8. Способы снижения потерь и расхода энергии в переходных процессах электроприводов с двигателями постоянного тока независимого возбуждения.

Надо знать два основных способа снижения потерь электроэнергии в переходных процессах: 1) уменьшение момента инерции электропривода; 2) регулирование скорости идеального холостого хода двигателя.

Возникающие при пуске, реверсе, торможении, изменении ско­рости и изменении нагрузки токи, как правило, превышают номи­нальный уровень. По этой причине выделяющиеся в двигателе и других элементах ЭП потери могут быть весьма значительными и существенно влиять на энергетические показатели его работы.

Способы снижения потерь электроэнергии в переходных процес­сах. Уменьшение потерь электроэнергии в переходных процессах имеет важное значение, поскольку позволяет улучшить энергети­ческие показатели работы ЭП.

Анализ полученных формул, в частности (8.19), определяет два основных способа снижения потерь электроэнергии в переходных процессах: уменьшение момента инерции ЭП J и регулирование в переходных процессах скорости идеального холостого хода двига­телей 0)₀.

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.

Регулирование скорости идеального холостого хода двигателей по­стоянного тока обеспечивается изменением напряжения на якоре в системе «управляемый выпрямитель - двигатель»

9. Режимы преобразования энергии и ограничения, накладываемые на их протекание.

Режимы работы электромеханического преобразователя, возможные с точки зрения направления потоков энергии, пред­ставлены на рис. 2.9.

Процессам преобразования электрической энергии в меха­ническую, т. е. двигательному режиму преобразователя, соот­ветствуют направления потоков мощности, показанные на рис. 2.9, а. При этом поступающая из сети электрическая мощ­ность Ре в основном преобразуется в механическую Рмех и частично теряется в виде теплоты в активных сопротивлениях и стали машины.

Электрическая машина обратима, поэтому, если подвести к ее валу механическую мощность Рмех, она может работать генератором электрической энергии параллельно с сетью, отда­вая в сеть мощность —Рс. При этом часть поступающей в машину механической мощности также теряется в виде теп­ловых потерь δρт (рис. 2.9,б). Этот тормозной режим работы двигателя параллельно с сетью иногда называют режимом рекуперативного торможения.

На рис. 2.9,в показан режим работы преобразователя, при котором машина потребляет мощность как из сети, так и с вала, причем вся поступающая в машину энергия преобра­зуется в теплоту. Такой режим работы называется генератор­ным режимом последовательно с сетью или режимом тормо­жения противовключением.

Режим работы двигателя автономным генератором (не свя­занным с сетью) представлен схемой на рис. 2.9,г. В этом режиме, называемом режимом динамического торможения, подводимая к валу механическая мощность преобразуется в электрическую и затем выделяется в виде теплоты в сопро­тивлениях силовых цепей и стали машины.

На рис. 2.9,д показаны статические механические характе­ристики двигателя, соответствующие двум направлениям вра­щения его ротора. В первом и третьем квадрантах механи­ческая мощность Рмех=Μω положительна — эти квадранты соответствуют двигательным режимам работы электромехани­ческого преобразователя. Во втором и четвертом квадрантах мощность Рмех отрицательна, эти квадранты определяют об­ласть тормозных режимов работы преобразователя.

Процессы электромеханического преобразования энергии сопровождаются неизбежными потерями энергии в активных сопротивлениях обмоток машин, в стали магнитопроводов, а также механическими потерями. Энергия потерь выделяется в виде теплоты в соответствующих элементах двигателя и вызывает его нагревание. Известно, что потери энергии в дви­гателе можно представить в виде суммы постоянных и пере­менных потерь. Постоянные потери ΔΡ_C, от момента, разви­ваемого двигателем и соответственно от токов, протекающи

по его силовым обмоткам, практически не зависят. Перемен-ные потери дельтаРv представляют собой потери в активных сопро­тивлениях силовых цепей, которые пропорциональны квадрату тока I, протекающего по этим сопротивлениям.

Рис. 2.9. Основные режимы преобразо­вания энергии

Следовательно,

(2.49)

Увеличение количества полезной энергии, вырабатываемой двигателем в единицу времени, влечет за собой увеличение потребляемого из сети тока и соответствующее возрастание переменных и суммарных потерь. Поэтому при возрастании полезной нагрузки двигателя увеличивается количество теп­лоты, выделяемое в его массе в единицу времени, что вы­зывает повышение температуры его частей. Чем больше вы­рабатываемая двигателем полезная мощность, тем больше температура, до которой нагреваются его детали в процессе работы. Максимально допустимая температура двигателя ог­раничивается максимально допустимой температурой его эле­мента, наиболее чувствительного к превышению температуры. До настоящего времени таким элементом является изоляция обмоток, для которой допустимая температура ниже, чем для других частей машины, а превышение допустимой тем­пературы вызывает резкое ускорение старения изоляции.

