Потери энергии в электроприводах

Для электротермического производства характерны энергоемкие технологические процессы при сравнительно невысокой потребляемой вспомогательным оборудованием, в том числе и приводами, мощности. Потери энергии в приводах ЭТУ по сравнению с технологическими незначительны. Однако учет энергетических показателей приводов
ЭТУ и их повышение входят в число важных задач, решаемых при проектировании всей установки и ее отдельных частей. Это объясняется следующими обстоятельствами.
На рис. 6.1 приведен график зависимости КПД двигателя от развиваемой им мощности r\—f(Р/Рном). Наибольшее значение КПД т\тах соответствует нагрузке двигателя, близкой к номинальной, т. е. наиболее полному использованию двигателя по мощности. Недоиспользование двигателей по мощности, т. е. неоправданное завышение его мощности, а следовательно, и габаритов, неприемлемо для ЭТУ, так как в этом случае габариты всей установки могут оказаться завышенными, усложняются монтажно-наладочные, ремонтные и эксплуатационные работы. Перегрузка двигателей при занижении их мощности приведет к превышению температуры обмоток двигателей сверх допустимых значений, что существенно снижает срок службы двигателей, надежность их работы и всей установки.
Схемы и параметры электрических сетей и устройств, питающих двигатели, должны соответствовать их нагрузкам. Оптимизация схемных решений и параметров устройств питания двигателей является частью задачи проектирования всей ЭТУ.
К энергетическим показателям привода относится КПД, определяемый как — КПД приводного двигателя; т]Мех—КПД механизма. При питании двигателей постоянного тока от вентильных преобразователей, магнитных усилителей, а также при использовании в качестве приводных двигателей переменного тока к энергетическим показателям привода относится также коэффициент мощности цепей переменного тока, питающих двигатель или преобразователь.
Значения КПД механизма т]мех зависят как от конструктивного выполнения механизма, так и от его состояния— наличия смазки, чистоты обработки трущихся поверхностей механизма, их загрязненности и т. д. Коэффициент полезного действия приводного двигателя определяется как, где Р1 — мощность, потребляемая двигателем из сети; АР — мощность потерь в двигателе; Мха — полезная мощность на валу двигателя.
Потери в двигателях разделяются на постоянные k и переменные v,
AP=b+v.
Постоянные потери обусловлены потерями на трение в подшипниках, самовентиляцию двигателей, потерями в стали и обмотках, обтекаемых постоянным по значению током, независимым от нагрузки двигателей, т. е. в обмотках независимого возбуждения. В действительности постоянные потери в какой-то мере зависят от" скорости двигателей. Но при работе на естественных характеристиках двигателей в большинстве случаев их жесткость достаточна для допущения £=const. Переменные потери являются функцией тока нагрузки
где Jh — ток якоря для машин постоянного тока, ток ста-торных или роторных обмоток для асинхронных машин, ток статорных обмоток для синхронных машин; г|— значение сопротивления обмоток, обтекаемых током /&; п — число обмоток. Для машин постоянного тока k=n=l (якорная обмотка двигателя); для трехфазных машин переменного тока п=3, т. е. число обмоток равно числу фаз машины.
При известных каталожных данных двигателя для номинального режима работы легко определить мощность потерь в двигателе и разделить потери на переменные: Uhom=/2hom#h — для машин постоянного тока.
Для нагрузки двигателя постоянного тока, отличающейся от номинальной, переменные потери можно представить в виде
Если учесть, что ток статора асинхронного двигателя отличается от приведенного тока ротора на значение намагничивающего тока, и отнести потери в сопротивлениях обмотки статора от намагничивающего тока к постоянным потерям, то переменные потери в обмотках асинхронного двигателя при неноминальной нагрузке выражаются следующим образом:
Располагая механической характеристикой двигателя и имея в виду, что с механическими величинами переменные потери связаны соотношениями и=М(ю0—со)—для машин постоянного тока; i;#Mo)0s(1 -j-Ri/R^)— для машин переменного тока, а механическая мощность, развиваемая двигателем, Р=Мсо, можно построить график т)=^(Р/ЯНом) при работе двигателя в установившемся режиме при переменной нагрузке.
Во многих случаях для поверочных расчетов мощностей двигателей, которые проводятся после ориентировочного выбора двигателя, графики вида рис. 6.1 берутся из каталогов. Значения мощности потерь в двигателе при заданной нагрузочной диаграмме, т. е. зависимости развиваемой двигателем мощности потерь от времени AP=f(t) вычисляются для разных значений мощности на валу двигателя Р с использованием (6.1) и кривых вида рис. 6.1.
