Логотип Инфоурока

Получите 30₽ за публикацию своей разработки в библиотеке «Инфоурок»

Добавить материал

и получить бесплатное свидетельство о размещении материала на сайте infourok.ru

Инфоурок Другое Другие методич. материалыЛекция на тему: Потери мощности и энергии в электроприводе

Лекция на тему: Потери мощности и энергии в электроприводе

Скачать материал
библиотека
материалов

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 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 .

hello_html_4df9fa18.png

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 Рл 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


hello_html_m3b6f2c18.png


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 Аа к пол¬ной или кажущейся энергии Ап в соответствии с формулой


hello_html_95edd47.pnghello_html_m4bfa4c06.png


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 Ра и реактивная Q мощности применительно к установившемуся режиму работы трехфазного АД могут быть рассчитаны по следующим формулам


hello_html_1fcaf8fc.pnghello_html_47327090.png

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) Рр 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.


hello_html_7daf82e4.png

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 Мс = 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:


hello_html_5a3892ca.png

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?

8



  • Если Вы считаете, что материал нарушает авторские права либо по каким-то другим причинам должен быть удален с сайта, Вы можете оставить жалобу на материал.
    Пожаловаться на материал
Скачать материал
Найдите материал к любому уроку,
указав свой предмет (категорию), класс, учебник и тему:
также Вы можете выбрать тип материала:
Проверен экспертом
Общая информация
Скачать материал

Вам будут интересны эти курсы:

Курс повышения квалификации «Подростковый возраст - важнейшая фаза становления личности»
Курс профессиональной переподготовки «Библиотечно-библиографические и информационные знания в педагогическом процессе»
Курс повышения квалификации «Основы местного самоуправления и муниципальной службы»
Курс повышения квалификации «Организация практики студентов в соответствии с требованиями ФГОС технических направлений подготовки»
Курс повышения квалификации «Маркетинг в организации как средство привлечения новых клиентов»
Курс профессиональной переподготовки «Организация менеджмента в туризме»
Курс профессиональной переподготовки «Организация маркетинга в туризме»
Курс повышения квалификации «Методы и инструменты современного моделирования»
Курс профессиональной переподготовки «Организация технической поддержки клиентов при установке и эксплуатации информационно-коммуникационных систем»
Курс повышения квалификации «Актуальные вопросы банковской деятельности»
Курс профессиональной переподготовки «Методика организации, руководства и координации музейной деятельности»
Курс профессиональной переподготовки «Техническая диагностика и контроль технического состояния автотранспортных средств»
Курс повышения квалификации «Международные валютно-кредитные отношения»
Курс профессиональной переподготовки «Управление качеством»

Оставьте свой комментарий

Авторизуйтесь, чтобы задавать вопросы.