ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ЭЛЕКТРО­ПРИВОД

ПОТЕРИ В УСТАНОВИВШИХСЯ И ПЕРЕХОДНЫХ РЕЖИМАХ

Полученные выражения для составляющих потерь позволяют рассчитать мощность и энергию потерь в асинхронном двигателе при работе как в продолжительном, так и в повторно-кратковре­менном режиме.

Для механизмов непрерывного действия характерным являет­ся Продолжительный режим работы С ПОСТОЯННОЙ скоростью СОу [29], которая может изменяться в широких пределах. Для спосо­бов управления, связанных с регулированием переменного или по­стоянного напряжения, изменение скорости приводит к изменению мощности потерь в установившихся режимах. ЕсЛи задано значе­ние соу и известна зависимость іхс=}(а>)у то мощность отдельных составляющих потерь может быть определена при подстановке в ранее приведенные выражения ц=цс, со=соу и соответствующего этой скорости скольжения, которое может быть связано с задан­ным диапазоном регулирования скорости £) = со^/соу:

s=[D=F(l+Siv)]/A (5.26)

где знак «—» используется при регулировании скорости в первом квадранте, знак «+»— при регулировании скорости в четвертом квадранте.

При использовании для механизмов с реактивным моментом нагрузки короткозамкнутых асинхронных двигателей регулирова­ние скорости параметрическим способом может быть осуществле­но только за счет изменения переменного напряжения, что, как указывалось ранее, приводит к резкому увеличению потерь сколь­жения, которые выделяются в машине. Применение двигателей с фазовым ротором и невыключаемым добавочным сопротивлени­ем позволяет, как видно из (5.5), (5.6), снизить потери в асин­хронном двигателе за счет увеличения s'N=s^r. Максимальное использование установленной мощности асинхронного двигателя за счет снижения потерь в машине может быть обеспечено при регулировании скорости изменением добавочного сопротивления в роторе.

У механизмов с активным статическим моментом пониженная скорость может быть получена при работе электропривода в тор­мозном режиме — противовключении (ПВ) или динамическом торможении. Анализ (5.5), (5.6), (5.13), (5.14) показывает, что при работе короткозамкнутых двигателей в четвертом квадранте потери в меди статора и ротора в режиме ДТ значительно мень­ше, чем при противовключении, и разница в потерях возрастает при снижении скорости СОу [116]. Это указывает на целесообраз­ность использования режима ДТ для получения пониженных ско­ростей механизмов с активным моментом нагрузки.

При регулировании скорости в четвертом квадранте за счет из­менения г у двигателей с фазовым ротором потери в меди ротора практически всегда меньше номинальных, потери же в меди ста­
тора при ДТ больше, чем в режиме ПВ, эта разница возрастает с увеличением Цк, д,т И уМЄНЬПІЄНИЄМ |Llc.

Таким образом, при регулировании скорости механизмов с ак­тивным моментом целесообразно по условиям нагревания ис­пользовать режим ДТ для асинхронных двигателей с коротко - замкнутым ротором и режим противовключения с регулированием добавочного сопротивления в роторе для асинхронных двига­телей с контактными кольцами [116].

Максимальная скорость может быть обеспечена при работе асинхронного двигателя на естественной механической характери­стике. Принимая (ic—s/sN и kn2=l, из (5.5), (5.18) получаем вы­ражения для потерь в асинхронном двигателе при работе в уста­новившемся режиме на естественной характеристике:

Д^мі = [А + (1 — А) [хс2] АРміы

m2N ^ (5-27)

АРС11 = [В + (1-В) jxc2] APciyv.

Как видно из (5.27), в этом случае электромагнитные потери АРэм« ДРміН-АРм2+АРсіі зависят только от статического мо­мента.

Как указано в ряде публикаций [44—46, 114, 122], при работе недогруженных (|хс<С1) асинхронных короткозамкнутых двигате­лей с реактивным статическим моментом в зоне номинальной ско­рости целесообразно обеспечить работу двигателя на регулиро­вочной характеристике (t/md). При этом незначительно умень­шается скорость двигателя, но удается снизить потери в машине по сравнению с работой на естественной характеристике. В этом случае АРэм = /(цс> s) и можно определить оптимальное значение скольжения (Soht), обеспечивающее минимум электромагнитных потерь. Хотя в выражении для составляющих АРЭМ (5.6), (5.7) ВХОДЯТ коэффициенты kul и kn2, связанные нелинейной зависимо^ стью с s и [Ас, диапазон их изменения для схемы ЗТТ незначителен (см. рис. 2.4), что позволяет принять их постоянными и равными друг другу (kni = kn2 = ku) при отыскании экстремума функции АРэм.

