ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ЭЛЕКТРО­ПРИВОД

ЭНЕРГЕТИКА АСИНХРОННЫХ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ ПРИ ПАРАМЕТРИЧЕСКОМ УПРАВЛЕНИИ

5.1. СОСТАВЛЯЮЩИЕ ПОТЕРЬ ПРИ РАЗЛИЧНЫХ СПОСОБАХ ПАРАМЕТРИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ

Значение потерь является одной из важнейших характеристик регулируемого электропривода, определяющим его КПД, номи­нальную мощность, допустимый по условиям нагревания момент, число включений и зачастую рациональные области применения различных типов регулируемых электроприводов. Особенно важ­но определение потерь при использовании параметрических спо­собов управления, которые являются неэкономичными и обуслов­ливают увеличение потерь при регулировании скорости.

(5.1)

Без учета добавочных и механических потерь суммарные по­тери в асинхронном двигателе

Д Р2 = АРмІ “Ь Д Рм2APcl “Ь ДРс2,

где ДРм1 (АР м2) потери в меди статора (ротора) j ДРсі (ДРсг) потери в стали статора (ротора).

Потери в меди и стали асинхронной машины могут быть опре­делены, если известны ее параметры, напряжения, приложенные к обмоткам двигателя, и обусловленные ими токи [112—114]. Однако для облегчения расчетов и проведения сравнительного анализа целесообразно располагать формулами для составляю­щих потерь в функции «выходных» параметров электропривода момента и скольжения (скорости) и выразить текущие потери в относительных единицах, приняв в качестве базовых номинальные значения соответствующих составляющих потерь [115, 116].

Рассмотрим электрические потери в обмотках асинхронной машины для различных способов параметрического управления. Если при регулировании переменного напряжения или добавоч­ного сопротивления обеспечивается равномерная загрузка отдель­ных фаз асинхронной машины, то потери в меди статора и ротора с учетом высших гармоник могут быть выражены в следующем виде:

(5.2)

ДРМ1 = 36п1 ДРМ2 = ЗЙ/?ГР,

Запишем выражения для номинальных потерь в меди статора (ДРмш) и ротора (АРm2n) ’

(5.3)

ДРмі* — 3/fw Rx;

АРщ2М = 3/rW R2 = MnQ>cSn.

Используя (4.2), (4.97), (4.98), можно найти зависимость пер­вой гармоники тока статора и ротора от момента и скольжения при регулировании переменного напряжения:

hr* = tnkr s/[(l — о) XsaГг].

ЭНЕРГЕТИКА АСИНХРОННЫХ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ ПРИ ПАРАМЕТРИЧЕСКОМ УПРАВЛЕНИИ

(5.4)

Определим относительные электрические потери в обмотках статора (бмі) и ротора (6мг) при регулировании переменного на­пряжения, используя (5.2) — (5.4):

•Sa/Г

(5.5)

+ (1-Л)

мШ

5; АРmi t,2

= т»- ■ = &ПІЦ

ДР,

— ^п2 Н*

(5.6)

£ ___

М2 — Др

где іx=M/MN=m/mN — относительный момент асинхронного дви­гателя при заданном скольжении s; А — конструктивный коэффи­циент асинхронного двигателя,

Рис. 5.1 подтверждает хорошую сходимость с экспериментом рассчитанных по (5.5), (5.6) значений потерь.

Как показывает анализ [115], при практических расчетах мож­но принимать А примерно равным квадрату относительного зна­чения тока холостого хода статора /0, т. е. Аж (/0//»аг)[1] = /о*2-

ЭНЕРГЕТИКА АСИНХРОННЫХ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ ПРИ ПАРАМЕТРИЧЕСКОМ УПРАВЛЕНИИ

Рис. 5.1. Расчетные (-

экспериментальные (-------------------------- ) за­

висимости потерь в меди обмоток двигателя МТ012-6 (г=1) при ре­гулировании переменного напря­жения

В этом случае ошибка в расчетах даже при больших скольжениях не превышает 10—12%.

