Потери мощности и энергии возникающие при пуске, реверсе, торможении, изменении скорости и изменении нагрузки, как правило, превышают их допустимые значения. По этой причине выделяющиеся в двигателе и других элементах электропривода (ЭП) потери могут быть весьма значительными и существенно влиять на энергетические показатели его работы. Повышенные потери в двигателе вызывают его дополнительный нагрев, что снижает его энергетические показатели. Особенно большое значение определение потерь электроэнергии в переходных процессах имеет для ЭП, у которых динамический режим является основным. К ним относятся, например, ЭП прокатных станов, подъемных кранов, строгальных станков, лифтов и др.
В общем случае потери энергии за время переходного процесса tn могут быть определены с помощью следующего выражения
где, потери энергии, обусловленные постоянными потерями мощности,
потери энергии, обусловленные переменными потерями мощности.[1]
Потери энергии легко можно найти в том случае, когда постоянные потери мощности К не изменяются за время переходного процесса, т.е.
.gif)
Потери энергии выражающие переменные потери мощности через ток и сопротивление можно определить по формуле
.gif)
.gif)
Использование выражения (3) для определения во многих случаях оказывается затруднительным из-за того, что при этом необходимо знать закон изменения тока двигателя в переходном процессе i(t), а также располагать данными об изменении сопротивления R. Так как часто зависимость не выражается аналитически, а в переходных процессах R изменяется, то точное вычисление интеграла (3) оказывается затруднительным. Более удобные расчетные соотношения для определения потерь энергии в переходных процессах получаются в том случае, если переменные потери мощности выражаются через механические переменные и параметры.[1]
Потери энергии при работе ЭП без нагрузки (Мс = 0). Потери мощности в якоре ДПТ и роторе АД определяются по одной формуле (1) и поэтому переменные потери энергии в этих частях двигателей также определяются идентично:

где, - скольжение или относительная скорость двигателей.
Исключим из (4) время как переменную, воспользовавшись для этого уравнением механического движения, при получим

Заменим в (4) dt и изменив одновременно пределы интегрирования, получим
(6)
Полученное выражение (6) удобно для определения потерь энергии, так как при его использовании не требуется знать зависимость изменения координат ЭП во времени, а необходимо лишь иметь значения
Определим потери энергии в якоре ДПТ и роторе АД при их пуске, реверсе и торможении вхолостую. При пуске двигателей
поэтому в соответствии с чем

Интересно отметить, что в соответствии с (7) численно потери энергии равны кинетической энергии, которая будет запасена к концу пуска в движущихся механических частях ЭП.[2]
Пои динамическом торможении потери энергии, поскольку
также определяются выражением (7), т.е.
В этом режиме весь запас кинетической энергии в ЭП превращается в потери энергии, выделяемые в виде тепла.
При торможении противовключением sнач = 2, sкон = 1, а потери энергии

т.е. они равны тройному запасу кинетической энергии ЭП. Следовательно, потери энергии при торможении противовключением существенно (в 3 раза) превышают потери при динамическом торможении.
При реверсе sm4 = 2, skoh = 0 и потери энергии
.gif)
т.е. они равны сумме потерь при торможении противовключением и пуске.
Для определения полных переменных потерь энергии в АД необходимо найти еще потери в цепи статора. Для этого воспользуемся выражением (8.12), из которого следует, что