Тогда

Г Aki?^PMlN + BAPc1N

І / її мі /V » СШ___________ /Г оО

/ (1 — A)k„*APMI/ + *„sAPu2JV + (1 — Я)ДРсідг • W'ZO>

Расчеты показывают, что изменение kn2 в диапазоне 1—1,1, не оказывает существенного влияния на значение 50пт-

Как видно из (5.28), значение sonT не зависит от (хс, что позво­ляет легко реализовать его в замкнутых САР скорости, решая од­новременно технологические требования по регулированию асин­хронного двигателя и обеспечивая снижение энергопотребления при работе электропривода в зоне номинальной скорости. Для разных типов асинхронных двигателей sonT= (0,5-^0,9)Siv и опре - 12* 179

деляется в основном коэффициентом А, поэтому большие значе­ния sonT имеют двигатели краново-металлургических серий, а с ростом номинальной мощности двигателя s0пт обычно уменьша­ется.

Двигатель может работать с оптимальным скольжением, если ^<s0nT/s./v, в этом случае по сравнению с работой на естествен­ной характеристике уменьшаются потери в меди и стали статора и возрастают потери в меди ротора, однако их перераспределение таково, что электромагнитные потери при sonT меньше, чем при se. Разница в потерях АРэм тем больше, чем меньше и боль­ше А. Так, при работе в установившемся режиме с ^ic~0,05 зна­чения ДРЭМ для двигателей краново-металлургических серий мо­гут быть снижены в 5—8 раз, а для двигателей единой серии в 3— 6 раз.

Электромагнитный КПД асинхронного двигателя [121]

т]эм=Р2/(Р2+АРэм) (5.29)

при этом может возрасти соответственно в 2—3 или 1,5—2 раза. Для иллюстрации этих выводов в табл. 5.2 приведены значения отдельных составляющих потерь, электромагнитных потерь и г]ьм при работе двигателей в установившемся режиме с различны­ми скольжениями sy. Помимо sy=se и Sy=s0nT, проанализирова­ны потери и для случая, когда в установившемся режиме двига­тель работает на регулировочных характеристиках при sy—sN.

Потери АРмі и АРм2> приведенные в табл. 5.2, вычислены для S0nT И SN С учетом значения коэффициентов knl и &П2, приведенных В [119] и зависящих при заданной скорости от отношения момен­тов двигателя на естественной и регулировочной характеристиках. Как видно из табл. 5.2, для двигателей краново-металлургических серий, когда s0nT~sN, потери и КПД при sonT и sN довольно близ­ки по значению, что позволяет в ряде случаев реализовать режи­мы с минимизацией потерь в машине, задавая и поддерживая в САР скорости значение o)yi = o)iv (syi = sw).

Экспериментальные исследования показывают, что значения потерь и КПД, определенные опытным путем при работе на ес­тественной и регулировочных характеристиках, близки к расчет­ным значениям.

Для обеспечения работы механизмов с активным статическим моментом в зоне установившейся номинальной скорости наиболее целесообразно (по условиям нагревания) использовать режим ре­куперативного торможения (РТ) на естественной характеристике. Для этого случая

5мі = ASn! I SNp I +0 I SNp I Pc/sN>

где Sjvp — номинальное скольжение на естественной характеристи­ке в режиме рекуперативного торможения.

Электроприводы механизмов циклического действия работают в повторно-кратковременном режиме (ПКР), типовая тахограмма которого приведена на рис. 5.2. Кроме участков пуска и торможе­ния в ней также присутствуют участки работы на установившей­ся скорости fiyi в зоне ее номинального значения и на установив­шейся пониженной скоростью Йу2.

Такой график скорости характерен, в частности, для позицион­ных электроприводов, причем при использовании замкнутых САУ с контуром положения участок работы на доводочной понижен­ной скорости может быть исключен (/у2 = 0).

