10. Потери мощности и энергии в установившемся режиме работы электропривода.

Потери мощности ΔР в электродвигателе удобно представить суммой двух составляющих потерь - постоянных К и переменных И, т. е. ΔР = К+V. (8.1). Под постоянными подразумеваются потери мощности, не зави­сящие от нагрузки двигателя. К ним относятся потери в стали магнитопровода, механические потери от трения в подшипниках и вен­тиляционные потери. В СД и двигателе постоянного тока с незави­симым возбуждением к постоянным потерям обычно относят и по­тери в обмотках возбуждения. Под переменными подразумеваются потери, выделяемые в об­мотках двигателей при протекании по ним токов, определяемых механической нагрузкой ЭП. Переменные потери мощности в дви­гателе могут быть в общем случае определены через электрические или механические переменные и параметры. В двигателях постоянного тока переменные потери мощности V = I²R (8.2), где I, R - соответственно ток и сопротивление цепи якоря двигателя. В трехфазных асинхронных двигателяx V=V₁+V₂=3I₁²R₁+3I₂`<sup>2</sup>R<sub>2</sub>`, где V₁, V₂ - потери мощности соответственно в цепях обмоток ста­тора и ротора. В синхронных двигателях V=3I₁²R₁. Потери мощности при работе двигателя в номинальном режиме определяются по его паспортным данным с помощью номинально­го КПД и номинальной мощности двигателя: ΔP_НОМ= P_НОМ(1-η_НОМ)/η_НОМ. (8.7) Постоянные потери мощности: К=ΔP_НОМ-V_НОМ.

П отери энергии в двигателе. За время работы t_p двигателя с по­стоянной нагрузкой полные потери энергии, обусловленные К и V, ΔА=ΔPt_p (8.9). При работе двигателя с циклически изменяющейся нагрузкой полные потери энергии за весь цикл

где ΔP_i, t_i - потери мощности и время работы на i-м участке цикла; m - число отдельных участков цикла, (сумма та на рис.)t_i=t_ц - время цикла.

Потери мощности и энергии в преобразователе являются электри­ческими и определяются по формулам (8.2) и (8.9). При использова­нии для управления двигателями полупроводниковых преобразо­вателей потери в них складываются из потерь в вентилях, транс­форматорах, сглаживающих и уравнительных реакторах, фильт­рах и элементах устройств искусственной коммутации. Потери в полупроводниковых элементах преобразователей обычно относи­тельно малы (несколько процентов от номинальной мощности).

При расчете потерь в трансформаторах и реакторах берется со­противление их обмоток или эквивалентное сопротивление преоб­разователя, определяемое формулой (4.34).

Потери мощности в маломощной системе управления обычно не превышают нескольких десятков ватт и принимаются во внимание только при выполнении точных энергетических расчетов.

Потери мощности в механической передаче определяются глав­ным образом трением в движущихся частях и существенно зависят от передаваемого момента.

Потери в механической передаче обычно оцениваются с помо­щью КПД, значение которого для разных ее видов и нагрузок при­водятся в справочной литературе.

21. Пуск двигателя сначала происходит по искусственной характе­ристике 1 с резистором Щ в цепи якоря, называемым пусковым. В момент включения двигателя его ток и момент ограничиваются до заданного (допустимого) уровня В В /_доп и А/, 1 А/_доп. По мере уве­личения скорости и соответственно ЭДС двигателя ток в якоре сни­жается, и при скорости со, резистор может быть закорочен (выведен из цепи якоря). Двигатель переходит на работу по естественной ха­рактеристике 2, при этом броски тока и момента также не превы­шают заданного уровня. Завершается пуск двигателя после дости­жения им скорости НЦ определяемой точкой пересечения характе­ристик двигателя 2 и исполнительного органа 3.