При регулировании добавочного сопротивления ротора потери в ме­ди также можно определять с по­мощью (5.5) и (5.6). Однако в этом случае в процессе управления изме­няется значение г и справедливо следующее соотношение [117]:

r=s/se, (5.8)

-) и

где se и s — скольжение на естест­венной и регулировочной характе­ристиках при заданном значении момента.

Считая линейной механическую естественную характеристику в зо­не скольжений 0<se<sN, запишем
ее в следующем виде: ii—se/sN, тогда

r=s/(sNn). (5.9)

С учетом (5.9) получим из (5.5), (5.6) выражения для опре­деления относительных потерь в меди статора и ротора для РДС

6ш = &[Л + (1-Л)^], (5.10)

^М2 = ^П2Н>2. (5-11)

При комбинированном управлении статорными и роторными цепями, когда регулирование момента двигателя осуществляется за счет изменения как Um, так и г, потери в меди статора и рото­ра зависят от выбранного способа комбинированного управления [14—16]. Так, если реализуется условие 6Mi=6M2, то при kn~kn2 получаем:

r = SlSN,

(5.12)

Uт = U їх f-Ц

^мі ~ ^п1 Р*>

5М2 = kn2 JA. J

Используя (3.61), (3.66), получаем выражения для относитель­ных потерь в меди статора и ротора в режиме динамического тор­можения, когда регулирование момента осуществляется за счет изменения Un при г=const [116]:

8М = APJAPmn = I А -2-+ (1 - А)

= hPJAP„2N = (4>/sNr), (5.14)

где &пз=/«//п — коэффициент перегрузки по току статора в режи­ме ДТ; kn4=lrllr—коэффициент перегрузки по току наиболее загруженной фазы ротора в режиме ДТ.

В двигателях с контактными кольцами регулирование момен­та в режиме ДТ может происходить за счет изменения г при Uп =

= const. Принимая механическую характеристику при r= 1 ли­

нейной на участке от о)=сок до со=0, определяем относительные потери в меди статора и ротора для этого случая:

S АРМ1 *,2 2ЛЦк(д, т)% (. к

мі = jrp = «пз---------------------------- ; (о. 10)

мШ о. г

5 , = - ДРм2 = k а2 ^----------------------- (5.16)

м2 др лмг... . „ • V“'* /

m2N, ак(д, т)5лг

(5.13)

В режиме ДТ суммарные потери в меди статора распределя­ются между двумя обмотками, поэтому даже при бмі<СІ, рассчи -

тайном по (5.13), (5.15), потери в одной фазе статора могут ока­заться выше номинальных. В тех случаях, когда режим ДТ не яв­ляется основным в цикле работы электропривода, для определе­ния потерь можно использовать выражения (5.13), (5.15). При необходимости могут быть рассчитаны потери в одной фазе ста­тора (ротора), отнесенные к номинальным потерям в этой фазе.

В расчетные формулы для потерь в меди входят коэффициен­ты kni, которые зависят от скорости и момента двигателя (см. рис. 2.4, 2.23). В [119] приведены выражения для определения kn при использовании различных типов преобразователей в статор­ных цепях. Практика расчетов показывает, что при применении рациональных схем преобразователей можно с достаточной для инженерных расчетов точностью учесть возрастание потерь в ме­ди за счет высших гармоник, если принять коэффициенты пере­грузки одинаковыми и взять /гп2=1,1.

Потери в стали ротора (ДРсг) и статора (APci) при питании асинхронного двигателя несинусоидальным напряжением склады­ваются из потерь в стали по основной гармонике (АРсц, АРсгі) и суммы потерь от высших гармоник (ЕДРси, ЕДРсгг), где і — но­мер гармоники (г>*1).

