Лекция на тему: Потери мощности и энергии в электроприводе

Тема: Потери мощности и энергии в электроприводе

ПЛАН ЛЕКЦИИ

1 Потери мощности в установившемся режиме работы электропривода

2 КПД электропривода

3 Коэффициент мощности электропривода

4 Способы снижения потерь энергии в ЭП в переходных режимах

Задание:  

- Изучить материал лекции и ответить на контрольные вопросы (см. лекция с.9 )

- Изучить самостоятельно и составить краткий конспект по вопросу: «Способы снижения потерь энергии в ЭП в переходных режимах»

- Готовое задание выслать на рецензию

ЛЕКЦИЯ

Главное назначение ЭП заключается в обеспечении движения исполнительных органов рабочих машин и механизмов и управле­нии этим движением. Однако при этом совсем не безразлично, какой ценой это достигается, т. е. какое потребление электроэнер­гии, какие потери, как ЭП влияет на сеть и другие электроприемники. Оценка этих свойств ЭП осуществляется с помощью так называемых энергетических показателей, к числу которых относятся коэффициент полезного действии (КПД), коэффициент мощности (cosφ), потери мощности  и энергии . Иногда к этим показателям относят потребляемые из сети и полезные мощность и энергию.

Эти показатели широко используются как при создании новых, так и оценке работы уже действующих ЭП. Очевидно, что предпочтение должно быть отдано тому ЭП, который, обеспечивая заданный технологический процесс рабочей машины или механизма, имеет более высокие по сравнению с другими вариантами энергетические показатели.

Эти же показатели позволяют оценить и эффективность уже работающих ЭП. В том случае, когда они оказываются существенно худшими по сравнению с номинальными, правомочна постановка вопроса о модернизации ЭП или о проведении мероприятий по их повышению. Отметим, что решение о модернизации ЭП должно приниматься только на основании экономического расчета, предусматривающего сопоставление дополнительных капитальных затрат на модернизацию с сокращением эксплу­атационных расходов за счет повышения КПД и cosφ.

Подчеркнем, что обеспечение высоких энергетических показателей работы ЭП весьма актуально в настоящее время, когда экономия энергетических и материальных ресурсов превратилась в задачу первостепенной важности.

1 Потери мощности в установившемся режиме работы электропривода

Потери мощности . Эти потери в электродвига­теле составляют основную долю потерь в ЭП а обычно представляются суммой постоянных К и пе­ременных V потерь

ΔP = K+V                                                                (1.1)

Под постоянными подразумеваются потери мощности, не зависящие от токов двигателя. К ним относятся потери в стали магнитопровода, механичес­кие потери от трения в подшипниках и вентиляци­онные потери. Для СД и двигателя постоянного тока с независимым возбуждением к постоянным потерям относят потери в обмотках возбуждения.

Строго говоря, постоянные потери в действитель­ности не являются неизменными, а зависят от скорости двигателя, амплитуды и частоты питающего его напряжения. Однако, поскольку постоянные по­тери изменяются незначительно, они обычно принимаются неизменными и равными номинальным постоянным потерям.

Под переменными подразумеваются потери, выделяемые в обмотках двигателей при протекании по ним тока, зависящего от механической нагрузки ЭП.

Для двигателя постоянного тока переменные потери мощности

                                      (1.2)

где   —кратность тока; 

 —номинальные переменные потери мощности; 

—номи­нальный ток двигателя; 

 —сопротивление обмоток.

Для трехфазных асинхронных двигателей

             (1.3)

Для синхронных двигателей

                           (1.4)

Как видно из выражений (1.2 — 1.4), независимо от вида двигателя переменные потери в нем определяют­ся номинальными потерями и кратностью тока.

Полные потери мощности в двигателе с учетом (1.2)-(1.4)

                                  (1.5)

где   —коэффициент потерь (для большинства двигателей нормального исполнения в зависимости от номинальных мощности и скорости двигателей коэффициент  колеблется в пределах 0,5—2). Потери мощности при работе двигателя в номинальном режиме  определяются по паспорт­ным данным двигателя следующим образом:

                                           (1.6)

где —номинальный КПД

Постоянные потери мощности находятся как

                                                    (1.7)

Потери энергии установившемся режиме работы электропривода

Потери энергии. За время работы  двигателя с постоянной нагрузкой потери энергии

                                                            (1.8)

При работе двигателя с циклически изменяющейся нагрузкой

                                 (1.9)

где   — потери мощности и время работы на i-м участке цикла;

 — число отдельных участков цикла; 

 — время цикла.

Потери мощности и энергии в преобразователе

Эти потери являются электрическими и определяю по формулам (1.2)  и (1.8).