Совокупность двух или более искусственных характеристик, ис­пользуемых при пуске двигателя, называется пусковой диаграммой. При ее расчете и построении заданными параметрами являются: допустимые ток I § или момент М | момент нагрузки А/., пределы изменения тока (момента) или число искусственных характеристик т, соответствующее числу ступеней пускового резистора.

Пуск двигателя начинается по характеристике 3. При скорости со,, когда ток снизится до значения Щ ключом К1 закорачивается ступень К_л} и двигатель уже по характеристике 2 продолжает свой разбег. При скорости со₂ ключом закорачивается ступень ЩЯ и дви­гатель начинает работать на естественной характеристике 1.

22. Метод средних потерь является наиболее точным и универсаль­ным из косвенных методов. Сущность этого метода заключается в определении средних потерь мощности АР^ за цикл работы двига­теля и сопоставлении их с номинальными потерями мощности ДР_ном, после чего делается заключение о нагреве двигателя.

При использовании метода средних потерь рассматривается до­статочно удаленный цикл работы двигателя, в котором средний пе­регрев его не изменяется.

Метод средних потерь позволяет оценить тепловой режим рабо­ты двигателя по среднему превышению температуры. В этом заклю­чается определенная погрешность метода, поскольку максимальный перегрев двигателя на отдельных участках цикла может превышать т . Точность оценки нагрева этим методом тем выше, чем больше постоянная нагрева двигателя Г превышает значение /_пих наиболее продолжительного участка цикла работы двигателя, т. е. в случае вы­полнения неравенства tmax < Тн. При этом тср= тmax.

Методы эквивалентных величин основываются на методе сред­них потерь.

Метод эквивалентного тока целесообразно использовать в том случае, когда известен график изменения тока двигателя во време­ни, который может быть получен расчетным путем или экспери­ментально.

Д ля получения расчетной формулы метода эквивалентного тока представим в соответствии с средние потери мощности в дви­гателе как сумму постоянных К и переменных V потерь:

С учетом условие проверки двигателя по нагреву после некоторых преобразований будет иметь вид:

Ток эквивалентен по условиям нагрева действительному изме­няющемуся во времени току двигателя.

Итак, в соответствии с формулой (9.21) средний нагрев двигате­ля не будет превосходить допустимого (нормативного) уровня, если эквивалентный ток за цикл его работы не будет превосходить но­минального (паспортного) тока.

Формула (9.21) справедлива, если постоянные потери не изменя­ются за цикл работы, а сопротивления главных цепей двигателя остаются неизменными в цикле работы. Следовательно, если по­стоянные потери или сопротивление главных цепей двигателя из-

меняются, то метод эквивалентного тока даст погрешность в оцен­ке теплового состояния двигателя.

Метод эквивалентного момента удобно использовать в том слу­чае, когда известен график изменения момента двигателя во време­ни М(г). В дополнение к указанным условиям применения метода эквивалентного тока при использовании метода эквивалентного мо­мента должно соблюдаться еще одно условие - постоянство маг­нитного потока двигателя на протяжении всего цикла работы.

Метод эквивалентной мощности используется, если известен гра­фик изменения мощности во времени, и при условии постоянства постоянных потерь, магнитного потока и скорости двигателя на всех участках рабочего цикла.

√ ( )/ = = <

23. Изменение магнитного потока используется преимущественно для регулирования скорости. Этот способ находит широкое приме­нение в ЭП вследствие простоты его реализации и экономичности, так как регулирование осуществляется в относительно маломощ­ной цели возбуждения двигателя и не сопровождается большими потерями мощности.

М агнитный поток при регулировании скорости обычно умень­шают по сравнению с номинальным (точка А на кривой намагничивания) за счет снижения тока возбуждения, так как его увеличение выше номинального вызывает до­полнительный нагрев обмотки воз­буждения. Кроме того, двигатель рассчитывается и конструируется таким образом, что бы его магнит­ная система была близка к насыще­нию, поэтому увеличение тока воз­буждения не приводит к заметному увеличению магнитного потока. Уменьшение магнитного потока приводит к увеличению скорости идеального холостого хода ш₀. Ток корот­кого замыкания = U/ , т.е. от магнитного потока не зависит и при его варьировании будет оставаться неизменным.