Потери в стали статора от первой гармоники питающего на­пряжения при неизменной частоте напряжения сети можно запи­сать в следующем виде [19, 54]:

ДРс11=ДРсШ(ЧУ^ЛГ)2, (5.17)

где АРсш — номинальные потери в стали статора.

Используя формулы для модуля обобщенного вектора потоко­сцепления статора (3.9), (3.10) и момента двигателя (4.2), полу­чаем выражение для относительных потерь в стали статора (6сп) при регулировании переменного напряжения:

j ДР oil

^С11 — ~гр Н*

Q411V

«Л/Г

В —Ь (1 — Щ ~г~г . (5.18)

где В — конструктивный коэффициент,

В =-^—5-. (5.19)

аг ~Г

Значение коэффициента В приближается к единице. При прак­тических расчетах, когда не известны параметры двигателя, мож­но брать В = 0,96-^0,98 для двигателей единой серии 4А и В=

= 0,94-г-0,97 для двигателей краново-металлургических серий. При регулировании добавочного сопротивления в роторе

6сіі=ДРсіі/ДРсш=£+(1-£)^2. (5.20)

Так как потери в стали от гистерезиса и вихревых токов про­порциональны квадрату индукции и частоте примерно в степени 1,3 [19, 118], то потери в стали ротора от основной гармоники

ДРж = ДРС2Д, <Wr/4V*)! (fj hNy- (5.21)

где APc2n — номинальные потери в стали ротора; f2=f0s, f2N = = foSN — текущая и номинальная частота тока в роторе.

Используя формулы для модуля обобщенного вектора потоко­сцепления ротора (3.9), (3.11) и момента двигателя (4.2), полу­чаем из (5.21) выражения для относительных потерь в стали ро­тора при разных способах параметрического управления:

РПН

Ъп = #“- = !*•(* Мл-Г: (5.22)

c2N

РДС

„=-^aL = (s/sfl,)1'3. (5.23)

А/с2 N

Если учесть, что магнитный поток пропорционален напряже­нию и обратно пропорционален частоте, то выражения для опре­деления потерь в стали от высших гармоник можно записать в следующем виде [118, 120]:

2 8ет( = APciJV S гЛ^*-0-7; (5.24)

і і

S8al = APc2K^tUi.(St! sN)‘-3t^' (5.25)

І і

где S/=l±(l—s)Ji — скольжение асинхронного двигателя для і-й гармоники. Знак «—» относится к полям прямой последовательно­сти, совпадающим по направлению вращения с полем первой гар­моники, знак «+»— к полям обратной последовательности.

Для определения абсолютных потерь с помощью приведенных выражений необходимо знать номинальные потери в различных элементах машины. Они вычисляются по каталожным данным или через суммарные номинальные потери [104, 121].

Полученные выражения для относительных потерь позволяют произвести в общем виде оценку составляющих потерь для раз­личных способов параметрического управления.

При регулировании переменного напряжения потери в меди статора и ротора зависят от момента и скольжения, возрастая при их увеличении. У короткозамкнутых двигателей (г==1) при р=1 потери в меди обмоток превышают номинальные (бмі>1, ^М2 >1) при s>sN. По мере снижения скорости (возрастании скольжения) происходит значительное увеличение потерь, кото­рые могут превосходить номинальные в несколько раз. Важно также отметить, что для этого способа регулирования при s>sN относительные потери в роторе всегда больше относительных по­терь в статоре, т. е. бМ2>6м1. В табл. 5.1 приведены рассчитанные для двигателя MTF111-6 (sw = 0,105) относительные значения со­ставляющих потерь при различных способах параметрического управления. Так, при скорости, составляющей 25% от синхронной, и ц=1 потери по сравнению с номинальными значениями возра­стают в меди ротора в 7,8 раза, в меди статора — в 4,1 раза. По-

Iі =

0.5

р - =

1,0

Способ

управления

О)

