Экологичные технологии
Навигация
Библиотека
Скачать Книги
Поиск по сайту

Главная > Общий курс электропривода > Глава №6. Энергетика

Глава №6. Энергетика

Глава шестая
Энергетика.

6.1. Общие сведения


Основное назначение электропривода – преобразовывать электрическую энергию в механическую и управлять этим процессом. В связи с этим энергетические показатели и характеристики электропривода имеют первостепенное значение, тем более, что электропривод потребляет около 60-65% электроэнергии, производимой в стране.
Любой процесс передачи и преобразования энергии сопровождается ее потерями, т.е. входная мощность Рвх всегда больше выходной Рвых на величину потерь DР, и очень важно, сколь велики эти потери.
Энергетическую эффективность процесса в данный момент обычно оценивают посредством коэффициента полезного действия (КПД), определяемого как
(6.1)
Важными энергетическими характеристиками изделия – двигателя, преобразователя, редуктора или электропривода в целом – служит номинальный КПД
(6.2)
где Рн, DРн – номинальная выходная мощность и номинальные потери,
и зависимость КПД от относительной нагрузки h = f(P/Pн); для регулируемого электропривода часто удобно использовать зависимости h = f(w) при заданном моменте.
В случаях, когда в линии, питающей электропривод, напряжение и ток не совпадают по фазе и имеют несинусоидальную форму, используется еще одна энергетическая характеристика – коэффициент мощности, определяемый как
(6.3)
где Р – активная мощность;
n = I/I(1) – коэффициент искажений;
U, I, I(1)– действующие значения напряжения, тока, первой гармоники тока;
j(1) – угол сдвига между первыми гармониками напряжения и тока.
При небольших искажениях n» 1, т.е.
c » соsj (6.4)
При передаче по линии с некоторым активным сопротивлением Rл активной мощности Р при cosj¹ 1 потери DР~ вырастут в сравнении с потерями при передачи той же мощности постоянным током DР= в отношении

Оценки энергетической эффективности электропривода вида (6.1) справедливы, как отмечалось, лишь, если процесс неизменен во времени. Если же нагрузка заметно меняется во времени, следует пользоваться оценками, определяемыми по энергиям за время t:

и

Для циклических процессов с однонаправленным потоком энергии и временем цикла tц удобным и информативным показателем служит цикловой КПД, определяемый как
(6.5)
где Wц и DWц – полезная энергия и потери энергии за цикл.

6.2. Оценка энергетической эффективности при неоднонаправленных потоках энергии
Изложенное выше относилось к однонаправленным потокам энергии, когда мощность не меняет знак. Вместе с тем, часто встречаются случаи, когда направление потока энергии в цикле изменяется: подъем – спуск, разгон – торможение и т.п. Здесь приведенная выше формула КПД (6.5) становится недостаточной – неочевидно понятие «полезной энергии», интегрирование знакопеременных мощностей лишено смысла. Устранить неопределенность можно, условившись о равноправности всех режимов в цикле, если они необходимы для осуществления технологического процесса и, следовательно, полезны. Так, тормозной режим в транспортном средстве ничем не хуже режима разгона. Удержание руки робота в нужном месте какое-либо время – тоже очень полезное действие.
Если принять, что разнополярный график Р(t) полезен, то естественно перейти к определению полезной энергии W в (6.5) по следующему выражению:
(6.6)
Для энергетического канала (рис. 6.1), состоящего из источника электроэнергии, передающих и преобразовательных звеньев, рабочего органа, указывается место оценки – между i-м и (i+1)-м звеньями, а также те звенья – от k-ого до l–ого, в которых учитываются потери. Тогда с учетом (6.5) показатель энергетической эффективности – обобщенный КПД – имеет вид:
(6.7)
где

Верхний индекс указывает временной интервал – от t1 до t, на котором производится оценка.

