книги из ГПНТБ / Основы автоматизированного электропривода учеб. пособие

счет снижения магнитного потока при том же моменте дви­ гателя возрастают токи и потери в самой машине. Таким образом, параметрические способы регулирования ско­ рости, а именно: реостатный, шунтированием якоря, дрос­ сельный и несимметричные включения асинхронных дви­ гателей, оказываются в указанном выше смысле неэконо­ мичными. Здесь регулирование осуществляется за счет выделения дополнительных потерь в регуляторах или в самих двигателях.

Существенно экономичней регулировать поток механи­ ческой энергии можно не за счет дополнительных потерь, а путем уменьшения общего потока электроэнергии от ис­ точника при соответствующем воздействии на него (рпс. 10-5, в). К такому способу относится регулирование скорости по системе управляемый преобразователь — двигатель на постоянном и переменном токе.

Экономичным окажется регулирование, если, не изме­ няя основного потока электроэнергии от источника к по­ требителю, уменьшать механическую мощность за счет рекуперации излишней энергии источнику (рис. 10-5, г). Это относится к каскадным схемам включения асинхрон­ ного двигателя с возвратом потерь скольжения в сеть (электрические каскады). Наконец, потери в потребителе можно полезно реализовать, а именно направить дополни­ тельно к рабочему органу (рис. 10-5, д), что имеет место в электромеханических каскадных схемах, в которых энер­ гия скольжения передается на вал. Если пренебречь поте­ рями на пути потока энергии, то в данном случае вся электрическая энергия преобразуется в механическую и полностью передается на рабочий орган. Этот способ относится к регулированию скорости с постоянной мощ­ ностью на валу. При снижении скорости механическая мощность основного двигателя снижается на величину потерь скольжения, а вспомогательного двигателя — на столько же увеличивается. В результате суммарная мощность на валу остается неизменной при возрастающем обратно пропорционально скорости моменте сопротив­ ления.

Если регулирование скорости вниз от номинальной с постоянной механической мощностью осуществляется параметрическим способом, то электрическая мощность, потребляемая от источника, не остается постоянной. Со снижением скорости возрастают потери в двигателе и до­ полнительных сопротивлениях и потребляемая от источ­

480

ника мощность возрасткет. При этом потери за счет воз­ растающего момента сопротивления будут большими, чем в случае с постоянным или убывающим М с. Поэтому регу­ лирование скорости вниз с постоянной мощностью на валу — наиболее неблагоприятный случай для парамет­ рического способа. При регулировании скорости вверх от номинальной Рс = const электрическая мощность мо­ жет оставаться неизменной и в параметрическом способе регулирования. Так, с уменьшением магнитного потока двигателя постоянного тока с независимым возбуждением ток якоря и потребляемая мощность остаются постоян­ ными. Этот способ регулирования, не вызывающий допол­ нительных потерь, оказывается весьма экономичным.

Исходя из принципа регулирования, наиболее эконо­ мичным можно считать способ регулирования скорости по системе УП—Д (рис. 10-5, в). Здесь в соответствии с требующейся механической мощностью источник выде­ ляет необходимую электрическую мощность.

Приведенная сравнительная оценка характеризует эко­ номичность способов регулирования скорости лишь в об­ щих чертах. В расчет принимались только дополнитель­ ные потери в силовых регуляторах и двигателях, возникаю­ щие при регулировании скорости. Может оказаться, что в конкретных условиях «экономичный» способ будет усту­ пать «неэкономичному». Например, в установках мощ­ ностью до нескольких киловатт и небольшим диапазоном регулирования система Г—Д характеризуется большими потерями и потребляемой мощностью, чем асинхронный двигатель с реостатным регулированием. Чтобы сделать вывод об экономической целесообразности конкретного регулируемого электропривода, необходимо прежде всего определить полные потери во всех его элементах.

