Лк8

1.

Лекция 8. ЭНЕРГЕТИКА ЭЛЕКТРОПРИВОДА

2.

Общие положения об энергетических процессах
Понятие «энергетика электропривода» включает в себя большой круг вопросов.
Остановимся на задачах определения необходимой мощности двигателей и
преобразователей, анализе режимов потребления энергии на отдельных этапах работы
привода. Условно энергетические задачи электропривода можно разделить на две
группы. В первую группу входят задачи определения интегральных показателей. Они
оценивают затраты энергии на реализацию некоторого цикла в работе электропривода
или связанные с этим потери энергии. К ним относятся задачи определения средней
на отрезках времени мощности потребления, средних потерь, среднего уровня
реактивной мощности. Эти задачи возникают при определении необходимой
мощности двигателей и преобразователей, при расчёте затрат энергии на совершение
заданной механической работы. Вторую группу образуют задачи, связанные с
необходимостью установления максимальных значений потребляемой мощности,
мощности потерь пиков потребления реактивной мощности, что определяется
ограниченностью максимальной мощности автономных источников питания,
пропускной способностью питающих сетей, допустимой мощностью рассеяния
тепловой энергии в элементах электропривода, перегрузочной способностью
электродвигателей.

3.

Решение указанных задач энергетики основывается на законе
сохранения энергии, на использовании баланса мощностей в
электромеханической
системе
электропривода.
Причём
мощность электрической энергии, поступаемой из источника
питания
на
вход
электропривода,
принято
считать
положительной, мощность, направленную от электропривода в
источник питания – отрицательной. Мощность, полученная в
результате электромеханического преобразования электрической
энергии на валу электропривода, расходуется на преодоление
сил статического сопротивления рабочего
механизма и
считается положительной, если направлена к рабочему органу. В
системе электропривода, как в её механической, так и в
электрической частях, имеются элементы, способные запасать
энергию. В механической части это движущиеся и
деформирующиеся элементы, в электрической части –
ёмкостные и индуктивные элементы.

4.

Все эти процессы сопровождаются потерями энергии,
которая рассеивается всеми элементами в виде теплоты.
Суммарная мощность потерь складывается из потерь в
обмотках
электрического
и
электромеханического
преобразователей, потерь на перемагничивание стали, потерь в
ёмкостных элементах и из механических потерь.
В общем случае экономичность работы электропривода
оценивается на каком-то известном цикле так называемым
цикловым коэффициентом полезного действия (КПД),
представляющим отношение произведенной за этот цикл
механической энергии к потребляемой за это время
электрической энергии. В том случае, если на отдельных
участках работы мощность потребляемой электроэнергии и
механическая мощность были постоянны, то говорят о
мгновенном КПД.

5.

КПД электропривода как электромеханической системы представляется
мощность, поступающая из сети (источника питания); Р – мощность на реализацию движения рабочего органа (полезная нагрузка).
выражением:
р.о
Рэл Рмех Рр. о
η ηэп ηдв ηмех
Рс Рэл Рмех
где η = ηэп∙ ηдв ∙ ηмех – соответственно КПД электрического,
электромеханического преобразователей и механической части
(кинематической схемы механизма); Рэл – электрическая мощность на
входе двигателя; Рмех – механическая мощность на валу двигателя; Рс –

6.

Каждая из составляющих общего коэффициента
полезного действия – величина не постоянная, а
зависящая от нагрузки каждого устройства, скорости
электрических машин и других факторов. Каждое
устройство
имеет
номинальный
КПД,
соответствующий
номинальным
нагрузке
и
скорости.
Потери
определяют
тепловое
состояние
устройств, в том числе и электродвигателей. В
общем случае мощность потерь в двигателе можно
представить в виде постоянных потерь Δрc, не
зависящих от нагрузки, и переменных потерь Δрv,
пропорциональных нагрузке электродвигателей:
Δр = Δрc + Δрv.

7.

К постоянным потерям относят потери стали Δрcт,
механические потери Δрмех, в обмотках возбуждения
Δрвозб = I2возбRвозб двигателей. Переменные потери
определяются потерями в меди силовых цепей: для
двигателей постоянного тока (ДПТ) – Δрυ = I2яRя, для
асинхронных двигателей (АД) – p 3I 2 R 3I 2 R ,
v
s
s
2
p
3
I
для синхронных двигателей –
v
s Rs .
r
r

8.