Рис. 6.1. Энергетический канал электропривода
Из (6.7) получаются выражения (6.1) и (6.5), однако обобщенный показатель может дать значительно бóльшую информацию. Например, если выбрать местом оценки сечение 0,1 и учесть потери во всех элементах от 1 до n, то при Р0,1 > 0 получим оценку эффективности потребления энергии на интервале t. Оценка будет работать и при Wn-1,n = 0, т.е. при отсутствии электромеханического преобразования энергии. При оценке в сечении n-1, n отразит эффективность преобразования энергии, т.е. меру потерь, которыми сопровождается полезная механическая работа, и т.п.
Обобщенный показатель удобен для сравнения по энергетическому критерию различных систем, выполняющих одинаковые функции при относительно сложных режимах работы.

6.3. Потери в установившихся режимах
Потери в электрических машинах детально изучаются в соответствующих курсах. Основные составляющие потерь в машине:

  • потери в обмотках (потери в меди),
  • потери в магнитопроводе (потери в стали),
  • потери в трущихся частях (потери механические).

Для нерегулируемого электропривода первую составляющую, пропорциональную I2, относят к переменным потерям, поскольку IºM, а последний определяется моментом сопротивления, т.е. зависит от технологического процесса. Две другие составляющие относят условно к постоянным потерям, так как потери в магнитопроводе определяются практически неизменными амплитудой и частотой магнитной индукции, а механические потери – практически неизменной скоростью. Таким образом, для нерегулируемого электропривода в первом приближении можно считать
DР = К + I2R, (6.8)
где К – постоянные потери,
I и R – ток и сопротивление силовой цепи.
Более детальное качественное представление о потерях дает рис. 6.2
– диаграмма потерь при передаче энергии от электрического источника Р1 = 3UфIфcosj (или Р1 = UI для электропривода постоянного тока) к вращающейся нагрузке Р2 = Мw. На диаграмме указана также электромагнитная мощность Рэм = Мw0 – мощность в воздушном зазоре машины.

Рис. 6.2. Энергетическая диаграмма электрической машины
В принятых нами моделях электропривода для удобства предполагалось, что момент на валу равен моменту электромагнитному, а момент, связанный с потерями DМ, отнесен к моменту сопротивления Мс. Это допущение, существенно упрощающее все этапы анализа и синтеза электропривода, не вносит ощутимых погрешностей в результаты в подавляющем большинстве случаев, поскольку сами потери сравнительно невелики. Разумеется, в редких специальных случаях, когда либо потери значительны, либо их аккуратный учет представляет почему-либо самостоятельную задачу, нужно пользоваться более полными и точными моделями.
Общее представление об энергетической эффективности нерегулируемого электропривода дает зависимость КПД двигателя с редуктором от относительной нагрузки. На рис. 6.3 для ориентировки приведена такая
зависимость для двигателей средней мощности (15-150 кВт) с хорошим редуктором (КПД больше 0,95).

Рис. 6.3. Типичная зависимость КПД от нагрузки
Необходимо подчеркнуть, что работа с недогрузкой приводит к заметному снижению КПД, поэтому неоправданное завышение мощности двигателя «на всякий случай» – вредно. Так же вредны в соответствии с (6.5) неудачно организованные циклы, когда холостой ход занимает в цикле большое место.
В регулируемом по скорости электроприводе энергетическая эффективность определяется главным образом выбранным способом регулирования, в связи с чем все способы можно разделить на две большие группы в зависимости от того, изменяется или нет w0 в процессе регулирования.
К первой группе w0 = const относятся все виды реостатного регулирования, а также регулирование асинхронного двигателя с к.з. ротором изменением напряжения при неизменной частоте. Если принять для простоты, что Рэм » Р1 и DР2 » DР2м, то для этой группы получим:
(6.9)
т.е. потери в роторной (якорной) цепи при любой нагрузке пропорциональны разности скоростей Dw (w0 – w) или скольжению
При реостатном регулировании лишь часть этих потерь, пропорциональная рассеивается внутри машины и греет ее. Другая часть, пропорциональная рассеивается вне машины, ухудшая, разумеется, энергетические показатели электропривода. Именно эта часть в каскадных схемах используется полезно.
Сложнее и неприятнее соотношение (6.9) проявляется в асинхронном электроприводе с к.з. ротором при регулировании изменением напряжения или каким-либо еще «хитрым» способом, но при постоянной частоте. Здесь вся мощность DР2 = Р1s рассеивается в двигателе, нагревая его и делая способ практически непригодным для продолжительного режима работы.
Интересно, что соотношение (6.9) нельзя «обмануть», хотя такие попытки делались и еще делаются.
К второй группе w0 = var относятся все «безреостатные» способы регулирования в электроприводах постоянного тока – изменением напряжения и магнитного потока и частотное регулирование в электроприводах переменного тока.
Принципиально способы второй группы энергетически предпочтительны, поскольку в (6.9) разность скоростей Dw » const, однако следует учитывать, что в устройствах, обеспечивающих w0 = var, тоже есть потери и при малых мощностях, небольших диапазонах регулирования и немалой стоимости устройств необходимы детальные сопоставления.