S

®М1

^М2

5си

6С21

^М1

®М2

*«1

8С21

РПН, г = 1

0,895

0,75

0,5

0,25

0

0,105

0,25

0,5

0,75

1,0

0,55

0,79

1,41

2,05

2,75

0,55

1,31

2,6

3,9

5.2

0.5

0,26

0,22

0.25

0,29

0,5

0.64

0.8

0.9

0,98

1.0

1,58

2.82

4,1

5,5

1.0

2,62

5,2

7,8

10,4

1.0

0.52

0.44

0,50

0,58

1.0

1.28

1,60

1,8

1,96

РДС,

Urn— 1

0,895

0,75

0,5

0,25

0

0,105

0,25

0,5

0,75

1.0

0,61

0,671

0,671

0,671

0,671

0.25

0.275

0,275

0,275

0,275

0,96

0,96

0,96

0,96

0,96

1.0

3,08

7.6

13

18

1.0

1,1

1.1

1,1

1.1

1,0

1.1

М

1.1

1,1

1,0

1.0

1.0

1.0

1,0

1,0

3,08

7,6

13

18

ДТ,

г= 1, Un = var

0,895

0,75

0,5

0,25

0,1

0,105

0,25

0,5

0,75

0,9

2,46

2,08

1,42

0,79

0,57

4.6

3.9

2.6 1.3 0.52

4.92

4.16

2,84

1,58

1,14

9.2 7,8

5.2 2,6 1.04

ДТ, иconst,

У'К, д, т—Рк.

г=аг

0,895

0,75

0,5

0,25

0,1

0,105

0,25

0,5

0,75

0.9

2.49

2.49

2.49

2.49

2.49

0,12

0,12

0,12

0,12

0,12

2.49

2.49

2.49

2.49

2.49

0.47

0,47

0,47

0,47

0,47

этому резко падает КПД асинхронной машины. Для обеспечения нормального теплового состояния машины необходимо снижать допустимый момент нагрузки (см. § 5.3), т. е. недоиспользовать машину. Анализ выражений (5.5), (5.6) показывает, что при за­данных моменте и скольжении степень возрастания потерь по сравнению с номинальными уменьшается при увеличении коэф­фициента А и снижении отношения s/sN. Поэтому из коротко - замкнутых двигателей для систем фазового управления наиболее целесообразно использовать двигатели краново-металлургических серий, имеющие относительно высокий ток холостого хода и, сле­довательно, коэффициент А и повышенное значение sN, а также модификации двигателей с повышенным скольжением.

Потери в стали статора и ротора короткозамкнутых двигате­лей также зависят от момента и скольжения. При |i<! 1 значение 6cii<l. Обычно при снижении скорости потери в стали статора также уменьшаются, потери в стали ротора увеличиваются с ро­стом скольжения и могут при r= 1 и 1 и скольжениях, при­ближающихся к единице, в 2—2,5 раза превысить номинальное значение. Однако и в этом случае ДРС2і-<0,1ДРсш, так как АРс2л:< (0,04—0,05)АРсш. При уменьшении момента нагрузки и увеличении скорости потери в стали ротора становятся еще мень­ше, поэтому АРс2і можно не учитывать при практических расче­тах потерь в машине. Вычисление потерь в стали от высших гар­

моник (5.24), (5.25) показывает, что в худшем случае они не пре­вышают (0,03-г-0,04) АРст, что позволяет не учитывать их на фо­не возрастающих потерь в меди обмоток при s>su-