Показатели данного способа регулиро­вания скорости ДПТНВ следующие: диапа­зон регулирования 3...4; направление регу­лирования - вверх от естественной харак­теристики; плавность регулирования опре­деляется плавностью регулирования тока возбуждения; стабильность скорости дос­таточно высокая, хотя она и снижается при уменьшении магнитного потока. Способ экономичен, так как регулирование скоро­сти не сопровождается значительными по­терями мощности, а реализация его не тре­бует больших капитальных затрат.

24. Повторно-кратковременный номинальный режим работы (83) ха­рактеризуется чередованием периодов нагрузки / (рабочие перио­дов) с периодами отключения двигателя / (паузами), причем как рабочие периоды, так и паузы не настолько длительны, чтобы пре­вышения температуры могли достигнуть установившихся значений.

Для повторно-кратковременного режима работы выпускаются специальные серии двигателей. В каталогах на них указывается но­минальная мощность Р при нормативной продолжительности включения ПВ_ноы = 15, 25, 40, 60 и 100%. Длительность рабочего цикла /_ц для них не должна превышать 10 мин, в противном случае двигатель считается работающим в продолжительном режиме.

Если при повторно-кратковременном режиме ПВ и мощность нагрузки равны (или близки) номинальным данным двигате­ля, то проверка его по нагреву не требуется, поскольку рабо­та при таких параметрах нагру­зочной диаграммы гарантиру­ется заводом-изготовителем.

25. Данный способ широко используется для регулирования любых координат ЭП при высоких требованиях к показателям его каче­ства. По этой причине до недавнего времени он являлся основным при создании регулируемых ЭП постоянного тока.

Реализация этого способа предусматривает питание якоря ДПТНВ от преобразователя, выходное напряжение которого регу­лируется по значению и может изменяться при необходимости по полярности. Поскольку основным источником питания ЭП служит сеть переменного тока, то таким преобразователем является управ­ляемый выпрямитель (УВ). Напряжение на выхо­де УВ вследствие наличия внутреннего сопротивления Я_п о преде­ляется по формуле:

Обмотка возбуждения ДПТНВ питается от отдельного источ­ника постоянного тока, например от неуправляемого или тоже уп­равляемого выпрямителя.

П ри изменении Е_п пропорционально изменяется скорость идеального холостого хода на хар-ках изменяется, а наклоп нет. Получаемые искусствен­ные характеристики 2... 8 (см. рис. 4.11,6), оставаясь линейными и параллельными друг другу, имеют по сравнению с естественной ха­рактеристикой 1 ДПТНВ больший наклон из-за наличия сопротив­ления R_п в выражении для определения перепада скорости (от­метим, что естественная характеристика 1 соответствует питанию двигателя от источника с нулевым внутренним сопротивлением). Характеристики располагаются во всех четырех квадрантах парал­лельно друг другу; при Е=0 ДПТ работает в режиме динамичес­кого торможения.

Управляемый выпремитель может электромашинным в системе «генератор- двигатель» или полупроводниковым в системе «тиристорный преобразователь - двигатель».

Система «генератор - двипг этой системе, схема которой В на рис. 4.12, якорь 4 двигателя I ИН^И₇-Щ— НН^Н редственно присоединяется к яко| (О) ] СТ \^и С^Ж³ генератора, образующего вместе с ЙЩ

водным двигателем 1 электромашину ный выпрямитель 2 трехфазного пере­менного тока в постоянный, вращаю­щийся со скоростью со_г. Регулирование напряжения на якоре двигателя проис­ходит за счет изменения тока возбуж­дения генератора /_вг с помощью потен­циометра 8, при этом изменяется ЭДС | генератора Е_т и соответственно напря­жение на якоре двигателя V. Регулирование напряжения в этой систе­ме может сочетаться с воздействием на магнитный поток двигателя, что обеспечит двухзонное регулирование скорости.