6.4. Потери в переходных режимах
Как было показано ранее (п.5.2), переходные процессы при быстрых изменениях воздействующего фактора могут сопровождаться большими бросками момента и тока, т.е. значительными потерями энергии. Поставим задачу оценить величину потерь энергии в переходных процессах и найти связи между потерями и параметрами электропривода. Будем учитывать только потери в активных сопротивлениях силовых цепей двигателя, так как именно эта составляющая общих потерь заметно возрастает в переходных процессах.
Анализ проведем лишь для переходных процессов, отнесенных ранее к первым двум группам (п.п. 5.2 и 5.3) и начнем с важного частного случая, когда фактор, вызывающий переходный процесс, изменяется мгновенно, а процесс протекает в соответствии со статическими характеристиками (п. 5.2).
Потери энергии в цепи ротора или якоря за время переходного процесса tпп определяются с учетом (6.9) как
(6.10)
Для переходного процесса вхолостую (Мс = 0) будем иметь:
(6.11)
Подставив (6.11) в (6.10) и сменив пределы интегрирования, получим:

После интегрирования получим окончательно
(6.12)
Этот результат универсален, очень прост и очень важен: потери энергии в якорной или роторной цепи за переходный процесс вхолостую (Мс = 0) при «мгновенном» появлении новой характеристики зависят только от запаса кинетической энергии в роторе при w0 и от начального и конечного скольжений. При пуске и динамическом торможении они составят при торможении противовключением , при реверсе Ни форма механической характеристики, ни время переходного процесса, ни какие-либо параметры двигателя, кроме J и w0, не влияют на потери в роторе.
Если в асинхронном двигателе пренебречь током намагничивания и считать, что то Тогда а общие потери энергии в асинхронном двигателе при этих условиях составят
(6.13)
Переходный процесс – очень напряженный в энергетическом отношении режим: потери энергии в десятки раз выше, чем за то же время в установившемся режиме.
Для того чтобы оценить потери энергии в переходном процессе под нагрузкой Мс ¹ 0 (другие условия сохраняются), примем, что Мс = const и М = Мср = const, – этот случай был детально рассмотрен в п. 5.2; для пуска графики w(М) и w(t) показаны на рис. 6.4. Тогда Р1 = Мсрw0, Р2 = Мсрw, D Р = Р1 – Р2 (рис. 6.4), а потери энергии определяется в соответствии с (6.10)
заштрихованным треугольником, т.е.

или с учетом tпп = Jw0/(Мср – Мс)
. (6.14)

Рис. 6.4. Механические характеристики и потери энергии при пуске
При торможении нагрузка будет снижать потери:
(6.15)
Из изложенного следуют возможные способы снижения потерь энергии в переходных процессах:

  • уменьшение момента инерции за счет выбора соответствующего двигателя и редуктора или за счет замены одного двигателя двумя половинной мощности;
  • замены торможения противовключением динамическим торможением или использование механического тормоза;
  • переход от скачкообразного изменения w0 к ступенчатому; при удвоении числа ступеней будет вдвое сокращаться площадь треугольников, выражающих потери энергии;
  • плавное изменение w0 в переходном процессе.