При регулировании добавочного сопротивления в роторе поте­ри в меди обмоток ротора и статора не зависят от скольжения и определяются только моментом. Так, потери в меди ротора, как и в двигателях постоянного тока, связаны с квадратом момента, а потери в меди статора помимо изменяющейся составляющей, определяемой квадратом момента, содержат еще и постоянную со­ставляющую, определяемую практически неизменным током холо­стого хода. Как видно из (5.10), (5.11), при [д,<1 без учета по­терь от высших гармоник 6мі<1, бМ2<1, причем при jid отно­сительные потери в меди статора всегда выше относительных по­терь в меди ротора, т. е. бмі-XW Тот факт, что при моментах, меньших номинального, потери в машине не превышают номи­нального значения (см. табл. 5.1), определяет основное преиму­щество асинхронных электроприводов, регулируемых за счет из­менения добавочного сопротивления в роторе, по сравнению с ко­роткозамкнутыми двигателями, регулируемыми напряжением: в этом случае может быть значительно увеличен допустимый по условиям нагревания момент двигателя, т. е. наиболее полно ис­пользуется габаритная мощность машины. Кроме того, за счет снижения потерь в статорной цепи возрастает КПД электропри­вода (см. кривые 4, 6, рис. 2.18). Потери в стали статора по пер­вой гармонике, как следует из (5.20), практически не изменяются и равны номинальному значению. Потери в стали ротора по пер­вой гармонике зависят от скольжения и возрастают с его увели­чением (5.23), они могут достигнуть значения (0,7-^0,8)APcin при s, приближающемся к единице. Как и при РПН, потери от выс­ших гармоник в стали статора и ротора составляют несуществен­ную долю в суммарных потерях.

В режиме ДТ, когда r=const, а изменяется значение Un, при

о)>s'N(s'N=sNr) 6м2>бмі. Потери в меди короткозамкнутых дви­гателей (г=1) в режиме ДТ относительно невелики в зоне низ­ких скоростей. Они резко возрастают при увеличении скорости (см. табл. 5.1).

Когда при использовании асинхронных двигателей с фазовым ротором в режиме ДТ напряжение Un — const, а регулирование момента осуществляется за счет изменения г, потери в меди ста­тора постоянны и зависят только от выбранного значения (Лк, д,т, а потери в меди ротора зависят от момента двигателя. В реальном диапазоне изменение моментов бмь^бмг-

Анализ составляющих потерь показывает, что при практиче­ских расчетах можно ограничиться вычислением потерь в меди обмоток статора и ротора от основной и высших гармоник и по­терь в стали статора от основной гармоники, так как остальные составляющие потерь незначительны. Потери в стали ротора учи­тываются косвенно, так как потери в меди ротора (5.3) рассчиты­ваются как полные потери скольжения.

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ЭЛЕКТРО­ПРИВОД

Способы регулировки уровня выходной мощности: тиристорные регуляторы

Регулятор мощности тристорного типа используется для оперативного изменения подводимого к нагрузке уровня мощности. Достигается изменения задержки включения за счет задержки момента включения тиристора. Тиристор работает только при наличии сигнала на …

МЕХАНИЗМЫ НЕПРЕРЫВНОГО ДЕЙСТВИЯ

Электроприводы механизмов непрерывного действия работают в продолжительном режиме, поэтому при необходимости регули­рования их скорости целесообразность использования преобразо­вателей напряжения определяется, особенно при управлении ко­роткозамкнутыми асинхронными двигателями, зависимостью мо­мента статической нагрузки от …

МЕХАНИЗМЫ ЦИКЛИЧЕСКОГО ДЕЙСТВИЯ

Задачи удовлетворения электроприводом технологических тре­бований при рассмотрении механизмов указанного класса сводится обычно к необходимости реализации заданной тахограммы повтор­но-кратковременного режима работы (в качестве типовой примем диаграмму скорости рис. 5.2). Для двигателей …

Как с нами связаться:

Украина:
г.Александрия
тел./факс +38 05235  77193 Бухгалтерия
+38 050 512 11 94 — гл. инженер-менеджер (продажи всего оборудования)

+38 050 457 13 30 — Рашид - продажи новинок
e-mail: msd@msd.com.ua
Схема проезда к производственному офису:
Схема проезда к МСД

Контакты для заказов шлакоблочного оборудования:

+38 096 992 9559 Инна (вайбер, вацап, телеграм)
Эл. почта: inna@msd.com.ua