Изложенные положения определяют важнейшее ограниче­ние, накладываемое на процессы электромеханического преоб­разования энергии,— ограничение по нагреву двигателя. Полез­ная мощность, развиваемая двигателем, потребляемый из сети ток, электромагнитный момент двигателя не должны достигать значений, при которых рабочая температура двигателя может превысить допустимую. Допустимая по нагреву нагрузка дви­гателя называется его номинальной нагрузкой и указывается в паспортных и каталожных данных. Таким образом, номи­нальная нагрузка — это такая нагрузка двигателя, при которой двигатель, работая в номинальном режиме (продолжительном, повторно-кратковременном или др., см. гл. 9), нагревается до допустимой температуры. К числу номинальных данных дви­гателя относятся номинальная мощность на валу Р_ном номинальный ток I_ном, номинальные напряжения питания обмо­ток U_ном и частота f_ном номинальная скорость ω_ном (обычно указывается частота вращения п, об/мин). Для двигателей пере­менного тока в число номинальных данных включаются КПД η_ном и коэффициент мощности cos_ном. Для двигателей постоянного тока номинальный КПД определяется:

Вследствие тепловой инерции кратковременные перегрузки, например, в процессе пуска при достаточно малой продолжи­тельности, не могут вызвать заметного изменения темпера­туры частей двигателя. Поэтому ограничения, накладываемые нагревом, не исключают возможности кратковременного пре­вышения номинальной нагрузки двигателя, допустимое значе­ние которого определяется так называемой перегрузочной спо­собностью двигателя:

где Мдоп, Iдоп - максимально допустимый момент и ток дви­гателя при кратковременной перегрузке.

Перегрузочная способность двигателя ограничивается раз­личными причинами. Для двигателей постоянного тока это ограничение является наиболее жестким, так как связано с условиями коммутации тока якоря коллектором. Известно, что перегрузка этой машины по току приводит к возрастанию искрения под щетками. При недопустимо большом токе искре­ние достигает опасных размеров, при которых возможно пере­крытие коллектора дугой, — так называемый круговой огонь на коллекторе, который обычно выводит машину из строя. Наибольшее значение тока, при котором обеспечивается удов­летворительная коммутация, и ограничивает предельно допу­стимое значение момента двигателя Мдоп.

Условия коммутации тока на коллекторе машин постоян­ного тока накладывают дополнительное ограничение на ре­жимы преобразования энергии в машинах постоянного тока. Искрение на коллекторе зависит не только от тока якоря, но и от скорости его изменения во времени, так как при быстрых изменениях тока имеет место отставание потока до­полнительных полюсов от тока якоря вследствие электро­магнитной инерции и наличия вихревых токов. Поэтому при работе машины постоянного тока должно выполняться условие diя/dt (diя/dt)доп, где (diя/dt)доп - максимально допустимая по условиям коммутации скорость изменения тока якоря. Соответ­ственно должна быть ограничена и максимальная скорость изменения момента двигателя.

Для бесколлекторных машин переменного тока допустимы значительно большие перегрузки по току силовых цепей, чем для машин с коллекторами. При этом значения Мдоп обычно ограничиваются наибольшим моментом, который машина способна развить при номинальном напряжении сети и но­минальном возбуждении, если таковое имеется. Обычно при оценке Мдоп следует учитывать допустимое по нормам сни­жение напряжения сети относительно его номинального зна­чения.

9 билет (почти то же самое)

Режимы работы электромеханического преобразователя, возможные с точки зрения направления потоков энергии, представлены на рис.2.9.

Процессам преобразования электрической энергии в механическую, т. е. двигательному режиму преобразователя, соответствуют направления потоков мощности, показанные на рис.2.9,0. При этом поступающая из сети электрическая мощность Р_с в основном преобразуется в механическую P_мех и частично теряется в виде теплоты в активных сопротивлениях и стали машины.

Электрическая машина обратима, поэтому, если подвести к ее валу механическую мощность Р_мех, она может работать генератором электрической энергии параллельно с сетью, отдавая в сеть мощность - Р_с. При этом часть поступающей в машину механической мощности также теряется в виде тепловых потерь Р_Т (рис.2.9,б). Этот тормозной режим работы двигателя параллельно с сетью иногда называют режимом рекуперативного торможения.

На рис.2.9,в показан режим работы преобразователя, при котором машина потребляет мощность как из сети, так и с вала, причем вся поступающая в машину энергия преобразуется в теплоту. Такой режим работы называется генераторным режимом последовательно с сетью или режимом торможения противовключением.

Режим работы двигателя автономным генератором (не связанным с сетью) представлен схемой на рис.2.9,г. В этом режиме, называемом режимом динамического торможения, подводимая к валу механическая мощность преобразуется в электрическую и затем выделяется в виде теплоты в сопротивлениях силовых цепей и стали машины.