Основными достоинствами системы Г - Д являются большой ди­апазон и плавность регулирования скорости двигателя, высокая же­сткость и линейность характеристик, возможность получения всех энергетических режимов работы, в том числе и рекуперативного тор­можения. В то же время для нее характерны такие недостатки, как утроенная установленная мощность системы, низкий КПД, инерци­онность процесса регулирования скорости, шум при работе.

Система «тиристорный преобразователь - двигатель». Основным типом преобразователей, применяемых в настоящее время в регу­лируемых ЭП постоянного тока, являются полупроводниковые ста­тические преобразователи и, в первую очередь, тиристорные. Они представляют собой управляемые реверсивные или нереверсивные выпрямители, собранные по нулевой или мостовой однофазной или трехфазной схемам. Определенные перспективы связаны с исполь­зованием в них силовых транзисторов, которые в настоящее время применяются в основном для импульсного регулирования напря­жения в ЭП небольшой мощности.

Управляемый выпрямитель (преобразователь) включает в себя согласующий трансформатор Т, имеющий две вторичные обмот­ки, два тиристора У31 и У32, сглаживающий реактор с индуктив­ностью Ь и систему импульсно-фазового управления СИФУ. Об­мотка возбуждения двигателя ОВМ, питается от своего источника.

Выпрямитель обеспечивает регулирование напряжения на двига­теле за счет изменения среднего значения своей ЭДС Е_п. Это дости­гается с помощью СИФУ, которая по сигналу I/ изменяет угол уп­равления тиристорами а (угол задержки открытия тиристоров У81 и У82 относительно момента, когда потенциал на их анодах становит­ся положительным по сравнению с потенциалом на катоде). Когда а = 0, т. е. тиристоры У81 и У82 получают импульсы управления 1/_а от СИФУ в указанный момент, преобразователь осуществляет двух- полупериодное выпрямление и на якорь двигателя подается полное напряжение. Если с помощью СИФУ подача импульсов управления на тиристоры У81 и У82 происходит со сдвигом (задержкой) на угол о * 0, то ЭДС преобразователя снижается, а следовательно, умень­шается среднее напряжение, подводимое к двигателю.

Особенностью характеристик двигателя при его питании от УВ яв­ляется наличие области (заштрихована на рисунке 4.13, б), где его ха­рактеристики нелинейны. В этой области двигатель работает в режиме прерывистого тока, что определяет заметное изменение (уменьшение) жесткости характеристик. Вследствие односторонней проводимости пре­образователя характеристики располагаются только в первом (/...5 при а = 0; 30, 60^е) и четвергом Щ7 при а = 90, 120, 150, 180°) квад­рантах. Меньшим углам управления соответствует большая Е и, следовательно, более высокая скорость двигателя; при а = я/2 ЭДС У В Е_а = 0 и двигатель работает в режиме динамического торможения.

26. Кратковременный номинальный режим (52) характеризуется чере­дованием периодов неизменной нагрузки с периодами отключения двигателя; при этом за время его работы / превышение температу­ры не достигает установившегося уровня, а за время отключения (паузы) !₀ все части двигателя охлаждаются до температуры окру­жающей среды. Стандартные значения продолжительности рабо­чего периода составляют 10,30,60 и 90 минут.

Для полного использования в крат­ковременном режиме работы двигателя, предназначенного для работы в продол­жительном режиме, его следует перегру­жать по мощности на валу. В этом слу­чае к концу рабочего периода его пере­ев достигнет допустимого (норматив- ^и ного) уровня.