а) Потери в регулируемом электроприводе

сдвигателем постоянного тока независимого возбуждения

Удвигателя постоянного тока с независимым возбуж­

дением его постоянные потери складываются из потерь в цепи возбуждения /св, механических /сы и дополнитель­ ных потерь в стали кс. Без большой ошибки можно при­ нять, что

+ &с = (^м+ > ' (10-12)

теля, соответствующая его регулировочной ха­ рактеристике;

Дя3 — результирующее сопротивление якорной цепи, включающее в себя и внутреннее активное со­ противление преобразователя.

При регулировании скорости изменением напряжения с М с = const = М н ток якоря остается неизменным и рав­ ным номинальному. Неизменными останутся при регули­ ровании и переменные потери:

При реостатном способе регулирования переменные потери не остаются постоянными, а растут пропорцио­ нально относительному перепаду скорости б

где б = (со„ — со)/со0.

Суммарные потери для двигателя и его якорной цепи АРдв = /св + (/см + кс)н J + М (соор — со). (10-16)

При регулировании скорости ослабленпем поля дви­ гателя с Рс = coast ток возбуждения за счет насыщения магнитной системы изменяется в большей степени, чем магнитный поток. Кривую намагничивания в пределах изменения тока возбуждения от нуля до номинального значения можно приближенно аппроксимировать анали­ тически:

С некоторым приближением можно принять, что сни­ жение потерь в цепи возбуждения при увеличении скорости

482

компенсируется увеличением механических потерь, т. е. в сумме постоянные потери остаются неизменными. Так

Тогда можно считать, что суммарные потери в данном способе регулирования остаются постоянными:

При регулировании скорости изменением напряжения на якоре двигателя имеют место потери и в преобразова­ теле. Для вращающегося преобразователя (генератора с приводным двигателем) постоянными потерями являются механические и потери в стали машин преобразователя. Так как скорость преобразователя изменяется незначи­ тельно, то его постоянные потери можно считать неизмен­ ными. Для статического преобразователя с полупровод­

и анодных реакторов. Эти потери остаются практически неизменными. Следовательно, для управляемого преобра­ зователя, статического или вращающегося,

где кп п — постоянные потери преобразователя в номи­ нальном режиме его работы.

К переменным потерям статического преобразователя относятся потери в меди обмоток силового трансформатора и дросселей, а также потери в вентилях:

состоят из потерь в меди обмоток статора и ротора привод­ ного двигателя генератора. Потери в якоре генератора входят в результирующие потери якорной цепи, которые определяются по формуле (10-13).

б) Потери в регулируемом электроприводе с асинхронным двигателем

Для асинхронного двигателя к постоянным потерям относят механические потери кМ1 потери в стали статора кС1 и ротора Дг08, а также потери в меди статора от намагни­ чивающего тока /ц, т. е.

порциональны квадрату амплитуды индукции £?п и час­ тоте в степени примерно 1,3. Принимая, что при регули­ ровании скорости двигателя

и что объемы шихтованной стали статора и ротора равны, можно получить выражение для суммарных потерь в стали в виде

т. е. суммарные потери в стали при снижении скорости растут за счет роста потерь в стали ротора. С некоторым приближением можно принять, что увеличение потерь в стали компенсируется в диапазоне скоростей от номи­ нальной до нуля снижением механических потерь. Тогда

484

При частотном регулировании рабочее скольжение двигателя остается небольшим на всем диапазоне измене­ ния скоростей. Потерями в стали ротора в этом случае можно пренебречь. Тогда для случая регулирования по закону UIf — const согласно (10-25) получим:

Дю = co0s — const и переменные потери остаются неизмен­ ными:

определяются моментом и скольжением, а в статорной цепи они зависят только от момента. Если регулирование осуществляется с М с = const, то потери в статоре посто­ янны, а в роторной цепи пропорциональны скольжению.

