7.3 Энергетические показатели электропривода

На долю электропривода приходится около 2/3 всей выраба­тываемой электроэнергии, поэтому вопрос о том, насколько эффективно используется эта электроэнергия, имеет огромное техническое и экономическое значение.

Электрические приводы питаются (за исключением транс­портных или мобильных машин) от промышленной сети пере­менного тока частотой 50 Гц. Электроприводы потребляют (а при работе в рекуперативном тормозном режиме и отдают) из сети активную мощность. Активная мощность расходуется на совер­шенствование полезной работы и покрытие потерь во всей элек­тромеханической системе рабочей машины.

Анализируя эффективность использования электрической энергии, следует различать энергетическую эффективность само­го технологического процесса, который осуществляется рабочей машиной с электроприводом, и эффективность собственно элек­тропривода, характеризуемую его коэффициентом полезного действия - кпд, который представляет собой отношение выход­ной мощности данного устройства к входной мощности. Кпд оп­ределяют также как отношение полезной мощности (или энергии) к затраченной

(11.1)

где

Поскольку силовая часть электропривода состоит из элек­тродвигательного, передаточного и преобразовательного уст­ройств, то кпд электропривода в целом определяют как произве­дение кпд этих устройств

η = η_дв · η_пер · η_преоб

Кпд электродвигателя есть отношение механической мощ­ности на валу двигателя к потребляемой со стороны обмоток статора (для машин постоянного тока – со стороны якоря).

Номинальный кпд асинхронных двигателей мощностью от 0,1-15,0 кВт составляет 0,85-0,9. С ростом мощности номиналь­ный кпд повышается и у крупных высокоскоростных двигателей переменного тока мощностью свыше 1000 кВт может достигать величины 0,97.

Кпд электродвигателей существенно зависит от нагрузки на валу двигателя. Для анализа этой зависимости пользуются мето­дом разделения потерь ΔР на постоянные К и переменные V.

ΔР = К + V (11.2)

Для нерегулируемых по скорости двигателей постоянные потери складываются из:

• потерь в стали;

• механических потерь, в том числе на самовентиляцию;

• добавочных потерь.

Переменные потери зависят от квадрата тока в обмотках машины и будут равны:

• для машин постоянного тока V = I_я² R_я

• для асинхронных двигателей сумме потерь в обмотках статора и ротора V = 3I₁²r₁ + 3I₂²r₂

Потери в роторной цепи согласно (6.8) пропорциональны моменту на валу двигателя и скольжению

3I₂²r₂ = M ·ω₀s

Ориентировочно можно считать, что потери в обмотках ста­тора относятся к потерям в обмотках ротора в соотношении r₁/ r₂. Тогда переменные потери для асинхронных двигателей будут

(11.3)

Мы видим, что при работе с неполной нагрузкой кпд двига­теля снижается.

Типичная кривая зависимости кпд от загрузки двигателя показана на рис. 11.1.

Рис. 11.1. Зависимость кпд асинхронного дви­гателя от нагрузки (двигатель 4АИ16084)

Отсюда следу­ет, что завышение установленной мощности двигате­ля ведет к сниже­нию его эксплуата­ционного кпд, т.е. к непроизводитель­ному расходу элек­троэнергии.

Кпд преобра­зовательного уст­ройства, если по­следнее выполнено на базе силовых на базе силовых полупроводниковых приборов, довольно велико. Потери в преоб­разователе определяются, главным образом, величиной прямого падения напряжения в полупроводниковом приборе. В среднем можно считать, что ΔU= 2В, для мостовых схем – 4,0В. Таким образом, номинальные потери для преобразователей напряжени­ем 440В составляют 1%, а для преобразователей напряжением 220В – 2%. С учетом потерь в реактивных элементах полупроводниковых преобразователей можно полагать, что их кпд со­ставляет 0,95-0,98.

Потери в механическом передаточном устройстве: редукторе, трансмиссии и др., определяются главным образом, силами трения. Величина этих потерь, а, следовательно, кпд механиче­ской передачи зависит от типа используемых подшипников, класса обработки зубчатых колес, систем смазки и др. Кпд механической передачи не остается постоянным, а существенно зави­сит от величины передаваемого момента.

Под кпд рабочей машины понимают произведение кпд элек­тропривода η_эп на кпд собственно рабочей машины. Так, для вентиляторной установки

(11.4)

Здесь Q – производительность вентилятора, м /с;

Н – напор, Па;

η_вен – аэродинамический кпд вентилятора;

Р_затр – затраченная электрическая мощность.

Если рабочая машина работает в энергетически постоянном режиме, то ее энергоемкость, выражаемая через кпд, определяет­ся по (11.4). Если рабочая машина работает циклически (напри­мер, лифты, грузоподъемные механизмы, продольно-строгальные станки и многие другие), то более правильно кпд рабочей маши­ны

определять по затратам энергии за цикл работы

(11.5)

где

–соответственно полезная работа за цикл, затраченная энергия за цикл, потери энергии за рабочий цикл.

В сети переменного тока, питающей электропривод, цирку­лирует реактивная мощность. Негативным результатом наличия реактивной мощности является загрузка питающей сети реактив­ным током, не создающим работы. Величина реактивной мощно­сти оценивается величиной cosφ, где под углом φ понимается фаза сдвига первой гармоники тока от первой гармоники напряжения. У асинхронных короткозамкнутых двигателей номиналь­ный cosφ составляет примерно 0,7-0,8. Недогрузка асинхронно­го двигателя ведет к дальнейшему снижению cosφ.

Cosφ_эп= Cosφ_эд· Cosφ_пр

В приводах по системе ТП-Д (см. раздел 5.3) cosφ = cosа , что определяется запаздыванием, устанавливаемым системой импульсно-фазового управления, открывания тиристоров. По­этому в приводах ТП-Д при высокой скорости вращения cosφ в питающей сети переменного тока будет высоким (0,8-0,9), по ме­ре снижения скорости, когда угол а растет, cosφ будет умень­шаться. При включении привода ТП-Д имеют место броски реак­тивной мощности.

В современных системах регулируемого электропривода стремятся использовать неуправляемые выпрямители, осуществ­ляя регулирование величины напряжения, подаваемого к обмот­кам двигателя, широтно-импульсными методами (см. например, схемы рис.5.29. 6.12). В этом случае cosφ в питающей сети бу­дет не ниже 0,95.

С точки зрения компенсации реактивной мощности многих потребителей электроэнергии эффективно использование для не­регулируемых электроприводов синхронных двигателей большой мощности, которые при перевозбуждении способны генерировать реактивную мощность для ее компенсации в пределах энергосис­темы данного предприятия.