Коэффициентом термической пере­грузки р_т называется отношение потерь мощности при кратковременном режи­ме ∆Р_к к номинальным потерям мощ­ности ∆Рном

27.Для ЭП ряда подъемно-транспортных машин и механизмов с целью получения пониженных (посадочных) скоростей движения их исполнительных органов применяется так называемая схема с шунтированием якоря ДПТНВ (рис. 4.21). В этой схеме параллель­но якорю двигателя включен шунтирующий резистор К_ш, а после­довательно - резистор Я_п.

В схеме с шунтированием якоря сни­жается скорость идеального холостого хода и падает жесткость характеристик по сравнению с основной схемой включения двигате­ля. что и показывают искусственные характеристики ДПТНВ.

Рассмотренный способ регулирования скорости имеет следую­щие показатели: диапазон регулирования скорости 5...6; плавность регулирования, определяемую плавностью изменения сопротивле­ний К и К ; регулирование осуществляется вниз от основной ско­рости при постоянном моменте нагрузки; жесткость получаемых искусственных характеристик относительно высокая в области ма­лых скоростей.

Экономичность этого способа невысока из-за значительных по­терь мощности в цепи якоря, поэтому он используется для регули­рования скорости двигателей небольшой мощности или при крат­ковременной работе ЭП на пониженных скоростях.

28. К аппаратам ручного управления относятся командные кг мощные устройства - кнопки и ключи управления, командоконтроллеры и силовые коммутационные аппараты (рубильники, пакетные выключатели и силовые контроллеры).

Кнопки управления предназначены для подачи оператором уп­равляющего воздействия на ЭП. Они различаются по размерам - нормальные и малогабаритные, числу замыкающих и размыкаю­щих контактов, форме толкателя. Две, три или более кнопок, смон­тированных в одном корпусе, образуют кнопочную станцию.

Ключи управления (универсальные переключатели) предназначе­ны для подачи управляющего воздействия на ЭП и имеют два или более фиксированных положений рукоятки и несколько замыкаю­щих и размыкающих контактов (см. рис. 10.1,5). В среднем поло­жении рукоятки (позиция 0) замкнут контакт 5М1, что обозначает­ся точкой на схеме, а контакты 5М2 и 5МЗ разомкнуты. В положе­нии У рукоятки замыкается контакт 5М2 и размыкается 8М1. Чис­ло контактов ключей и диаграмма их работы могут быть самыми различными.

Командоконтролллеры (командо- аппара ты) служат для коммутации нескольких маломощных (ток нагрузки до 16 А) электрических це­пей. Эти аппараты, имеющие ручное управление от рукоятки или педали с несколькими положениями, находят широкое применение в схемах управления ЭП крановых механизмов, металлургического оборудования, на транспорте.

Рубильники - это простейшие силовые коммутационные аппа­раты, которые в основном предназначены для неавтоматического нечастого замыкания и размыкания силовых электрических цепей двигателей постоянного и переменного тока напряжением до 500 В и током до 5000 А. Они различаются по силе коммутируемого тока, числу полюсов (коммутируемых цепей), виду привода рукоятки и числу ее положений (два или три). Рубильники серий Р и РА рас­считаны на токи 100...600 А, напряжения 220...660 В и имеют 1 ...3 полюса.

Пакетные выключатели - это разновидность рубильников. Их контактная система набирается из отдельных пакетов по числу по­люсов (коммутируемых цепей). Пакет состоит из изолятора, в па­зах которого находятся неподвижный контакт с винтовыми зажи­мами для подключения проводов и пружинный подвижный контакт с устройством искрогашения.

Контроллеры - это многопозиционные электрические аппараты с ручным или ножным приводом для непосредственной коммутации силовых цепей двигателей постоянного и переменного тока. В ЭП используются контроллеры двух видов -- кулачковые и магнитные.

Магнитные контроллеры представляют собой коммутационные устройства, в состав которых входят командоконтроллер и сило­вые электромагнитные аппараты - контакторы. Командоконтрол­лер с помощью своих контактов управляет катушками контакто­ров, которые в свою очередь осуществляют коммутацию силовых цепей двигателей.