В переходных режимах, когда происходит изменение скорости от начальных значений до установившихся (Окон, кинетическая энергия подвижной части привода (ротора совместно с механизмом) изменяется на значение.
Выражение (6.2) показывает, что при ускорении двигателя, когда о)кон> (Онач, происходит накопление кинетической энергии в инерционных элементах подвижной части привода, который при потреблении из сети энергии, необходимой для совершения полезной работы — преодоления момента статического сопротивления, должен потреблять дополнительную энергию Д№к согласно (6.2). Потребление дополнительной энергии вызывает и дополнительные электрические потери, называемые динамическими. Динамические потери возникают и при отдаче подвижными инерционными элементами привода запасенной кинетической энергии, т. е. при торможении привода, так как избыток кинетической энергии  привода при переходе на низшую скорость преобразуется в электрическую, а затем выделяется в активных сопротивлениях цепей электродвигателя и питающей его цепи в виде тепловой энергии.
Количественную оценку потерь энергии в двигателе можно провести по уравнению энергетического баланса динамического процесса двигателя, полагая Мс—0 и пренебрегая постоянными потерями
где W3 — \ Я, dt — электрическая энергия, потребляемая из сети; WK == / —кинетическая энергия подвижных инерционных масс привода; AW — потери энергии в двигателе.
Электрическая мощность двигателя P\=M(D0 или Р\= ==/со,о dtojdt с учетом уравнения движения привода М— — Jdco/dt. Тогда при изменении скорости от соыач до Щ электромагнитная энергия двигателя изменяется на значение и согласно (6.3) с учетом (6.2) потери энергии в двигателе при изменении его скорости.
Следует отметить, что путем несложных преобразований из (6.5) легко получить другую форму записи потерь энергии, обычно применяемую для асинхронных двигателей при изменении его скольжения от начального до конечного.
Графически энергетика процесса пуска может быть, представлена в виде рис. 6.2,а. Площадь, заштрихованная горизонтально, пропорциональна энергии, запасенной инер-ционностями привода, №к=/<о2о/2, а вертикально — энергии потерь AW=J(o2о/2.
Как следует из (6.5), потери энергии не зависят от формы кривой со(/) в переходном процессе, а зависят только от конечного и начального значений скорости двигателя. Рассмотрим способы снижения динамических потерь в электродвигателях. Один из них состоит в том, что в силовые цепи (якорь, ротор) двигателей включаются дополнительные резисторы. При этом характеристики двигателя становятся мягче, процесс пуска затягивается, но динамические потери в его электрических цепях остаются неизменными согласно (6.5). Выигрыш здесь состоит в том, что часть динамических потерь выносится из двигателя всь внешние резисторы и снижается нагрев двигателя.
Другой способ состоит в ступенчатом изменении скорости холостого хода На рис. 6.2,6 представлен график потерь при четырехступенчатом изменении скорости идеального холостого хода двигателя. Как следует из рисунка и физических представлений, энергия, запасенная инерционностями привода, WK будет пропорциональна горизонтально заштрихованной площадке и останется неизменной по сравнению с энергией при одноступенчатом пуске. Энергия же потерь в двигателе, пропорциональная вертикально заштрихованным площадкам, существенно уменьшится;, по сравнению с энергией при одноступенчатом пуске.
Такой график потерь характерен при пуске асинхронных короткозамкнутых двигателей с регулированием скорости изменением числа пар полюсов. Его можно получит^ и в системе преобразователь — двигатель,
В системе преобразователь—двигатель количество ступеней пуска изменением скорости холостого хода можно сделать каким угодно большим, так как плавность регулирования скорости в таких системах близка к единице. Это значит, что при бесконечном числе ступеней пуска динамические потери будут стремиться к нулю. Следует отметить, что равенство динамических потерь нулю будет только в том случае, когда переключение очередной ступени cooi произойдет после достижения двигателем скорости холостого хода предыдущей ступени coo(i-i), т. е. движение будет происходить по закону. В действительности вследствие наличия механической инерционности при плавном изменении задания в процессе пуска отработка его будет отставать. Поэтому свести к нулю динамические потери в приводе не удается, но существенно снизить их, а следовательно, снизить и нагрев двигателя в системе преобразователь — двигатель — это одна из задач, решаемых при разработке электроприводов.