На рис.2.9,д показаны статические механические характеристики двигателя, соответствующие двум направлениям вращения его ротора. В первом и третьем квадрантах механическая мощность

P_мех=М·

положительна - эти квадранты соответствуют двигательным режимам работы электромеханического преобразователя. Во втором и четвертом квадрантах мощность Р_мех отрицательна, эти квадранты определяют область тормозных режимов работы преобразователя.

Процессы электромеханического преобразования энергии сопровождаются неизбежными потерями энергии в активных сопротивлениях обмоток машин, в стали магнитопроводов, а также механическими потерями. Энергия потерь выделяется в виде теплоты в соответствующих элементах двигателя и вызывает его нагревание. Известно, что потери энергии в двигателе можно представить в виде суммы постоянных и переменных потерь. Постоянные потери Р_С от момента, развиваемого двигателем и соответственно от токов, протекающих по его силовым обмоткам, практически не зависят. Переменные потери P_v представляют собой потери в активных сопротивлениях силовых цепей, которые пропорциональны квадрату тока I протекающего по этим сопротивлениям. Следовательно,

Увеличение количества полезной энергии, вырабатываемой двигателем в единицу времени, влечет за собой увеличение потребляемого из сети тока и соответствующее возрастание переменных и суммарных потерь. Поэтому при возрастании полезной нагрузки двигателя увеличивается количество теплоты, выделяемое в его массе в единицу времени, что вызывает повышение температуры его частей. Чем больше вырабатываемая двигателем полезная мощность, тем больше температура, до которой нагреваются его детали в процессе работы. Максимально допустимая температура двигателя ограничивается максимально допустимой температурой его элемента, наиболее чувствительного к превышению температуры. До настоящего времени таким элементом является изоляция обмоток, для которой допустимая температура ниже, чем для других частей машины, а превышение допустимой температуры вызывает резкое ускорение старения изоляции. Изложенные положения определяют важнейшее ограничение, накладываемое на процессы электромеханического преобразования энергии, - ограничение по нагреву двигателя. Полезная мощность, развиваемая двигателем, потребляемый из сети ток, электромагнитный момент двигателя не должны достигать значений, при которых рабочая температура двигателя может превысить допустимую. Допустимая по нагреву нагрузка двигателя называется его номинальной нагрузкой и указывается в паспортных и каталожных данных. Таким образом, номинальная нагрузка - это такая нагрузка двигателя, при которой двигатель, работая в номинальном режиме (продолжительном, повторно-кратковременном или др., см. гл. 5), нагревается до допустимой температуры. К числу номинальных данных двигателя относятся номинальная мощность на валу P_ном, номинальный ток I_ном, номинальные напряжения питания обмоток U_ном и частота f_ном, номинальная скорость _ном (обычно указывается частота вращения n, об/мин). Для двигателей переменного тока в число номинальных данных включаются КПД _ном и коэффициент мощности cos ф_ном. Для двигателей постоянного тока номинальный КПД определяется:

Вследствие тепловой инерции кратковременные перегрузки, например, в процессе пуска при достаточно малой продолжительности, не могут вызвать заметного изменения температуры частей двигателя. Поэтому ограничения, накладываемые нагревом, не исключают возможности кратковременного превышения номинальной нагрузки двигателя, допустимое значение которого определяется так называемой перегрузочной способностью двигателя:

где М_доп, I_доп - максимально допустимый момент и ток двигателя при кратковременной перегрузке.

Перегрузочная способность двигателя ограничивается различными причинами. Для двигателей постоянного тока это ограничение является наиболее жестким, так как связано с условиями коммутации тока якоря коллектором. Известно, что перегрузка этой машины по току приводит к возрастанию искрения под щетками. При недопустимо большом токе искрение достигает опасных размеров, при которых возможно перекрытие коллектора дугой,- так называемый круговой огонь на коллекторе, который обычно выводит машину из строя. Наибольшее значение тока, при котором обеспечивается удовлетворительная коммутация, и ограничивает предельно допустимое значение момента двигателя М_доп.

Условия коммутации тока на коллекторе машин постоянного тока накладывают дополнительное ограничение на режимы преобразования энергии в машинах постоянного тока. Искрение на коллекторе зависит не только от тока якоря, но и от скорости его изменения во времени, так как при быстрых изменениях тока имеет место отставание потока дополнительных полюсов от тока якоря вследствие электромагнитной инерции и наличия вихревых токов. Поэтому при работе машины постоянного тока должно выполняться условие di_я/dt<(di/dt)_доп, где (di_я/dt)_дon - максимально допустимая по условиям коммутации скорость изменения тока якоря. Соответственно должна быть ограничена и максимальная скорость изменения момента двигателя.

Для бесколлекторных машин переменного тока допустимы значительно большие перегрузки по току силовых цепей, чем для машин с коллекторами. При этом значения М_доп обычно ограничиваются наибольшим моментом, который машина способна развить при номинальном напряжении сети и номинальном возбуждении, если таковое имеется. Обычно при оценке М_доп следует учитывать допустимое по нормам снижение напряжения сети относительно его номинального значения.