При использовании управления двигателями полупроводниковых преобразователей эти потери складываются из потерь в вентилях, трансформаторах, сглаживающих и уравнительных реакторах, фильтрах и элементы устройств искусственной коммутации. Потери в полупроводниковых элементах преобразователей обычно относительно малы. При расчете потерь в трансформаторах и реакторах берется сопротивление обмоток или используется эквивалентное сопротивление преобразователя, определяемое форму 

2 Коэффициент полезного действия электроприводов

В общем случае, когда ЭП работает с разлитыми скоростями и нагрузками на валу как в уста­новившемся, так и переходном режимах, КПД определяется

                (1.10)

где   — полезная и потребленная энергия;

  — потери энергии в ЭП; 

 — полезная меха­ническая мощность ЭП на  i-м участке цикла; 

 —  потери мощности в ЭП на i-м участке цикла; 

п — число участков работы ЭП.

Рассчитанный по (1.10) КПД называют цикловым или средневзве­шенным.

Если ЭП работает в неизменном режиме с посто­янной мощностью, то формула (1.10) упрощается и принимает вид

                                                             (1.11)

КПД ЭП как электромеханической системы опре­деляется произведением КПД преобразователя  и управляющего  устройства, электродвигателя и механической передачи 

                                                      (1.12)

Определяя по общей формуле (1.10) КПД от­дельных элементов ЭП, затем по (1.12) находится КПД ЭП в целом.

Наиболее значимым и определяющим в выраже­нии (1.12) является КПД двигателя, который рас­смотрим подробнее.

Рисунок 1, а иллюстрирует закономерность измене­ния номинального КПД электрических двигателей постоянного и переменного тока в зависимости от их номинальной мощности  и скорости .

Рисунок 1 – Графики зависимости номинального КПД от номинальной мощности АД (а) и КПД от кратности нагрузки двигателя (б): 1 – АД серии А2; 2 – АД серии 4А =105 рад/с; 3-АД серии 4А =314 рад/с

Таким образом, более мощные и высокоскоростные двигатели характеризуются и более высокими номинальными КПД.

КПД отдельного двигателя зависит от развива­емой им полезной механической мощности на валу. При малых нагрузках КПД двигателя небольшой (рис. 1,б), по мере увеличения нагрузки он растет, достигая максимального значения при мощ­ности, близкой к номинальной. Способы повышения КПД двигателей сводятся к следующему: ограничение времени работы двига­теля на холостом ходу; обеспечение нагрузки двига­теля при его работе, близкой к номинальной, в том числе путем замены малозагруженного двигателя на двигатель меньшей мощности (такая замена должна быть обоснована экономически я проведена только в том случае, когда капитальные затраты на модер­низацию ЭП окупятся за счет сокращения эксплу­атационных расходов) и применение регулятора эко­номичности.

3 Коэффициент мощности электропривода

ЭП, подключаемые к сети переменного тока, потребляют из нее активную Р_л и реактивную Q мощности. Активная мощность рас¬ходуется на полезную работу ЭП и покрытие потерь в нем, а реак¬тивная мощность, обеспечивая создание электромагнитных полей двигателя и других его элементов, непосредственно полезной рабо¬ты не совершает. Отметим, что в отношении реактивной мощности точнее говорить не о потреблении ее, а об обмене (циркуляции) между сетью и двигателем.

Работа ЭП, как и любого другого потребителя активной и реак¬тивной энергии, характеризуется коэффициентом мощности

где S - полная (или кажущаяся) мощность

Угол φ, как известно из электротехники, определяет сдвиг фаз между напряжением сети и током ЭП: если он потребляет реактивную мощность, то сдвиг фаз  и 1

Если ЭП реактивную мощность не потребляет, то  и 1.

ЭП, потребляя реактивную мощность, нагружает ею систему электроснабжения, вызывая дополнительные потери напряжения и энергии в ее элементах. По этой причине всегда следует стремиться к обеспечению максимально возможного cos ф ЭП как одного из основных энергетических показателей его работы.

Если ЭП работает в каком-то цикле при различных нагрузках или скоростях в установившемся и переходном режимах, то он как потребитель реактивной энергии характеризуется средневзвешен¬ным или цикловым коэффициентом мощности, который определя¬ется отношением потребленной активной энергии за цикл А_а к пол¬ной или кажущейся энергии А_п в соответствии с формулой

       

Коэффициентом мощности характеризуется работа ЭП с двига­телями переменного тока (АД и СД), а также системы ЭП постоян­ного тока «управляемый выпрямитель - двигатель постоянного тока».

Коэффициент мощности АД. Активная Р_а и реактивная Q мощ­ности применительно к установившемуся режиму работы трехфаз­ного АД могут быть рассчитаны по следующим формулам

     

  и 

На рисунке 2, а приведены зависимости номинального коэффици­ента мощности АД от различных номинальных мощностей  чисел пар полюсов р (кривая 1 при р=1, кривая 2 при р=4). Характерным для них является более высокое значение для двигателей с большими номинальными мощностями и скоростями вращения.

