Потери электроэнергии в переходных процессах электропривода и способы их снижения

Размещено на http://www.allbest.ru/

Потери электроэнергии в переходных процессах электропривода и способы их снижения

В переходных режимах протекающие по обмоткам двигателя токи существенно превышают номинальные значения и вызывают повышенные потери энергии, т.е. дополнительный нагрев двигателя. Особенно большое значение определения потерь электроэнергии в переходных процессах имеет для электроприводов, у которых динамический режим является основным или занимает заметное время в течение цикла (электропривода прокатных станов, подъёмных кранов, шахтных подъёмных машин).

Потери энергии за время переходного процесса

,

где и - потери энергии обусловленные соответственно постоянными и переменными потерями мощности.

Обычно принимают, что постоянные потери мощности не меняются за время переходного процесса

.

Точное вычисление интеграла переменных потерь во многих случаях оказывается затруднительным из-за того, что необходимо знать закон изменения токов двигателя в переходном процессе i(t) и располагать данными об изменении R. Более удобно выражать потери электроэнергии в переходных процессах, если переменные потери мощности представить через механические величины.

Мощность переменных потерь в ДПТ

,

где - относительный перепад скорости.

С учетом уравнения движения электропривода

.

Потери энергии

Принимаем М_с=0. Заменяем на

.

Изменим предел интегрирования. Моменту времени t=0 будет соответствовать s = s_нач, а времени t_пп - соответствовать s = s_кон

.

Определим потери энергии при пуске, реверсе и торможении двигателей.

При пуске двигателей вхолостую _нач=0, _кон=щ₀. Тогда (рис. 1)

.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 1

Потери энергии при пуске равны запасу кинетической энергии, которая будет запасена к концу пуска в движущихся частях электропривода.

Для динамического торможения s_нач=0, s_кон= 1 (рис. 2)

.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 2

При динамическом торможении весь запас кинетической энергии превращается в потери энергии, выделяемые в двигателе в виде тепла.

Для режима противовключения _нач=₀ и _кон=0 .Тогда s_нач=2 , s_кон=1 (рис. 3)

.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 3

При противовключении потери энергии равны тройному запасу кинетической энергии электропривода.

Для режима реверса _нач=₀ , . Тогда s_нач=2, s_кон=0 и потери энергии составят (рис. 4)

.

Рис. 4

Потери энергии равны сумме потерь при торможении противовключением и пуске.

Потери энергии в роторе АД выражаются также, как и для цепи якоря ДПТ независимого возбуждения. Потери энергии в меди статора АД выразим через потери мощности

.

Полные потери энергии в АД

.

Потери в роторе АД не зависят от его сопротивления, в то время как потери в статоре АД обратно пропорциональны сопротивлению ротора.

Для определения потерь энергии при работе двигателя под нагрузкой необходимо вычислить выражение

.

В общем виде решение затруднено, т.к. момент нагрузки и скорость могут быть нелинейными функциями времени. Для упрощения примем M_с=const, тогда

.

Для определения потерь необходимо знать аналитическое выражение изменения скорости во времени. Если выражение сложное, то для определения интеграла используется графоаналитический метод (рис. 5).

Рис. 5

Интеграл представляет собой площадь, ограниченную кривой , осью времени и вертикальной линией t=t_пп. Заштрихованная на рисунке площадь

.

Тогда потери запишем в виде

.

Таким образом, для нахождения потерь энергии в якоре ДПТ и роторе АД при M_с=const следует определить потери энергии при M_с=0, выполнить построение зависимости и, найдя площадь F_п, определить вторую составляющую потерь.

Для определения потерь в статоре АД найденные потери в роторе умножаются на отношение сопротивлений цепей статора и ротора

,

После чего определяются суммарные потери АД

.

Анализ полученных соотношений определяет два основных способа снижения потерь электроэнергии в переходных процессах:

уменьшение момента инерции электропривода;

регулирование скорости идеального холостого хода в переходных процессах.

Уменьшить момент инерции привода можно следующими способами:

применением малоинерционных электродвигателей, имеющих пониженный момент инерции якоря или ротора (увеличена длина якоря и уменьшен диаметр);

рациональным конструированием механической передачи (выбором оптимального передаточного числа редуктора, рациональных размеров и форм элементов механической передачи и конструкционных материалов);

заменой одного двигателя двумя, имеющими половинную мощность заменяемого двигателя (суммарный момент инерции меньше момента инерции одного двигателя на полную мощность). Например, два двигателя типа 4АН200 мощностью по 45 кВт имеют суммарный момент инерции . Двигатель 4АН250 мощностью 90 кВт на туже скорость имеет момент инерции 3,53 , что почти на 30% больше.

Наиболее эффективным средством снижения потерь является реализация управляемых переходных процессов. Рассмотрим самый простой способ управления пуском, когда скорость идеального холостого хода задается в два этапа. Такой пуск возможен при использовании двухскоростного АД (рис. 6).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 6

Потери энергии в роторе АД при прямом пуске на характеристику II
с учетом s_нач=1, s_кон=0

.

Потери энергии при ступенчатом пуске при разгоне по характеристике I (первая ступень пуска) с учетом s_нач=1, s_кон=0,

.

Потери энергии при разгоне по характеристике II (вторая ступень пуска) с учетом s_нач=0,5, s_кон=0

.

Суммарные потери при двухступенчатом пуске

.

Потери сократились вдвое по сравнению с пуском в одну ступень. Отметим, что снижение потерь энергии в роторе вызывает снижение потерь в статоре АД. Если скорость идеального холостого хода в переходном процессе имеет n ступеней регулирования, потери энергии в роторе уменьшаются в n раз

,

где - максимальная скорость идеального холостого хода, соответствующая последней ступени.

При плавном задании скорости идеального холостого хода потери снижаются в 2T_м/t_пп раз. Чем медленнее разгон, тем меньше момент, потери мощности, суммарные потери за время пуска. Однако это справедливо при отсутствии потерь, связанных с наличием статической нагрузки, которые увеличиваются с ростом времени пуска.

потеря энергия электропривод редуктор

Размещено на Allbest.ru