Переменные
потери
при
режимах
электропривода,
соответствующих
номинальным
на
естественных
характеристиках, можно вычислить по его данным. При режимах,
в которых токи отличаются от номинальных, потери вычисляются,
c использованием кратности токов λ:
– для двигателей постоянного тока λ = Iя / Iяном ;
– асинхронных двигателей λ = I′2 / I′2ном;
– синхронных двигателей λ = I1 / I1ном.
Тогда общее выражение для переменных потерь можно
записать в виде
Δрv = Δрv ном λ2.
Кроме
этого,
целесообразно
ввести
коэффициент,
характеризующий отношение постоянных потерь к номинальным
переменным потерям
α = Δрc / Δрv ном.
Следовательно, суммарные потери можно представить
выражением
Δр = Δрv ном (α + λ2).
Практически значение коэффициента α зависит от
номинальной мощности, скорости и исполнения двигателя и
находится в пределах α = 0,5…2,0.

9.

Для ДПТ и АД переменные потери могут быть определены через электромагнитный
момент и относительный перепад скорости двигателя (скольжение). Если Pя = UяIя –
мощность, потребляемая двигателем, Mω0 – электромеханическая мощность, то
для ДПТ
ω0 ω
ω
pv Mω0 Mω M
ω0 Pя
ω0
ω0
для АД
Rs
Rs
pv Mω 0 s(1 ) pvr (1 )
Rr
Rr

10.

Особое значение правильная оценка потерь энергии имеет для регулируемого
электропривода (ЭП). Экономическое регулирование скорости определяется
выбором способа регулирования. И при равных капитальных затратах и
эксплуатационных расходах показатель расхода энергии и показатель
регулировочных потерь являются основой для сопоставления регулируемого ЭП
по экономичности. С энергетической точки зрения регулирование скорости или
момента означает изменение мощности механической энергии на валу двигателя.
В связи с этим возможно несколько способов регулирования механической
мощности Δрмех. Наиболее просто можно уменьшить Δрмех, установив на пути
потока энергии устройство, отбирающее часть энергии, при этом выведенную
энергию можно рассеять в виде теплоты или возвратить в сеть.
К первому способу относятся реостатные схемы. В них энергия рассеивается
на резисторах. Эти способы заведомо неэкономичны с энергетической точки
зрения. Экономичнее, отведя часть энергии, вернуть её в сеть или на вал
механизма. Наиболее экономично регулировать координаты электропривода так,
чтобы мощность потребляемой энергии определялась потерями и мощностью,
необходимой в данный момент механизму. Такие схемы выполняются по системе
управляемый преобразователь – двигатель, позволяющей регулировать
параметры U, I, f на входе электромеханического преобразователя, таким
образом, чтобы управление механической энергией осуществлялось не за счёт
увеличения потерь, а за счёт необходимого снижения потребляемой энергии
двигателем.

11.

Анализируя потери энергии в регулируемых ЭП, надо учитывать, что составляющая суммарных потерь,
не зависящая от нагрузки, при регулировании скорости изменяется так
ω
p pв ( pмех ном psном )
ωном
2
а переменные потери
2
pv I я Rя M (ω 0 ω)
где ω 0 – скорость холостого хода на регулировочной характеристике.

12.

Рассмотрим изменение составляющих потерь в регулируемом асинхронном
приводе. В асинхронном двигателе к постоянным потерям относятся
механические Δрмех, потери в стали статора Δрsст и ротора Δрrст, а также потери в
меди статора от намагничивающего тока Iμ:
2
p pмех p sст p rст 3I μ Rs
Для механических потерь
ω
p pмехном
ω
ном
2

13.

Потери в стали (от вихревых токов и явления гистерезиса) пропорциональны
квадрату амплитуды магнитной индукции B 2
ì
и частоте в степени примерно 1,3.
2
Тогда
1,3
U f1
(1 s1,3 )
pст psстном
U ном f ном
где Δрsстном – потери в стали статора при номинальной частоте и напряжении питания.

14.

При частотном регулировании и работе двигателя на линейном участке механической характеристике скольжение
невелико и, пренебрегая потерями в роторе, при регулировании по закону U / f = const имеем
3,3
2
f
U
f 3,3
.
p psстном
p
sст ном
f
2
1,3
f
U
f
ном ном
ном
Рассмотрим методику определения потерь энергии за время переходных процессов в нерегулируемых ЭП, когда
задающее воздействие (частота и напряжение питания обмоток двигателя) устанавливается скачком. В общем случае
при переходе из одного устойчивого режима к другому суммарные потери
tпп
Aпп p(t )dt
0
tпп
p (t ) p (t ) dt
c
v
0
В переходных процессах токи двигателей значительно превышают номинальные значения, и, таким образом,
долю постоянных потерь можно не принимать в расчёт, а потери энергии от переменной составляющей для ДПТ
независимого возбуждения, а также для короткозамкнутого АД можно записать одним выражением:
tпп
tпп
Aпп Mω0 s dt ( M ω0 Mω)dt
0
0
где s = Δω / ω0 – относительный перепад скорости для ДПТ; s = (ω0 – ωr) / ω0 – скольжение для АД.

15.

