9.2. Баланс мощностей и энергетические характеристики электропривода

Баланс мощностей в электромеханической системе однодви­гательного электропривода можно представить в виде равенства

(9.1)

и соответствующей ему схемы на рис. 9.1.

Мощность электрической энергии, поступающей из сети на вход электропривода, обозначена Р_с.Будем считать ее направление положительным, когда энергия поступает от сети или другого источника питания в систему электропривода, и отрицательным, если направление энергии обратное. Доля мощности, расходуемая на реализацию движения рабочего органа механизма, преодоление сил статического сопротивле­ния, есть Р_р,о= М_р,о_р,о. Она положительна, если энергия направлена к рабочему органу.

Мощность Р_р,оможет быть связана с преодолением реактивных сил на рабочем органе или активных, когда осуществляется привод, например, подъемного механизма. В последнем случае мощность Р_р,.очастично или полностью идет на увеличение потенциальной энергии поднимаемого груза. Наличие в системе, как в механической части, так и в электрической, элементов, способных запасать энергию, определяет в (9.1) наличие составляющих, равных до­лям мощности, связанных с изменением энергии этих эле­ментов.

Так, величина определяет мощность, которая идет на изменение кинетической энергии движущихся элементов механической части. Мощность, которая идет на изменение потенциальной энергии деформируемых элементов механической части, есть. Если в процессе движения механизма или машины происходит изменение потенциальной энергии

элементов, то определяемая этим доля мощности .

Рис. 9.1. Баланс мощностей в системе электропривода

В электрической части энергия может запасаться в индуктивных и емкостных/'элементах, при этом из­менение суммарной энергии в индуктивных и емкостных элементах определяется соответственно долями мощности, равнымии.В общем случае каждая из этих составляющих может быть положительной или отрица­тельной, что определяется направлением энергии по отношению к соответствующему элементу.

При работе электропривода часть энергии неизбежно теряется, рассеиваясь в виде теплоты. Суммарная мощность потерь P_складывается из потерь в обмотках электрического и электромеханического преобразователей, потерь, связанных с перемагничиванием стали, потерь в емкостных элементах и, наконец, потерь из-за наличия трения в механической части.

В соответствии с (9.1) возможно большое число сочета­ний потоков мощности и их направлений в системе электро­привода, поэтому весьма велико и число возможных энерге­тических режимов электропривода.

Рассмотрим энергетические режимы при следующих условиях:

Эти энергетические режимы удобно представить в виде табл. 9.1, в которой указаны направления составляющих мощ­ностей, соотношения между их величинами и дана краткая характеристика.

Цикл движения электропривода с энергетической точки зрения можно разбить на этапы, для которых справедливо одно из рассмотренных в табл. 9.1 соотношений баланса мощности.

Экономичность работы электропривода в любом известном цикле характеризуется отношением произведенной механической работы к потребленной за это время электроэнергии,называемым цикловым КПД привода:

(9.2)

Для оценки циклового КПД следует брать отрезки времени, началу и концу которых соответствует одинаковая энергия, запасенная в элементах привода. В противном случае в опре­деление (9.2) войдет изменение энергии элементов привода, из-за которой может быть, например, совершена часть полезной работы, что исказит значение ti„ как показателя экономич­ности. Например, для подъемных механизмов, полезная ра­бота которых заключается в изменении потенциальной энергии поднимаемых или опускаемых грузов, указанное условие выполняется, если учесть, что груз перед подъемной операцией и после ее завершения в состав механической части не входит и запас энергии в системе не определяет. При определении циклов приводов подъемных механизмов, состоящих из этапов спуска грузов,_цследует рассматривать как отношение энергии, возвращенной в сеть, к использованной потенциальной энергии.

Если на отдельных участках работы мощность потребляе­мой электроэнергии и механическая мощность были постоянны, то отношение (9.2) можно заменить отношением мощностей

(9.3)

При переменных значениях мощностей Р_си Р_р,оотношение (9.3) характеризует мгновенный КПД. Поскольку на отдельных участках энергия может передаваться от рабочего органа к сети, то в этих случаяхотражает экономичность обрат­ного преобразования энергии, но при этом=Р_с /Р_р,о.

Коэффициент полезного действия электропривода как систе­мы, определяемый по (9.3), может быть представлен в виде произведения:

(9.4)

где _э,п,_эм,п,_м,ч- соответственно КПД электрического и электромеханического преобразователей и механической части привода;Р_эм,п- мощность на входе электромеханического преобразователя; Р_элм,м- электромагнитная механическая мощ­ность. При практических расчетах известны КПД двигателей и механических передач как устройств, поэтому выражение

