Онищенко Г.Б. Электрический привод

Подождите немного. Документ загружается.

статором - (координаты a - β), a координаты, оси которых либо вращаются в

пространстве с постоянной скоростью (координаты х-у), либо координаты, свя-

занные с одним из контролируемых векторов - на рис. 10.23 - это координаты

g-i, связанные с вектором потокосцепления статора

Системы векторного управления обычно строятся по принципу подчи-

ненного регулирования. Внешний контур - контур скорости осуществляет ре-

гулирование скорости и дает задание внутреннему контуру - контуру момента,

который выполняется в векторной форме.

10.8. Контрольные вопросы для самопроверки

1. Назовите виды электрических защит, применяемых в электроприво-

дах.

2. Какими аппаратами осуществляется максимально-токовая защита?

3. Что такое нулевая защита?

4. Для чего нужна минимально-токовая защита в электроприводах по-

стоянного тока?

5. Как реализуется температурная защита электрических двигателей?

6. Сколько контакторов должно быть в схеме для управления двухско-

ростным асинхронным двигателем?

7. Как предотвращается возможность одновременного включения кон-

такторов «вперед» и «назад» в реверсивных магнитных пускателях?

8. С помощью каких аппаратов производятся автоматические переклю-

чения ступеней роторного сопротивления при пуске асинхронного двигателя с

фазным ротором?

9. В чем основное отличие замкнутых систем регулирования от разомк-

нутых?

10. Назовите виды обратных связей, используемых в системах

регули-

рования электроприводов.

11. Какие обратные связи используются для формирования статических

механических характеристик электропривода?

12. В каких режимах проявляется действие гибких обратных связей?

13. Дайте классификацию систем регулирования по выполняемым

функциям.

14. С помощью каких обратных связей получают жесткие механические

характеристики с отсечкой по моменту (току)?

15. Поясните принцип подчиненного регулирования параметров элек

тропривода.

16. Укажите целесообразный тип регулятора для контура тока.

17. Какие существуют стандартные настройки для контура скорости?

18. Приведите характеристику переходного процесса в контуре скоро-

сти, настроенном на модульный оптимум, если на вход подать единичный сиг-

нал.

19. Сколько контуров будет иметь система регулирования положения?

20. Укажите основные разновидности систем регулирования асинхрон-

ного

привода с частотным управлением.

Глава 11. ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЭЛЕК-

ТРОПРИВОДА

11.1. 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 ре-

жиме и отдают

) из сети активную мощность. Активная мощность расходуется

на совершенствование полезной работы и покрытие потерь во всей элек-

тромеханической системе рабочей машины.

Анализируя эффективность использования электрической энергии, сле-

дует различать энергетическую эффективность самого технологического про-

цесса, который осуществляется рабочей машиной с электроприводом, и эффек-

тивность 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.

РР

пол

затр

пол

вх

вых

Δ+

===

(11.1)

где

)1( −

=Δ

пол

- потери в данном устройстве.

Поскольку силовая часть электропривода состоит из элек-

тродвигательного, передаточного и преобразовательного устройств, то кпд

электропривода в целом определяют как произведение кпд этих устройств

преобпердв

⋅

Кпд электродвигателя есть отношение механической мощности на валу

двигателя к потребляемой со стороны обмоток статора (для машин постоянного

тока - со стороны якоря).

РР

мех

затр

мех

дв

Δ+

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 двига-

теля. Для анализа этой зависимости пользуются методом разделения потерь ∆Р

на постоянные К и

переменные V.

VКР

(11.2)

Для нерегулируемых по скорости двигателей постоянные потери скла-

дываются из:

- потерь в стали;

- механических потерь, в том числе на самовентиляцию;

- добавочных потерь.

Переменные потери зависят от квадрата тока в обмотках машины и бу-

дут равны:

- для машин постоянного тока

яя

RIV

= ;

- для асинхронных двигателей сумме потерь в обмотках статора и рото-

ра

33 rIrIV += .

Потери в роторной цепи согласно (6.8) пропорциональны моменту на

валу двигателя и скольжению

SMrI

⋅= .

Ориентировочно можно считать, что потери в обмотках статора отно-

сятся к потерям в обмотках ротора в соотношении r

,/r

. Тогда переменные по-

тери для асинхронных двигателей будут

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

+⋅=

SMV

(11.3)

Задача 11.1. Найти кпд асинхронного двигателя 4АИ160S4 при работе с

нагрузкой 50%. Номинальные технические данные двигателя: Р

=18,5 кВт; ω

ном

= 152 1/с; η

= 0,88 ; r

,/r

= 0,6.

Решение.

