Оценка энергетической эффективности при неоднонаправленных потоках энергии

Изложенное выше относилось к однонаправленным потокам энергии, когда мощность не меняет знак. Вместе с тем, часто встречаются случаи, когда направление потока энергии в цикле изменяется: подъем - спуск, разгон - торможение и т.п. Здесь приведенная выше формула КПД (6.5) становится недостаточной - неочевидно понятие «полезной энергии», интегрирование знакопеременных мощностей лишено смысла. Устранить неопределенность можно, условившись о равноправности всех режимов в цикле, если они необходимы для осуществления технологического процесса и, следовательно, полезны. Так, тормозной режим в транспортном средстве ничем не хуже режима разгона. Удержание руки робота в нужном месте какое-либо время - тоже очень полезное действие.

Если принять, что разнополярный график P(t)полезен, то естественно перейти к определению полезной энергии W в (6.5) по следующему выражению:

Для энергетического канала (рис. 6.1), состоящего из источника электроэнергии, передающих и преобразовательных звеньев, рабочего органа, указывается место оценки - между i-м и (i+1)-м звеньями, а также те звенья - отk-ого го до l-ого, в которых учитываются потери. Тогда с учетом (6.5) показатель энергетической эффективности - обобщенный КПД - имеет вид:

где

Верхний индекс указывает временной интервал - от t₁до τ, на котором производится оценка

Рис. 6. 1. Энергетический канал электропривода

Из (6.7) получаются выражения (6.1) и (6.5), однако обобщенный показатель может дать значительно большую информацию. Например, если выбрать местом оценки сечение 0,1 и учесть потери во всех элементах от 1 до n, то при Р_0,1 > 0 получим оценку эффективности потребления энергии на интервале τ. Оценка будет работать и при W_n-1,n = 0, т.е. при отсутствии электромеханического преобразования энергии. При оценке в сечении n-1,n отразит эффективность преобразования энергии, т.е. меру потерь, которыми сопровождается полезная механическая работа, и т.п.

Обобщенный показатель удобен для сравнения по энергетическому критерию различных систем, выполняющих одинаковые функции при относительно сложных режимах работы.

Потери в установившихся режимах

Потери в электрических машинах детально изучаются в соответствующих курсах Основные составляющие потерь в машине:

Общее представление об энергетической эффективности нерегулируемого электропривода дает зависимость КПД двигателя с редуктором от относительной нагрузки. На рис. 6.3 для ориентировки приведена такая зависимость для двигателей средней мощности (15-150 кВт) с хорошим редуктором (КПД больше 0,95).

Рис. 6.3. Типичная зависимость КПД от нагрузки

Необходимо подчеркнуть, что работа с недогрузкой приводит к заметному снижению КПД, поэтому неоправданное завышение мощности двигателя «на всякий случай» - вредно. Так же вредны в соответствии с (6.5) неудачно организованные циклы, когда холостой ход занимает в цикле большое место.

В регулируемом по скорости электроприводе энергетическая эффективность определяется главным образом выбранным способом регулирования, в связи, с чем все способы можно разделить на две большие группы в зависимости от того, изменяется или нет ω_о в процессе регулирования.

К первой группе ω_о = constотносятся все виды реостатного регулирования, а также регулирование асинхронного двигателя с к.з. ротором изменением напряжения при неизменной частоте. Если принять для простоты, что Р_эм≈P₁и ∆Р₂≈ ∆Р_2м,то для этой группы получим:

т.е. потери в роторной (якорной) цепи при любой нагрузке пропорциональны разности скоростей ∆ω(ω_о - ω) или скольжению

При реостатном регулировании лишь часть этих потерь, пропорциональная

рассеивается внутри машины и греет ее. Другая часть, пропорциональная

рассеивается вне машины, ухудшая, разумеется, энергетические показатели электропривода. Именно эта часть в каскадных схемах используется полезно.

Сложнее и неприятнее соотношение (6.9) проявляется в асинхронном электроприводе с к.з. ротором при регулировании изменением напряжения или каким-либо еще «хитрым» способом, но при постоянной частоте. Здесь вся мощность ∆Р₂ = P_1s рассеивается в двигателе, нагревая его и делая способ практически непригодным для продолжительного режима работы.

Интересно, что соотношение (6.9) нельзя «обмануть», хотя такие попытки делались и еще делаются.

К второй группе ω_о = var относятся все «безреостатные» способы регулирования в электроприводах постоянного тока - изменением напряжения и магнитного потока и частотное регулирование в электроприводах переменного тока.

Принципиально способы второй группы энергетически предпочтительны, поскольку в (6.9) разность скоростей ∆ω_о ≈ const, однако следует учитывать, что в устройствах, обеспечивающих ω_о = var, тоже есть потери и при малых мощностях, небольших диапазонах регулирования и немалой стоимости устройств необходимы детальные сопоставления.