Для большинства АД ~ 0,8...0,9. Для этих значений Q = (0,5...0,75) Р_р т.е. АД на каждый киловатт активной мощности потребляет из сети 0,5...0,75 кВА реактивной мощности и чем ниже , тем большую реактивную мощность потребляет АД из сети, загружая ее дополнительным током и вызывая дополнительные потери.

Рисунок 2 - Зависимости номинального коэффициента мощности АД от различных номинальных мощностей (а), зависимость коэффициента мощности от кратности меха­нической нагрузки для АД серии 4А при различных номи­нальных значениях

Коэффициент мощности АД существенно зависит от его нагруз­ки. При холостом ходе АД коэффициент мощности невелик, так как при этом относительно велика доля реактивной мощности по срав­нению с активной. По мере увеличения нагрузки АД возрастает и , достигая своего максимального значения примерно в облас­ти ее номинальных значений. Зависимость  от кратности меха­нической нагрузки для АД серии 4А при различных номи­нальных значениях  приведена на рис. 2, б,

АД являются основными потребителями реактивной мощности в системе электроснабжения, поэтому повышение коэффициента их мощности представляет собой важную технико-экономическую за­дачу. В настоящее время существуют несколько способов повыше­ния  АД.

Замена малозагруженных АД двигателями меньшей мощности, что иллюстируется кривыми 7...3, построенными соответственно при  = 0,9; 0,8 и 0,6 (см. рис. 2, б). При замене АД меньшей мощности будет работать в области больших нагрузок с более вы­соким . Напомним, что и КПД полностью загруженного двигателя будет высоким. Замена двигателя, как любая модернизация ЭП, должна быть экономически обоснована.

Ограничение времени работы АД на холостом ходу, т.е. работы с низким  Для этого двигатель отключается от сети при его ра­боте вхолостую автоматически или оператором.

Понижение напряжения питания АД, работающих с малой или переменной нагрузкой. При этом уменьшаются потребляемый из сети ток и реактивная мощность и повышается . Реализация этого способа осуществляется с помощью регулятора напряжения или, когда это возможно, переключением обмоток ста­тора со схемы треугольника на звезду, что приводит к снижению напряжения на обмотке каждой фазы в раз.

Замена АД на СД, когда это возможно по условиям технологи­ческого процесса рабочей машины и экономически обосновано.

Коэффициент мощности системы «управляемый выпрямитель-дви­гатель постоянного тока» (УВ - ДПТ). Так как в этой системе напря­жение на якоре двигателя регулируется задержкой открытия венти­лей управляемого выпрямителя, происходит сдвиг фазы тока ЭП по отношению к напряжению сети и он начинает потреблять реактив­ную мощность из сети. Кроме того, работа системы УВ - ДПТ вызы­вает искажение синусоидальной формы напряжения системы элект­роснабжения, оказывая вредное воздействие на другие ЭП, что выражается в повышенном нагреве электродвигателей, снижении их мощности и КПД, усилении вибрации и шума при работе.

Искажение синусоидальной формы напряжения приводит к по­явлению высших гармоник напряжения, которые нарушают нор­мальную работу других потребителей электроэнергии, устройств автоматики, защиты и сигнализации, создает помехи в линиях свя­зи. Несинусоидальность напряжений и токов приводит к допол­нительным погрешностям измерительных приборов, а также ока­зывает отрицательное воздействие и на батареи конденсаторов, при­меняемых для компенсации реактивной мощности, вызывая их пе­регрузку по току и напряжению.

где   - коэффициент искажения;

 - действующее значение потребляемого из сети тока;

 - действующее значение первой гармоники этого тока;

 - соответственно углы управления и коммутации вентилей

Коэффициент мощности системы УВ - ДПТ определяется двумя факторами: углом сдвига основной первой гармоники потребля­емого из сети тока  относительно напряжения сети и коэффициен­том искажения v этого же тока:

Из приведенных выражений следует, что коэффициент мощнос­ти вентильного ЭП постоянного тока зависит от скорости двигате­ля, определяемой углом управления вентилей , и его нагрузки, определяющей угол коммутации . Снижение скорости (увеличение диапазона регулирования) или увеличение нагрузки приводит к уменьшению коэффициента мощности ЭП. Анализ зависимости  вентильного ЭП от относительной скорости  при номинальной нагрузке на валу двигателя (рис. 3, а) показывает, что уменьшение коэффициента мощности происходит пропорцио­нально снижению скорости, т.е. увеличению диапазона регулиро­вания. Это видно также и из следующего приближенного выраже­ния для коэффициента мощности при регулировании скорости:

где  - ЭДС преобразователя;

 - скорость идеального холостого хода, соответствующая

При регулировании скорости с одинаковым временем работы двигателя на каждой скорости при М_с = const зависимость средне­взвешенного циклового коэффициента мощности  от диапа­зона регулирования D показана на рис. 3, б.