1 . Потери в двигателе в номинальном режиме

Вт

нн

2520

88,0

)88,01(18500

)1(

−

=Δ

2. Переменные потери в номинальном режиме

Вт

1110)6,01(033,0157

152

18500

=+⋅⋅=

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

Постоянные потери

ВтVРК

нн

141011102520

−

4. При нагрузке на валу М

=0,5М

двигатель будет работать со сколь-

жением примерно равным S=0,5S

. Тогда переменные потери в этом режиме

будут

ВтV

SМV

ннн

278111025,025,015,05,0

05,0

=⋅==

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

5. Потери в двигателе в этом режиме

ВтVКР 16882781410

5,05,0

6.Кпд двигателя при нагрузке 50% будет

845,0

1688185005,0

185005,0

5,0

+⋅

⋅

Δ+

РР

Мы видим, что при работе с неполной нагрузкой кпд двигателя снижа-

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

11.1.

Отсюда следует, что завышение

установленной мощности двигателя ве-

дет к снижению его эксплуатационного

кпд, т.е. к непроизводительному расходу

электроэнергии.

Кпд преобразовательного уст-

ройства, если последнее выполнено

на ба-

зе силовых полупроводниковых приборов,

довольно велико. Потери в преобразователе определяются, главным образом,

величиной прямого падения напряжения в полупроводниковом приборе. В

среднем можно считать, что ∆U = 2 В, для мостовых схем - 4,0В. Таким обра-

зом, номинальные потери для преобразователей напряжением 440В составляют

1%, а для преобразователей напряжением 220В - 2%. С учетом потерь в реак-

тивных элементах полупроводниковых преобразователей

можно полагать, что

их кпд составляет 0,95-0,98.

Потери в механическом передаточном устройстве: редукторе, транс-

миссии и др., определяются, главным образом, силами трения. Величина этих

потерь, а, следовательно, кпд механической передачи зависит от типа исполь-

зуемых 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

эп

на кпд собственно рабочей машины. Так, для вентиляторной установки

затр

эпвенуствен

НQ

−

⋅⋅

ηηη

(11.4)

Здесь Q - производительность вентилятора, м

/с;

Н- напор, Па;

вен

- аэродинамический кпд вентилятора;

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 рабо-

чей машины определять по затратам энергии за цикл работы

цполц

полц

затрц

полц

рм

WА

Δ+

(11.5)

где

,)(,)(,)(

∫∫∫

=Δ=Δ=

ццц

полц

ползатрц

полполц

dttРWdttРWdttРА

- соответственно полезная работа за цикл, затраченная энергия за цикл,

потери энергии за рабочий цикл.

В сети переменного тока, питающей электропривод, циркулирует реак-

тивная мощность. Негативным результатом наличия реактивной мощности яв-

ляется загрузка питающей сети реактивным током, не создающим работы. Ве-

личина реактивной мощности оценивается величиной cos φ, где под углом φ

понимается фаза сдвига первой гармоники тока от первой гармоники напряже-

ния. У асинхронных короткозамкнутых двигателей номинальный cos φ состав-

ляет примерно 0,7-0,8. Недогрузка асинхронного двигателя ведет к дальнейше-

му снижению cos φ.

В приводах по системе ТП-Д (см. раздел 5.3) cos φ = cos a , что опреде-

ляется запаздыванием, устанавливаемым системой импульсно-фазового управ-

ления, открывания тиристоров

. Поэтому в приводах ТП-Д при высокой скоро-

сти вращения cos φ в питающей сети переменного тока будет высоким (0,8-0,9),

по мере снижения скорости, когда угол а растет, cos φ будет уменьшаться. При

включении привода ТП-Д имеют место броски реактивной мощности.

В современных системах регулируемого электропривода стремятся ис-

пользовать неуправляемые выпрямители, осуществляя

регулирование величи-

ны напряжения, подаваемого к обмоткам двигателя, широтно-импульсными

методами (см. например, схемы рис.5.29, 6.12). В этом случае cos φ в питающей

сети будет не ниже 0,95.

С точки зрения компенсации реактивной мощности многих потребите-

лей электроэнергии эффективно использование для нерегулируемых электро-

приводов синхронных двигателей большой мощности, которые при перевозбу-

ждении способны генерировать

реактивную мощность для ее компенсации в

пределах энергосистемы данного предприятия.

11.2. Потери энергии в переходных режимах

Потери энергии в переходных режимах, как правило, возрастают, по-

скольку эти процессы сопровождаются большими бросками тока. Так, при пус-

ке асинхронного короткозамкнутого двигателя пусковые токи составляют 5-6

номинального. В процессе разгона двигатель должен не только преодолевать

момент сопротивления, но и создавать динамический момент, идущий на уве-

личение кинетической энергии движущихся масс.

