти в зависимости от скольжения и тока холостого хода с помощью кривых иа рис. 10-1;

ая — Дн/Дн ~ 0,85-i-0,95.

474

где а = k/vH— коэффициент потерь.

Для большинства двигателей нормального исполне­ ния в зависимости от номинальных мощности и скорости значение а изменяется в пределах от 0,5 до 2.

Потери в механических передачах определяются тре­ нием и могут быть приближенно представлены в виде

электропривода представляет собой отношение мощности на рабочем органе к мощности, потребляемой из сети:

где Цмех = Рро/Рм — к. п. д. механической передачи; %B = P J P \ — к. и. д. двигателя.

Если принять, что для рабочего участка естественной характеристики х = Ш н » Рм/Ры.в, то для к. п. д. дви­ гателя можно записать:

475

В номинальном режиме х = 1 и

На рис. 10-2 показан характер зависимости ц от х. Для двигателей, имеющих коэффициент потерь ot с 1, максимум к. п. д. имеет место при нагрузках, меньших номи­ нальной (а:опт<1). Напротив, при а > 1 г|Макс наступает при нагрузках, больших номиналь­ ной (хопт > 1). Если а = 1, то

Хот = 1 И Циане = Цн- Номи­

нальные значения к. и. д., как правило, растут с увеличением габаритов машины. Чем круп­ нее машина, тем труднее отво­ дится ее тепло наружу. По­ этому с ростом мощности ма­ шины приходится уменьшать относительные электромагнит­

ные нагрузки, в частности плотность тока, что вызывает относительное уменьшение потерь и повышение к. п. д.

Для машин переменного тока важным энергетическим показателем является коэффициент мощности. Асинхрон­ ные двигатели потребляют от питающей сети значительную реактивную мощность, необходимую для создания рабо­ чего магнитного потока машины и потоков рассеяния обмо­ ток статора и ротора. Коэффициент мощности определя­ ется выражением

coscp =

476

Выразим реактивную мощность через активную в виде

Рр= Р“ l^ ^ - 1 =jPafc°fP-

Для подавляющего большинства асинхронных двига­ телей cos фн те 0,840,9. Тогда

(0,5-0,75) Л ,

т. е. асинхронные машины на 1 кВт активной мощности потребляют из сети 0,5—0,75 квар реактивной мощности. Чем ниже cos срн, тем больше загружаются питающие сети

показан на рис. 10-3. Если нагрузка отсутствует (Рм = 0), то двигатель потребляет незначительную активную мощ­ ность, практически равную постоянным потерям (Ра = = /Г), и значительную реактивную мощность, расходуе­ мую в основном на создание главного поля машины (Рр те З / д Ж д ). совф при этом мал. С ростом нагрузки по­ требление реактивной мощности вначале изменяется не­ значительно, так как мощность главного поля (З/дХд) несколько снижается из-за уменьшения намагничиваю­ щего тока, а мощность полей рассеяния ( 3 + 31'lXi) незначительно увеличивается. При этом соэф растет. При дальнейшем увеличении нагрузки реактивная мощность за счет потоков рассеяния увеличивается в большей сте­ пени, чем активная мощность,.и совф уменьшается.

У синхронного двигателя коэффициент мощности в за­ висимости от нагрузки изменяется, равно как и у асин­ хронного двигателя. В отличие от асинхронного синхрон-

477

ный двигатель допускает регулирование cos ср изменением своего тока возбуждения. С увеличением тока возбуждения уменьшается доля тока статора в создании результирую­ щего поля машины. Уменьшение реактивного тока ста­ тора обусловливает повышение cos <р машины. При неко­

тором значении тока возбуждения результирующее

энергии с отдачей этой энергии в сеть. Возможные режимы синхронного двигателя в отношении реактивной мощности характеризуются так называемыми U-образными кривыми (рис. 10-4). Минимальное значение тока статора имеет ме­ сто при cos ф = 1, когда машина потребляет нз сети только активный ток.

10-2. ПОТЕРИ МОЩНОСТИ В УСТАНОВИВШИХСЯ РЕЖИМАХ РЕГУЛИРУЕМЫХ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ

Выбор того илн иного способа регулирования скорости двигателей определяется в конечном счете его экономич­ ностью. Понятие экономичности способа регулирования весьма многогранное, включающее в себя большое число факторов. Сюда относятся капитальные затраты и эксплу­ атационные расходы, надежность работы, количество изготовляемых электроприводов, их назначение и т. п. Трудно установить общий критерий, определяющий выбор того иди иного способа регулирования. В каждом конкрет­ ном случае выбору способа регулирования электропри­ вода должно предшествовать его подробное технико-эко­ номическое обоснование. Тем не менее, чтобы сделать общую оценку экономичности способа регулирования, воспользуемся такими энергетическими показателями, как

478

потери и расход электроэнергии при работе электропривода на регулировочных характеристиках. Очевидно, что при прочих равных условиях большей экономичностью будет обладать электропривод с меньшими потерями и расходом

служат дополнительные сопротивления в силовых цепях двигателей. Уменьшить механическую мощность на рабочем органе можно и за счет выделения дополнительных потерь ие в регуляторе, а в самом потребителе (двигателе), воз­ действуя на него соответствующим образом (рис. 10-5, б). Так, в схемах несимметричного включения, а также при дроссельном регулировании асинхронных двигателей за

479