Таблица 9.1

Мощность				Баланс мощностей	Виды режимов и их характеристика
активная электрическая	механиче-ская	потерь	изменения кинетической энергии
+	+	+	0		Двигательный режим работы. Потребляемая из сети энергия передается механизму, частично (Р) теряясь в системе электропривода
+	0 (М=0)	+	0		Режим холостого хода привода. Потребляемая энергия идет на покрытие потерь в двигателе, преобразователе и передачах
+	0 (=0)	+	0		Режим короткого замыкания. Потребляемая энергия рассеивается в двигателе и преобразо­вателе
+	-	+	0		Тормозной режим противовключения. Энергия поступает из сети и от механизма и вся рассеива­ется в виде потерь в преобразователе, двигателе и механических передачах
0	-	+	0		Режим торможения активной нагрузки путем рассеяния энергии в системе привода. Если Р- только механические потери, то это режим тормо­жения за счет моментов трения. Если же часть энергии рассеивается в силовой цепи двигателя, то это режим динамического торможения
-	-	+	0		Генераторный режим с возвратом (рекуперацией) энергии в сеть. Мощность, развиваемая активной нагрузкой, передается, за вычетом потерь в пере­дачах, двигателе и преобразователе, в сеть
+	+	+	+		Режим увеличения скорости. Потребляемая энер­гия идет на совершение полезной работы, увеличение запаса кинетической энергии привода и частично теряется
+	+	+	-		Режим снижения скорости. Высвобождающаяся кинетическая энергия вместе с энергией, потребляе­мой из сети, идет на полезную работу и потери
-	+	+	+		Режим снижения скорости. Высвобождающаяся кинетическая энергия идет на вал, возвращается в сеть и частично выделяется в виде потерь
0	+	+	-		Режим снижения скорости, торможение за счет сил статического сопротивления нагрузки и потерь энергии. Если часть энергии рассеивается в силовой цепи, то настоящий процесс идет при динамическом торможении
-	-	+	+		Увеличение скорости в генераторном режиме с рекуперацией энергии в сеть. Мощность активной нагрузки частично определяет отдачу энергии в сеть, увеличение запаса кинетической энергии и потерь

(9.4) чаще используется в записи

(9.5)

здесь _мех- КПД передаточного механизма;P_эл— электрическая мощность на входе двигателя;Р_м— механическая мощность на валу двигателя.

Каждая из составляющих общего коэффициента полезного действия — величина не постоянная, а зависящая от нагрузки каждого устройства, скорости электрических машин и других факторов. Однако исходным параметром, характеризующим каждое устройство, является номинальный КПД, соответствую­щий номинальной нагрузке и скорости.

Из определения КПД следует, что эта энергетическая характеристика является мерой экономичности преобразования энергии системой электропривода, мерой полезного использова­ния потребляемой энергии, поэтому универсальной оценкой КПД является выражение в форме (9.2).

Кроме характеристики экономичности преобразования потребляемой электроприводом энергии важное значение имеет анализ экономичности потребленияэнергии от сети или авто­номного источника питания, т. е. характеристика электропривода как приемника электрической энергии. Экономичность передачи электроэнергии от источника электроприводу зависит как от типа и технических характеристик элементов электропривода, так и от режимов его работы. Например, энергия, затрачиваемая на возбуждение двигателей постоянного типа независимого возбуждения, идет только на потери, связанные с протеканием токов в обмотках возбуждения и созданием начального запаса электромагнитной энергии, при этом часть энергии теряется на пути от источника к электроприводу. Наиболее существенны эти потери и влияние токов намагничивания на «взаимо­отношения» источника энергии и электропривода в системах, питающихся от сети переменного тока.

Напомним кратко особенности передачи и потребления электроэнергии на переменном токе. Для простоты обратимся вначале к соотношениям для однофазной цепи переменного тока.

Пусть напряжение, приложенное к фазе электрического преобразователя ЭПили непосредственно к двигателю, естьu=U_maxsint, а ток, определяемый режимомЭПили электро­механического преобразователяЭМП, i = I_max sint (рис. 9.2,а).Мгновенная мощность, потребляемая фазой, равна:

где U, I -действующие значения напряжения и тока. Соглас­но последнему выражению мгновенная мощность может быть представлена двумя составляющими (рис. 92,6). Одна из них в любой момент положительна, имеет среднее значениеUI cos , которое определяет активную мощность Другая составляющая имеет среднее значение, равное нулю, и отражает процесс периодического обмена энергией между источ­ником и приемником Амплитуда переменной составляющей этой мощностиUIsinопределяет реактивную мощность. Ее наличие при питании, например, фазы двигателя перемен­ного тока обусловлено периодическим изменением электро­магнитной энергии с частотой 2Ясно, что для передачи одной и той же средней за период мощностиР_cр = UIcos при данном напряженииUи отсутствии реактивной состав­ляющей мощности был бы необходим токIcosПоскольку потери мощности в активных сопротивлениях источника, ли­нии и приемникаR_определяются полным током /, то при заданной активной мощностиP_a = Р_cрэти потери будут равны:

или

Рис. 9.2 Мгновенная мощность однофазной цепи переменного тока и ее составляющие

т. е в 1/cos²раз превышать потериР_п,тпри передаче той же мощности постоянным то­ком, например, приcos  0,7потери РпревышаютР_п,тболее чем вдвое. Поэтомуcos(p как энергетическая характери­стика электроприводов на пе­ременном токе определяетэко­номичность потребленияактив­ной мощности. При симметрич­ном режиме асинхронных и син­хронных двигателей суммарная мощность трехфазного питания будет постоянна и равна ЗUIсоsφ. В этих условиях сумма мгновенных периодических составляющих Рַ(t) равна нулю, т. е. если по одной из фаз энергия отдается источнику с мощ­ностью Рַ (t) то по двум другим в этот же момент существует поток энергии обратного направления той же мощности.

Еще менее экономично передается энергия, если при регу­лировании ее потока искажается форма синусоидального тока. Такие искажения возникают, например, при импульсном пита­нии или применении тиристорных преобразователей.

Из теории несинусоидальных токов известно, что активная мощность при периодических несинусоидальных токах и напря­жениях равна сумме активных мощностей всех гармонических составляющих: а полная мощность равна произведению действующих значений напряжения и тока, при этом отношение активной мощности к полной характеризуется коэффициентом мощности

Он не имеет смысла, аналогичного cosφ Лишь при отсутствии высших гармоник остальных случаях

где kн -коэффициент искажений, равный отношению действую­щего значения первой гармоники тока к действующему зна­чению несинусоидального тока; φ1 — угол сдвига первой гар­моники тока.