Тогда полные потери энергии в АД

Отметим, что потери энергии в роторе АД не зависят от его сопротивления, в то время как потери в статоре АД обратно пропорциональны его сопротивлению.
Потери энергии в системе «преобразователь – двигатель». Положительным свойством системы П-Д является возможность существенного сокращения потерь энергии в переходных процессах. Это достигается путем плавного изменения в переходных процессах с помощью управляемого выпрямителя напряжения для ДПТ и с помощью преобразователя частоты – частоты напряжения для АД, в результате чего происходит постепенное изменение и задаваемой ими скорости идеального холостого хода двигателей. При этом разность между скоростью холостого хода и скоростью якоря или ротора оказывается меньшей, чем при скачкообразном изменении напряжения или частоты, что и ведет к сокращению потерь в двигателе. В пределе, когда Мс = 0 и скорость щ0 изменяется бесконечно медленно, отдаваемая источником энергия идет только на сообщение двигателю кинетической энергии, а потери ее отсутствуют.
Уменьшение потерь электроэнергии в переходных процессах имеет важное значение, поскольку позволяет улучшить энергетические показатели работы ЭП. Различают два основных способа снижения потерь электроэнергии в переходных процессах: уменьшение момента инерции ЭП J и регулирование в переходных процессах скорости идеального холостого хода двигателей щ0.
Уменьшение момента инерции ЭП возможно за счет снижения момента инерции применяемых электродвигателей, т. е. за счет использования малоинерционных двигателей, имеющих пониженный момент инерции якоря (двигатели с повышенным отношением длины якоря к его диаметру, с полым или дисковым якорем); рационального конструирования механической передачи (выбора оптимального передаточного числа редуктора, рациональных размеров и форм элементов механической передачи); замены одного двигателя двумя, имеющими его половинную номинальную мощность. Расчеты показывают, что суммарный момент инерции двух двигателей половинной мощности оказывается меньше момента инерции одного двигателя полной мощности. Например, два двигателя типа 4АН200 мощностью по 45 кВт имеют суммарный момент инерции 2-1,38 = 2,76 кгм2. Двигатель 4АН250 мощностью 90 кВт, рассчитанный на ту же скорость, имеет момент инерции 3,53 кг-м2, т.е. почти на 30% больше.[3]
Регулирование скорости идеального холостого хода двигателей постоянного тока обеспечивается изменением напряжения на якоре в системе «управляемый выпрямитель – двигатель», а АД – изменением частоты питающего напряжения в системе «преобразователь частоты – АД» или числа пар полюсов в многоскоростном АД. Остановимся на снижении потерь в ЭП с многоскоростным АД.

В качестве примера рассчитаем потери электроэнергии в роторе двухскоростного АД при разбеге его до высокой скорости (характеристика 1) и торможении с высокой скорости при отсутствии нагрузки с помощью механических характеристик, приведенных на рис.1.
Пуск АД возможен двумя способами: включением обмотки статора сразу на число пар полюсов рх (прямой пуск, характеристика 1) или включением обмотки статора сначала на число пар полюсов р2 = 2рх (характеристика 2), а затем переключением обмотки статора на число пар полюсов рх(ступенчатый пуск).
Потери энергии в роторе АД при прямом пуске (характеристике 1)

Потери энергии при ступенчатом пуске при разбеге АД по характеристике 2 (первая ступень пуска)
а при разбеге АД по характеристике 1 (вторая ступень пуска)
Суммарные потери при ступенчатом пуске
Сопоставление показывает, что при ступенчатом пуске произошло снижение потерь электроэнергии в два раза по сравнению с прямым пуском. Таким образом, за счет изменения в переходном процессе скорости холостого хода происходит снижение потерь энергии в роторе, которое определяет снижение потерь в статоре и полных потерь в АД. В общем случае, если скорость идеального холостого хода в переходном процессе имеет n ступеней регулирования, потери энергии в роторе уменьшатся в n pаз
Сокращаются потери в многоскоростном АД и при ступенчатом торможении с высокой скорости. При торможении противовключением в одну ступень двигатель с характеристики 4 переходит на работу по характеристике 3, соответствующей тому же числу пар полюсов двигателя pv но при измененном порядке чередования фаз напряжения на статоре. Потери энергии в роторе за время торможения до нулевой скорости
При ступенчатом торможении путем изменения числа пар полюсов с рх на р2 = 2рх АД сначала переходит на работу по характеристике 2, при которой он тормозится до скорости со02 с отдачей энергии в сеть. Потери энергии на этом этапе (при s = -1, s = 0)
На следующем этапе путем изменения чередования фаз при том же числе пар полюсов осуществляется торможение противовключением (характеристика 4), потери при котором (при sнач= 2, sкон= 1)
Суммарные потери при ступенчатом торможении
Таким образом при ступенчатом торможении потери сокращаются вдвое. Анализ показывает, что потери мощности и энергии в электроприводах можно снизить путём применения оптимальных способов пуска, торможения и реверса для конкретного типа ЭП.[2]
Библиографический список
- Ключев В.И. Теория электропривода. Москва Энергоатомиздат:2001.
- Бекишев Р.Ф., Дементьев Ю.Н. Общий курс электропривода. Томск:2010.
- A.A. Khashimov, I.K. Pampias, Energy saving Solid State Drives. Asynchronous Motors for Technological Machines and Installations; ISBN 978-960-93-3063-3, Athens, 2011
Количество просмотров публикации: Please wait