Рассмотрим потери энергии в короткозамкнутом асинхронном двигате-

ле за время пуска вхолостую (М

=0). В процессе пуска двигатель, разгоняясь,

проходит скольжения от 1 до 0. В этот период в роторе выделяются значитель-

ные потери энергии, что особенно неблагоприятно для короткозамкнутых дви-

гателей, где эти потери не могут быть вынесены из машины в пусковые со-

противления.

Так как потери в роторе пропорциональны моменту и скольжению

SМР

⋅

то потери энергии за один пуск будут:

∫

⋅⋅=Δ

dtSMA

(11.7)

При пуске вхолостую М =J

.(dω/dt), подставляя это значение момента в

(11.7) и соответственно заменяя пределы интегрирования, получим:

∫∫

−==Δ

ΣΣ

)(

ωω

ωωωωω

dJSdJА

=Δ

A (11.8)

Отсюда вытекает правило, что при пуске асинхронного двигателя вхо-

лостую потери в цепи его ротора равны запасу кинетической энергии, который

получают приходящие в движение маховые массы ротора двигателя и рабочего

механизма при их разгоне до установившейся скорости.

Заметим, что потери в роторе не зависят от времени пуска, пусковых

токов и

других параметров. Потери в статоре, напротив, зависят от параметров

пуска.

Во избежание перегрева для каждого короткозамкнутого двигателя су-

ществует предельное значение суммарного момента инерции, который может

преодолеть данный двигатель. При пуске значение J

Σпред

указывается в катало-

гах. При отсутствии этих данных величина J

Σпред

может быть определена из

следующих соображений.

Допустимая величина энергии, выделяющейся в клетке ротора массой

кл

, не должна приводить к ее перегреву более чем на Т

пер

= 300°С. Отсюда

перклклдоп

ТСmА

где С

кл

, - Дж/кг.гр - теплоемкость материала клетки ротора. Расчет про-

водится исходя из необходимости обеспечения двух пусков подряд. Поэтому

2∆А < m

кл

· С

кл

·300. Из этих условий получим:

300

⋅

〈

клкл

пред

Сm

Потери энергии в роторной цепи двигателя при динамическом тормо-

жении от скорости сой до минимальной скорости (затормозить двигатель до

нулевой скорости при динамическом торможении нельзя) также равны запасу

кинетической энергии, которой обладали движущиеся массы ротора и рабочей

машины.

При торможении противовключением двигатель работает при еще

больших скольжениях - от S

нач

=2 до S=1. Подставляя эти значения в (11.7), по-

лучим, что

=Δ

првк

Для асинхронного двигателя важно определить потери при пуске и тор-

можении не только в роторной, но и в статорной цепи. Ориентировочно эти по-

тери можно найти, зная потери в роторе и пользуясь соотношением

ротcn

⋅Δ=Δ

Потери в статоре могут быть сокращены, используя, например, сниже-

ние напряжения на статоре при пуске (если это возможно).

При плавном изменении ω

в соответствии с заданным темпом разгона

(при частотном управлении асинхронным двигателем или плавном повышени-

ем напряжения в приводах постоянного тока) двигатель работает с малыми

скольжениями и потери в двигателе, как и в установившемся режиме, опреде-

ляются величиной развиваемого момента.

11.3. Нагрев и охлаждение двигателя

Выделение потерь ∆Р в объеме двигателя вызывает его нагрев. Прове-

дем упрощенный анализ процессов нагрева и охлаждения. Примем допущение,

что двигатель в тепловом отношении представляет собой однородное твердое

тело, характеризующееся:

теплоемкостью С Дж/гр, которая показывает сколько тепловой энер-

гии необходимо, чтобы повысить температуру двигателя на 1 градус;

- коэффициентом теплоотдачи А Дж/гр.с, показывающим сколько тепла

отдает двигатель окружающей среде за 1 сек при превышении температуры

двигателя τ над температурой окружающей среды в 1 градус.

Уравнение теплового баланса будет

dtAdCdtР

⋅

(11.11)

где τ - превышение температуры двигателя над температурой окру-

жающей среды.

Первый член уравнения (11.11) характеризует потери в двигателе, кото-

рые преобразуются в тепло, второй член - количество тепла, идущее на нагрев

двигателя, третий - количество тепла, которое двигатель отдает окружающей

среде. В первое время после включения двигателя, когда его температура еще

мало отличается

от температуры окружающей среды (τ =0), отдача тепла в ок-

ружающую среду отсутствует и третий член уравнения (11.11) равен нулю. По

мере нагрева двигателя все большая часть выделяемого в двигателе тепла пере-

дается в окружающую среду и, когда достигается равновесие между количест-

вом выделяемого тепла и отдаваемого в окружающую среду, температура дви-

гателя

становится постоянной - установившейся.

Преобразовав уравнения (11.11) к нормальному виду при условии ∆Р =

const , получим