Для «вентиляторного» характера изменения момента

потери в роторной цепи определяются следующей зави­ симостью, от скорости:

Дифференцирование выражения (10-33) по скорости позволяет определить максимум потерь в роторной цепи,

•скорость и скольжение, при которых этот максимум

где Ра — номинальная мощность на валу двигателя. Потери в статорной цепи непрерывно убывают с умень­

шением скорости:

(10-35)

Для двигателя постоянного тока с независимым воз­ буждением и при «вентиляторном» моменте сопротивления потери в якорной цепи определяются также с помощью выражений (10-33) и (10-34).

10-3. ПОТЕРИ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ ПРИ ПЕРЕХОДНЫХ ПРОЦЕССАХ НЕРЕГУЛИРУЕМОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА

В общем случае определение потерь электроэнергии i

AW = \A Pdt,

о

возникающих в приводе при переходных процессах, пред­ ставляет собой сложную задачу. Суммарные потери мощности (АР) оказываются сложной функцией, зави­ сящей от нагрузки на валу, от механической и электро­ магнитной инерционности двигателя и т. п. Кроме того, отдельные составляющие потерь по-разному изменяются в переходных процессах.

Чтобы лучше понять физическую сторону возникнове­ ния потерь в переходных процессах электропривода, упростим задачу, сделав некоторые допущения. Будем рассматривать только активные потери, имеющие место в рабочих' цепях двигателей при отсутствии момента сопротивления М с = 0. Будем пренебрегать электро­ магнитной инерционностью двигателя и постоянными потерями. Заметим, что допущение в отношении постоян­ ных потерь оправдано в большинстве случаев, так как они составляют лишь незначительную часть от перемен­ ных потерь в переходных процессах. Допущение М0 — 0 оправдано тем, что электроприводы часто работают в пере­

486

ходных процессах вхолостую, когда их момент сопротив­ ления весьма незначителен. К тому же допущение М с = О позволяет исключить потери от нагрузки и рассмотреть только те потери, которые

■энергии имеет место только в переходных процессах. В ус­ тановившемся режиме оно от­ сутствует, так как двигатель не совершает механической работы.

Баланс энергий, участ­ вующих в электромеханиче­ ском преобразовании, объе­ диняет кинетическую энер­ гию вращающихся частей привода W K, электрическую энергию силовых обмоток двигателя (Р7„) и потери электроэнергии в этих обмот­ ках (ДИО

W9- W K= &W. (10-36)

При анализе цотерь элек­ тропривод рассматривается как механическое звено, к

которому подводится электрическая энергия (рис. 10-6, а). Для такого механического звена кинетическая энергия представляет собой функцию одной переменной — углог вой скорости:

Производная кинетической энергии по скорости, рав­ ная количеству движения, пропорциональна угловой ско­ рости

Приращение кинетической энергии при изменении скорости двигателя в пределах от со1т до со„ов определяется

где

sHali — («О — ®нач)/®о5 5нон — (®о ®ион)/®0‘

Для асинхронных двигателей sHaq и sK0H означают соответствующие скольжения, а для двигателя постоян­ ного тока с независимымвозбуждением они представляют собой относительные перепады скорости:

®пач = бнач! $кон = бкон-

В соответствии с (10-41а) AWaграфически изображается площадью прямоугольника, ограниченного горизонталью /соо и осью абсцисс в пределах скоростей от-сонач до сокоп.

постоянного тока или в роторной цепи асинхронного дви­

Графически потери AW определяются как разность площадей для AWа и AWк (10-36).'

В частном случае, когда конечной скоростью переход­ ного процесса является скорость установившегося режима, т. е. в данном случае при сокон = со„

Общее выражение для потерь (10-42) можно получить интегрированием мощности потерь,, которая для якорной цепи двигателя постоянного тока с независимым возбу­ ждением и роторной цепи асинхронного двигателя опре­ деляется выражением

АР = M'xi)0s.

Тогда с учетом уравнения М = / получим:

489