Используя выражения для продолжительности включения гра­фика нагрузки Єгр=£р/£ц(^р=£п+^т+^уі+^у2) и относительного времени работы на пониженной скорости ЙУ2 [И5]

а также зная число циклов Z, отрабатываемых электроприводом в 1 ч, получаем:

При расчете потерь энергии в пускотормозных режимах, реа­лизуемых в замкнутых САУ с обратной связью по скорости, бу­дем считать, что на всем участке разгона (торможения) обеспе­чивается движение с постоянным ускорением (замедлением), т. е. |ап| = |6Т| =е, и динамический момент электропривода М/= = const

(5.33)

где /=/д+/м — момент инерции электропривода, равный сумме моментов инерции двигателя (/д) и механизма (/м). Время разго­на (торможения) от нуля до скорости fiyi

Іц £^уі/ Є J fiy i/TV! j k jOyl J |J, j,

где kj=J/MN — коэффициент динамичности электропривода.

Потери энергии в пускотормозных режимах можно опреде­лить, используя ранее полученные выражения для мощности по­терь. При этом необходимо учитывать, что в зависимости от зна­чения заданного ускорения, момента инерции электропривода, а также от значения и направления действия момента статической нагрузки двигатель при пуске (торможении) может развивать как двигательный, так и тормозной момент.

Приведем выражения для потерь энергии в меди статора (AU? mi), ротора (A1Fm2/) и стали статора (А№сп) в переходных процессах для различных способов параметрического управления при = const.

I. Пускотормозные процессы, протекающие в двигательном ре­жиме работы асинхронной машины, при изменении скорости от £2 = 0 до Йуь

РПН

где syi=l—coyi, |ід — момент при работе в двигательном режиме; 182

РДС

bWMaB=APMNt„,„kn* [А + (1-А) |V]; (5.38)

АИ^м2дв = АРм2іУ^п, п^п2Цд2 j (5.39)

АІ^сіідв=АРсш^п. п ВЛ~ (1—В)^2], (5.40)

где /п, п — время переходного процесса.

Значение [ід определяется следующим образом:

1) разгон электропривода, jic направлен против направления вращения (реактивный момент), |лд= ||х^|-|-1|лс|;

2) разгон электропривода, рс совпадает с направлением вра­щения (активный момент), ||Xj| > |цс|, Мд=||А/|— ||лс|;

3) торможение электропривода, хс направлен против направ­ления вращения, | |лс |-> I |, Мд=|^с| — ||лу|.

И. Пускотормозные процессы, протекающие в режиме проти - вовключения асинхронного двигателя, при изменении скорости от £2=0 до Qyi:

РПН

д Лу/ ^П2^/Нт^сА^м1ДГ

X [4^-(3-4syl-f s21)-f^sArrln(2 —5yl)j; (5.41)

<3-4V + ^,)°

= ^^-a(3-4syl + 4i); (5.42)

k, nTQcAPclN j - ^ _ 4Syi _|_ S2J BSfj r in (2 __ 5yi) f (5.43)

Iі/

где p, T — момент двигателя при работе в тормозном режиме;

РДС

В этом случае для определения потерь энергии используют вы­ражения (5.38) — (5.40) с той лишь разницей, что вместо [хд под­ставляют момент цт.

III. Пускотормозные процессы, протекающие в режиме дина­мического торможения асинхронного двигателя, при изменении скорости от £2 = 0 до £2yi:

РВН

дде, ^п^/Мт^оД^мІА' I I — А

гО— syiY + AsNrln I 20 (І — Syl) I J;

(5.44)

дm _ v2 &п2цт/2са s2 /с л

AUWt =----------------------------------- (!-V - 2[jiyr ( '

183

В (5.44) принимают нижний предел скорости Q = 0,05fic вме­сто Q = 0;

РДС

дwm, T = дjw„. А* 2>К1Л,1"Л'; (5.46)

аг

№т, т = Д Лалг<„. AV —!а—. (5.47)

ГК(д, т)*Л'

Значение |1т определяется следующим образом: 1) торможение электропривода, |хс направлен против направления вращения,

I Цс | < | м-z I» | м-j |—I i^c I;

2) торможение электропривода, цс совпадает с направлением вращения, |1Т= | (ij | + | |дс |;

3) разгон электропривода, jic совпадает с направлением вра­щения электропривода, |цс|.> ||Л/|, *хт= |цс| — т-

Для расчета потерь в пускотормозных режимах необходимо задавать значение syi (coyi), зависящее от типа регулятора САР скорости или вида естественной характеристики. Однако при сравнительных расчетах и оценке влияния различных параметров электропривода на значение энергии потерь можно для унифика­ции принимать syi = sN, что не внесет большой погрешности в ре­зультаты вычислений.