Рассмотрим переходные процессы при разгоне двигателя вхолостую, т. е. при Мс = 0, тогда из уравнения
движения
dω
M дв M c J пр
dt
и (3.1) имеем
tпп
dω
dω
Aпп ( J пр
ω 0 J пр
ω)dt
dt
dt
0
ωкон
J
пр (ω 0 ω) dω
ωнач
Отсюда видно, что производная потерь энергии по скорости не зависит от времени и равна разности количества
движения при скорости ω0 и текущей скорости ω.
После интегрирования выражения (3.3) имеем
ω
Aпп J пр ω 0 ω ωкон J пр
нач
2
ω
2
ωкон
ωнач
2
2
ω кон
ω нач
ω 02 2
2
J пр ω 0 (ω кон ω нач ) J пр
J пр
( sнач sкон
).
2
2

16.

При изменении скорости затрачено (или высвободилось) количество энергии,
равное разности кинетической энергии при начальных и конечных скоростях.
Определим затраты и потери энергии при некоторых типовых переходных
процессах. При пуске механизма вхолостую
имеем ωнач = 0; ωкон = ω0; скольжение
2
sнач = 1, sкон = 0, поэтому Aп J пр ω0
(потери энергии); Aз.п J пр ω0 (ω0 0) 2J пр ω02 затраты энергии при пуске без учёта потерь в статоре).
Затраты энергии на пуск вхолостую Aз.п в двое больше запаса кинетической энергии
привода в конце пуска – половина потребляемой энергии рассеивается в виде потерь.
При реверсировании противовключением вхолостую имеем ωнач = –ω0; ωкон = ω0;
скольжение sнач = 2, sкон = 0
Тогда
Aз.д.т 0
ω02
Aд.т. J пр
2
а потери определяются величиной кинетической энергии электропривода, рассеянной в виде
теплоты.
Основной вывод: потери энергии не зависят от времени переходного процесса, а значит, и от
формы механической характеристики двигателя, а определяются только диапазоном изменения
скорости в переходном процессе.

17.

В переходных процессах со статическим моментом нагрузки на валу момент двигателя
определяется как динамической, так и статической составляющей, поэтому мощность потерь
dω
dω
dω
р M c J пр
J пр ω M c (ω0 ω)
(ω0 ω) J пр ω0
dt
dt
dt
Здесь к мощности потерь, определяемой переходным процессом при холостом ходе, добавляется
составляющая, связанная с нагрузкой. Потери в этом случае зависят от характера изменения статического момента
и формы механической характеристики двигателя.
Таким образом,
ωкон
ωкон
tпп
Aпп J пр ω 0
dω J ωdω M (ω ω)dt
пр
ωнач
Это можно представить как сумму
0
ωнач
0
Aпп Aхх Aс
где ΔАхх – потери в переходных процессах при Mс = 0; ΔАс – потери в переходных процессах, отражающие
влияние статической нагрузки.
Для пусковых режимов ΔАс – положительна.
Для тормозных режимов ΔАс – отрицательна.
Потери энергии при торможении над нагрузкой меньше потерь при торможении вхолостую.

18.

Суммарные потери энергии в цепях АД определяются потерями в статорной обмотке и в добавочных
сопротивлениях роторной цепи. Поэтому потери в АД (если пренебречь постоянной составляющей потерь Δpс и
влиянием тока холостого хода Is ≈ Ir) можно определить как
t пп
A 3I r2 ( Rs Rr Rr доб )dt.
0
Заменим потери в роторной цепи мощностью скольжения, т. е.
3I r2 ( Rs Rr Rr доб ) М дв ω0 s
то получим при Mс = 0, а Мдв определим из уравнения движения,
sко н
A
J пр ω 02 s (1
sнач
Rs
)ds
Rr Rr доб
Например, при пуске sнач = 1, sкон = 0 , то
ω 02
Rs
Aп J пр
(1
)
2
Rr Rr доб
Анализ этого выражения показывает, что потери состоят из потерь в статорной цепи
ω02
Aп s J пр
2

19.

и потерь в роторной цепи
ω 02
Rs
Aп r J пр
2 Rr Rr доб
зависящих от активных сопротивлений статора и ротора. Причём, чем больше сопротивление
роторной цепи, тем меньше потери в статоре АД.
Для короткозамкнутого АД
2 Rs
Aп s J пр ω 0
Rr
1 η ном
R U
,
лном
s
3 3I лном
В двигателях АД общепромышленного применения Rs Rr
и поэтому потери в роторной цепи и в статорной примерно одинаковые. Отсюда
вытекает метод уменьшения потерь в статоре (нагрев двигателя): вынос их за пределы
двигателя, т. е. увеличение сопротивления вторичной цепи АД. А для АД короткого
замыкания увеличилось сопротивление ротора. Аналогично можно вести рассуждения о
тормозных режимах: снижение потерь – ступенчатое торможение.