Потери в установившихся режимах. Основное назначение электропривода – преобразовывать электрическую энергию в механическую и управлять этим процессом

Общие сведения

Основное назначение электропривода – преобразовывать электрическую энергию в механическую и управлять этим процессом. В связи с этим энергетические показатели и характеристики электропривода имеют первостепенное значение, тем более, что электропривод потребляет около 60-65% электроэнергии, производимой в стране.

Любой процесс передачи и преобразования энергии сопровождается ее потерями, т.е. входная мощность Р_вх всегда больше выходной Р_вых на величину потерь DР, и очень важно, сколь велики эти потери.

Энергетическую эффективность процесса в данный момент обычно оценивают посредством коэффициента полезного действия (КПД), определяемого как

Важными энергетическими характеристиками изделия – двигателя, преобразователя, редуктора или электропривода в целом – служит номинальный КПД

где Р_н, DР_н – номинальная выходная мощность и номинальные потери,

и зависимость КПД от относительной нагрузки h = f(P/P_н); для регулируемого электропривода часто удобно использовать зависимости h = f(w) при заданном моменте.

В случаях, когда в линии, питающей электропривод, напряжение и ток не совпадают по фазе и имеют несинусоидальную форму, используется еще одна энергетическая характеристика – коэффициент мощности, определяемый как

где Р – активная мощность;

n = I/I₍₁) – коэффициент искажений;

U, I, I₍₁₎ – действующие значения напряжения, тока, первой гармоники тока;

j₍₁₎ – угол сдвига между первыми гармониками напряжения и тока.

При небольших искажениях n» 1, т.е.

c» соsj.

При передаче по линии с некоторым активным сопротивлением R_л активной мощности Р при cosj ¹ 1 потери DР_~ вырастут в сравнении с потерями при передачи той же мощности постоянным током DР₌ в отношении

Оценки энергетической эффективности электропривода справедливы,, если процесс неизменен во времени. Если же нагрузка заметно меняется во времени, следует пользоваться оценками, определяемыми по энергиям за время t:

.

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

- потери в обмотках (потери в меди),

- потери в магнитопроводе (потери в стали),

- потери в трущихся частях (потери механические).

Для нерегулируемого электропривода первую составляющую, пропорциональную I², относят к переменным потерям, поскольку I º M, а последний определяется моментом сопротивления, т.е. зависит от технологического процесса. Две другие составляющие относят условно к постоянным потерям, так как потери в магнитопроводе определяются практически неизменными амплитудой и частотой магнитной индукции, а механические потери – практически неизменной скоростью. Таким образом, для нерегулируемого электропривода в первом приближении можно считать

DР = К + I²R,

где К – постоянные потери,

I и R – ток и сопротивление силовой цепи. Качественное представление о потерях дает рис. 5.1

– диаграмма потерь при передаче энергии от электрического источника Р₁ = 3U_фI_фcosj (или Р₁ = UI для электропривода постоянного тока) к вращающейся нагрузке Р₂ = Мw. На диаграмме указана также электромагнитная мощность Р_эм = Мw₀ – мощность в воздушном зазоре машины.

Рис. 4.1. Энергетическая диаграмма электрической машины

В принятых нами моделях электропривода для удобства предполагалось, что момент на валу равен моменту электромагнитному, а момент, связанный с потерями DМ, отнесен к моменту сопротивления М_с. Это допущение, существенно упрощающее все этапы анализа и синтеза электропривода, не вносит ощутимых погрешностей в результаты в подавляющем большинстве случаев, поскольку сами потери сравнительно невелики.

Общее представление об энергетической эффективности нерегулируемого электропривода дает зависимость КПД двигателя с редуктором от относительной нагрузки. На рис. 5.2 для ориентировки приведена такая

зависимость для двигателей средней мощности (15-150 кВт) с хорошим редуктором (КПД больше 0,95).

Рис. 4.2. 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 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 w₀ в процессе регулирования.