Энергия потерь в пускотормозных режимах зависит от /, |ic, /п(^т), вида тормозного режима и характера момента статической нагрузки. Помимо общих закономерностей, характеризующих эти потери (например, возрастание энергии потерь при увеличении момента инерции), укажем особенности, обусловленные реализа - цией пускотормозных режимов в замкнутых САУ, в частности при х, = const.

Анализ показывает, что суммарная энергия потерь за пуск и торможение (А^п, т) для короткозамкнутых двигателей, управляе­мых напряжением, определяется при tn = tT соотношением (ІС и (X/.

Если используется режим ДТ и выполняется условие [Хс/(1/<1, то при изменении |1с/м7 от 0 до 1 значение AWVt остается прак­тически постоянным. Это означает, что изменение интенсивности торможения при заданном (ic или статического момента при за­данном (л/ не оказывает влияния на Att? n,T, если (ic<C|iy.

Если при ^c/fx/Cl реализуется режим торможения противо- включением, то при реактивном статическом моменте (|ic, p) с рос­том отношения (1С/(1/ потери AWn. T уменьшаются, т. е. при задан­ном (ьіс интенсификация переходных процессов приводит к увели­чению пускотормозных потерь в машине. Аналогичная тенденция наблюдается при уменьшении статического момента, если |i/= = const. В электроприводах с активным статическим моментом (Ис. а) При торможении ПрОТИВОВКЛЮЧЄНИЄМ (ПВ) С ростом |Лс/М7 потери возрастают, причем они всегда больше, чем при |іс>р для тех же значений р, с/(і/. Количественное соотношение потерь иллю­стрирует табл. 5.3, в которой приведены суммарные электромаг­нитные потери AU7n, T)3M=AWn, T,Ml+AU7n,1,M2+^W7n, T,cl для двигате-

ля MTF111-6 при разных способах параметрического управления и разных значениях |яу и |лс. Расчеты выполнены при Qyi=Qw, /= =/д, tu = tT.

Следует подчеркнуть, что у короткозамкнутых двигателей по­тери при торможении противовключением значительно больше, чем при динамическом торможении, и потери AlFn, T возрастают в 1,5—2 раза (см. табл. 5.3). Поэтому наиболее предпочтитель­ным является режим ДТ.

Когда |j, c/|Х/ —— 1 (fxc=(xy), то при торможении с |ic, p и при раз­гоне с |1с, а требуемая интенсивность переходного процесса обеспе­чивается только за счет статического момента, а двигатель момен­та не развивает, находясь в отключенном состоянии. Следователь­но, на этих участках тахограммы потери в машине отсутствуют.

При fxc>(j,/ и реактивном моменте двигатель работает в дви­гательном режиме при торможении; если момент активный, то двигатель работает в тормозном режиме при разгоне. В этих слу­чаях энергия потерь Д№п, т возрастает при увеличении ц, с/|о./.

При использовании двигателей с контактными кольцами, управляемых изменением добавочного сопротивления в роторе, значение Л^п. т, как правило, возрастает с увеличением времени переходных процессов. Причем при использовании торможения противовключением потери в пускотормозных режимах обычно меньше, чем для режима ДТ. Поэтому для двигателей с фазовым ротором целесообразно применять торможение противовключени­ем, которое к тому же наиболее просто реализовать в рассматри­ваемом случае. Как видно из табл. 5.3, пускотормозные потери в двигателях, управляемых изменением г, могут быть в несколько раз меньше, чем в короткозамкнутых двигателях. Энергия потерь на участках /Уі и ty2 тахограммы рис. 5.2 при заданных значе­ниях установившейся скорости fiyi и fiy2 (Qy2=fijv/D) рассчиты­вается путем умножения мощности соответствующих составляю­щих потерь на время работы с заданной скоростью.