Повышение коэффициента мощности и уменьшение несинусои­дальности напряжения сети при работе системы УВ - ДПТ может быть достигнуто несколькими способами:

Рисунок 3 - Зависимость  вентильного ЭП от относительной скорости  при номинальной нагрузке на валу двигателя (а), зависимость средне­взвешенного циклового коэффициента мощности  от диапа­зона регулирования D (б)

- за счет применения фильтрокомпенсирующих и фильтросимметрирующих устройств, обеспечивающих одновременно компенсацию реактивной мощности, фильтрацию высших гармоник и уменьше­ние отклонений напряжения по фазам. Эти устройства целесооб­разно размещать в узле подключения ЭП к электрической сети. Состоят они из управляемого компенсатора, обеспечивающего ре­гулирование реактивной мощности и выполняемого обычно на ос­нове специального тиристорного преобразователя, и энергетического фильтра, который служит для фильтрации высших гармоник тока ЭП, а также компенсации реактивной мощности. Энергети­ческие фильтры представляют собой последовательные индуктив­но-емкостные резонансные цепи, настроенные на частоты высших гармоник вентильных ЭП (нагрузок). Число параллельно включен­ных резонансных цепей фильтров должно быть таким, чтобы коэф­фициент несинусоидальности напряжения был не более 5%. Для каждой высшей гармоники используется свой фильтр;

- путем использования традиционных компенсирующих уст­ройств, к числу которых относятся синхронные двигатели и ком­пенсаторы, батареи конденсаторов, а также тиристорные источ­ники реактивной мощности. Синхронные двигатели являются эф­фективным и удобным средством компенсации реактивной мощ­ности в системе электроснабжения. Выполняя свою основную функцию приводного электродвигателя, СД одновременно мо­гут генерировать в сеть реактивную мощность, т.е. работать с опережающим , что обеспечивается соответствующим регу­лированием их тока возбуждения. Синхронные ком­пенсаторы представляют собой СД, работающие без нагрузки. Их основная функция состоит только в регулировании реактив­ной мощности в системе электроснабжения. Конденсаторы по своему действию эквивалентны перевозбужденным СД, по срав­нению с другими источниками реактивной мощности они имеют такие преимущества, как малые потери этой мощности, просто­та монтажа и эксплуатации. К их недостаткам следует отнести зависимость генерируемой мощности от напряжения, недостаточ­ную стойкость при перегрузках по току и напряжению, а также ухудшение их работы в сетях с повышенным содержанием выс­ших гармоник. Тиристорные источники реактивной мощности строятся с использованием преобразователей, имеющих искус­ственную коммутацию вентилей. Такой преобразователь имеет на стороне выпрямленного тока реактор (индуктивный накопи­тель энергии) или батарею конденсаторов (емкостный накопи­тель энергии). Сочетание преобразователя с реактивным элемен­том позволяет создать устройство для регулирования реактив­ной мощности в системе энергоснабжения;

- путем использования специальных законов управления УВ и спо­собов коммутации их вентилей, к числу которых относятся пооче­редное и несимметричное управление преобразователями, а также искусственная коммутация вентилей преобразователей.

Контрольные вопросы

1 Как можно оценить влияние ЭП на сеть и другие электроприемники?

2 Какие показатели позволяют оценить и эффективность уже работающих ЭП?

3 Какие потери в электродвигателе составляют основную долю потерь?

4 Запишите формулу для определения потерь мощности и поясните ее.

5 Какие потери относятся к постоянным, а какие – к переменным?

6 Как определяют­ся переменные потери в двигателе, независимо от вида двигателя?

7 Из чего складываются потери при использовании управления двигателями полупроводниковых преобразователей?

8 Как определяется КПД ЭП как электромеханической системы?

9 Перечислите способы повышения КПД двигателей

10 Как влияет ЭП на систему электроснабжения, потребляя реактивную мощность?

11 Как зависит потребление реактивной мощности АД из сети от cosφ и чем оно характерно?

12 От чего зависит коэффициент мощности АД?

13 Перечислите известные Вам способы повышения cosφ АД

14 Как влияет на систему электроснабжения работа системы УВ – ДПТ?

15 От чего зависит коэффициент мощности вентильного ЭП постоянного тока?

16 Какими способами может быть достигнуто повышение коэффициента мощности и уменьшение несинусои­дальности напряжения сети при работе системы УВ – ДПТ?