29. К аппаратам дистанционного управления относятся контакторы, магнитные пускатели и реле, коммутация контактов которых осуще­ствляется при подаче на их катушки электрического сигнала (напря­жения или тока) и снятии этого сигнала. Другими словами, это двух- позиционные коммутационные аппараты с самовозвратом, включе­ние и выключение которых осуществляется электрическим сигналом.

Контактор представляет собой электромагнитный аппарат, пред­назначенный для частых дистанционных коммутаций силовых це­пей двигателей. Контакторы различаются по роду тока коммути­руемой цепи, числу главных контактов (одно-, двух- и многополюс­ные), роду тока цепи катушки (управление постоянным или пере­менным токами), номинальным току и напряжению коммутируе­мых цепей, конструктивному исполнению и другим признакам.

Магнитный пускатель представляет собой специализированный комплексный аппарат, предназначенный главным образом для уп­равления трехфазными асинхронными двигателями, т. е. для их под­ключения к сети, отключения, обеспечения тепловой защиты и сиг­нализации о режимах работы. В соответствии с функциями пуска­теля в него могут входить контактор, кнопки управления, тепловые реле защиты, сигнальные лампы, размещаемые в одном корпусе. Магнитные пускатели различаются по назначению (нереверсивные и реверсивные), наличию или отсутствию тепловых реле и кнопок управления, степени защиты от воздействия окружающей среды, уровням коммутируемых токов, рабочему напряжению главной цепи.

Электромагнитное реле представляет собой аппарат, предназна­ченный для коммутации слаботочных цепей управления ЭП в соот­ветствии с электрическим сигналом, подаваемым на его катушку. Область применения реле очень широкая. Они используются в ка­честве датчиков тока и напряжения, а также как промежуточные элементы для передачи команд из одной цепи в другую и размно­жения сигналов, как датчики времени, выходные элементы различ­ных датчиков координат ЭП и датчики технологических парамет­ров рабочих машин и механизмов. Другими словами, они выпол­няют самые разнообразные функции управления, контроля, защи­ты и блокировок в автоматизированном ЭП.

30. В ЭП электрического транспорта и ряда грузоподъемных машин и механизмов нашли широкое применение двигатели постоянного тока последовательного возбуждения (ДПТПВ), схема включения и кривая намагничивания которых показаны на рис. 4.30. Основ­ной особенностью этих двигателей является включение обмотки воз­буждения 2 последовательно с обмоткой якоря 1 и добавочным ре­зистором Зу вследствие чего ток якоря одновременно является и током возбуждения.

М агнитный поток и ток связаны между собой кривой намагни­чивания 5, описав которую с помощью приближенного аналити­ческого выражения, можно получить формулы для характеристик двигателя.

В простейшем случае кривую намагничивания представляют прямой линией 4. Такая аппроксимация по существу означает пре­небрежение насыщением магнитной системы двигателя и позволя­ет представить зависимость потока от тока следующим образом:

Ф=aI

Электромеханическая и механическая ха­рактеристики двигателя выражаются формулами:

Особенность характеристик состоит в том, что при небольших токах и моцентах двигателя, соответствующих малым моментам нагрузки, его скорость принимает большие значения, при этом характеристики не пересекают ось скорости. Таким образом, для двигателя последовательного возбуждения, включенного по основной схеме (см. рис. 4.30), не существуют режимы холостого хода и генератора, работающего параллельно с сетью (или режима рекуперативного торможения), так как характеристики во втором квадранте не проходят.

Это объясняется тем, что при 1,М 0 магнитный поток Ф —» 0, а следовательно, в соответствии с Е—» V. Другими словами, при любой скорости Е <11, в силу чего отдачи энергии в сеть происхо­дить не может. Отметим, что из-за наличия в двигателе потока ос­таточного намагничивания Ф^ практически скорость холостого хода существует и равна в этом случае отношениюU/(кФост).