Энергетика электроприводов Потери энергии при установившемся режиме работы нерегулируемого электропривода

Понятие «энергетика электроприводов» включает в себя вопросы потребления и расхода электроэнергии, потерь ее при электромеханическом преобразовании, вопросы эффективности использования активной и реактивной энергии.

Мощность потерь в нерегулируемом электроприводе при работе его в установившемся режиме на естественной механической характеристике складывается из мощности потерь в двигателе и в механических передачах от двигателя к рабочему органу, т.е.

, где

KиV– постоянные и переменные потери в двигателе.

К постоянным потерям относятся потери в стали, механические, а для двигателей постоянного тока независимого возбуждения и синхронных двигателей – еще и потери на возбуждение. Постоянные потери в действительности не являются постоянными, а изменяются при изменении скорости, напряжения и частоты сети. Однако при работе двигателя на естественной характеристике его скорость изменяется незначительно. Это позволяет считать постоянные потери неизменными.

Переменные потери – это потери в обмотках, зависящие от тока нагрузки. Для двигателей постоянного тока .

Для АД .

При небольшом диапазоне изменения токов АД, когда намагничивающий ток I_const, при малых скольженияхS, для которыхcos₂1, можно считать потери от тока намагничиванияI_²r₁, постоянными и отнести их к постоянным потерям, а переменные потери выразить только через ток ротора, т.к. приI_const

.

Для синхронных двигателей

.

Здесь x– кратность тока нагрузки.

Таким образом, переменные потери для различных двигателей , а суммарные потери в двигателе, где- коэффициент потерь.

Для двигателей постоянного тока с независимым возбуждением и АД переменные потери можно выразить через электромагнитный момент и относительный перепад скорости (скольжение).

Для ДПТ

.

Для АД переменные потери в роторе

.

Полные переменные потери в АД

.

КПД нерегулируемого электропривода

, где

Р_р0– мощность на рабочем органе;

Р₁– мощность, потребляемая из сети.

Если принять, что для рабочего участка естественной механической характеристики , то для КПД двигателя можно написать

.

Коэффициент мощности АД

, где ,

.

Выразив QчерезР_а, получим

.

Для большинства АД . Тогда, т.е. АД на 1кВт активной мощности потребляет из сети (0,50,75) кВАр реактивной мощности.

Потери мощности и энергии в установившемся режиме регулируемого электропривода

Выбор того или иного способа регулирования скорости электропривода определяется в конечном счете его экономичностью. При прочих равных условиях большей экономичностью обладает электропривод с меньшими потерями и расходом электроэнергии. Поэтому, чтобы сделать вывод об экономической целесообразности конкретного регулируемого электропривода, необходимо, прежде всего, определить полные потери во всех его элементах.

У ДПТ с независимым возбуждением без большой ошибки можно принять, что механические потери К_ми потери в сталиК_сравны

, где

(К_м+К_с)_н– механические потери и потери в стали при номинальной скорости.

Переменные потери в якорной цепи

, где

_0р- скорость идеального холостого хода двигателя, соответствующая его регулировочной характеристике.

Суммарные потери в регулируемом приводе с двигателем независимого возбуждения с учетом потерь на возбуждение К_в

.

При реостатном регулировании скорости переменные потери изменяются пропорционально относительному перепаду скорости , а постоянные при уменьшении скорости уменьшаются.

При регулировании скорости изменением напряжения (₀=var) сМ_c=М_н=constток якоря неизменен и равен номинальному. Неизменны и переменные потери.

При регулировании скорости ослаблением магнитного потока при Р_с=М_с·_с=constток возбуждения из-за нелинейности кривой намагничивания изменяется в большей степени, чем поток. Кривую намагничивания в пределах изменения тока возбуждения от0доI_внможно аппроксимировать выражением

, где 1<m<2.

Тогда постоянные потери

.

С некоторым приближением можно принять, что снижение потерь в цепи возбуждения при увеличении скорости компенсируется увеличением механических потерь. При регулировании скорости изменением Фс постоянной мощностью на валуР_с=Р_н=constток якоряI_я=I_н=const. Переменные потери тоже не изменяются. Отсюда следует, что суммарные потери в двигателе при данном способе регулирования скорости остаются постоянными.

При регулировании скорости ДПТ изменением напряжения (₀=var) имеют место потери и в преобразователе. Для системы ГД постоянными являются механические потери и потери в стали машин. Переменные потери в системе ГД состоят из потерь в меди ротора и статора гонного двигателя генератора. Потери в якорной цепи системы

.

Для статического преобразователя с полупроводниковым вентилями постоянные потери определяются в основном потерями в стали силового трансформатора и анодных реакторов. Они практически неизменны. Следовательно, для статического и машинного (вращающегося) преобразователя:

К_п=К_пн=const, где

К_пн– постоянные потери в преобразователе при его номинальном режиме.

К переменным потерям статического преобразователя относятся потери в обмотках силового трансформатора, дросселях, реакторах (если они есть) и в вентилях

или

, где

∆Р_кз- потери к.з. трансформатора;

∆Р_рн,∆Р_вент.н- потери в уравнительных и сглаживающих реакторах и вентилях приI_я=I_н.

В АД к постоянным потерям относят механические потери К_м, потери в стали статораК_с1и ротораК_с2, в меди статора от намагничивающего токаI_, т.е.

.

Потери в стали (от вихревых токов и гистерезиса) пропорциональны квадрату амплитуды магнитной индукции и частоте в степени ~1,3. Принимая, что при регулировании скорости двигателя

и что объем шихтованной стали статора и ротора равны, выражение для суммарных потерь в стали можно представить в виде

или с учетом того, что К_c1н=Кс2н– потери в стали при номинальном напряжении и частоте

.

При реостатном регулировании АД U₁=U_1н;f₁=f_1ни

, т.е.

суммарные потери в стали при увеличении Sрастут за счет роста потерь в стали ротора.

В диапазоне скоростей от 0 до номинальной увеличение потерь в стали практически компенсируется снижением механических потерь. Поэтому

.

При частотном регулировании и работе двигателя на линейной части механической характеристики скольжение двигателя остается небольшим во всем диапазоне изменения скорости. Потерями в стали ротора в этом случае можно пренебречь. Тогда при регулировании по закону умножая и деля наf₁²правую часть выражения дляК_c, получим

Переменные потери

.

Если частотное регулирование осуществляется при М_с=М_н=const, то перепад скорости∆₀·S=constи переменные потери остаются неизменными

.

При реостатном регулировании

.

Таким образом, переменные потери в роторной цепи V_ротопределяются моментом и скольжением, а в статорной цепиV_статони зависят только от момента. Если регулирование осуществляется приМ_с=const, то потери в статоре постоянны, а в роторной цепи≡ S.

При вентиляторном моменте потери в роторной цепи в зависимости от скорости

.

Взяв производную по скорости, можно найти максимум потерь. Скорость и скольжение, при которых эти потери максимальны

, где

Р_н– номинальная мощность двигателя на валу.

Потери в цепи статора с уменьшением убывают

.