Рассмотрим подробнее последний способ, реализуемый практически в системах управляемый преобразователь – двигатель.
При плавном изменении w0 в переходном процессе, как это было показано в п. 5.3, должны уменьшаться потери энергии. Это иллюстрируется на рис. 6.5, где сравниваются два случая – прямой пуск вхолостую (а) и частотный пуск вхолостую за время t1 >>Tм, т.е. при ускорении (б) – заштрихованные площади.
При прямом пуске, как уже отмечалось, потери энергии в якорной или роторной цепи определяется площадью заштрихованного треугольника на рис. 6.5,а и составят

При плавном пуске потери определятся площадью заштрихованной на рис. 6.5,б трапеции:
(6.16)
Отметим, что выражение (6.16), полученное при аппроксимации реальной кривой скорости (см. п. 5.3) прямой линией справедливо лишь при t1 >>Tм; при иных условиях следует использовать более точные модели.
Из изложенного следует, что уменьшая e, т.е. увеличивая время переходного процесса и снижая момент, можно управлять потерями энергии, снижая их до любой требуемой величины.

а) б)
Рис. 6.5. Потери при прямом (а) и плавном (б) пуске

6.5. Энергосбережение средствами электропривода
Громадная доля электроэнергии, потребляемая электроприводом, – до 65% в развитых странах, и осуществление электроприводом практически всех технологических процессов, связанных с движением, делают особенно актуальной проблему энергосбережения в электроприводе и средствами электропривода. В мировой практике к настоящему времени сформировалось несколько основных направлений, по которым интенсивно ведутся исследования, разработки, осуществляются крупные промышленные проекты.

    • В нерегулируемом электроприводе, реализованном на основе асинхронных электродвигателей с к.з. ротором, много внимания уделяется так называемым энергоэффективным двигателям, в которых за счет увеличения массы активных материалов, их качества, а также за счет специальных приемов проектирования удается поднять на 1–2% (мощные двигатели) или на 4-5% (небольшие двигатели) номинальный КПД при некотором увеличении цены двигателя.

    Этот подход, используемый и активно рекламируемый с 70-х годов сначала в США, затем в Европе, может приносить пользу, если технологический процесс действительно не требует регулирования скорости, если нагрузка меняется мало и если двигатель правильно выбран. Во всех других случаях использование более дорогих энергоэффективных двигателей может оказаться нецелесообразным.

    1. Правильный выбор двигателя для конкретного технологического процесса – один из важнейших путей энергосбережения. В европейской практике принято считать, что средняя загрузка двигателей составляет 0,6, тогда как в нашей стране, где до недавнего времени не было принято экономить ресурсы, этот коэффициент составляет 0,3 – 0,4, т.е. привод работает с КПД значительно ниже номинального. Завышенная «на всякий случай» мощность двигателя часто приводит к незаметным на первый взгляд, но очень существенным отрицательным последствиям в обслуживаемой электроприводом технологической сфере, – например, к излишнему напору в гидравлических сетях, связанному с ростом потерь и снижением надежности и т.п.
    2. Основной путь энергосбережения средствами электропривода – подача конечному потребителю – технологической машине – необходимой в каждый момент мощности. Это может быть достигнуто посредством управления координатами электропривода, т.е. за счет перехода от нерегулируемого электропривода к регулируемому. Этот процесс стал в последние годы основным в развитии электропривода в связи с появлением доступных технических средств для его осуществления – преобразователей частоты и т.п.
    3. Выбор рациональных в конкретных условиях типов электропривода и способов управления, обеспечивающих минимизацию потерь в силовом канале, – важный элемент в общей проблеме энергосбережения.

    Ожидается, что переход от нерегулируемого электропривода к регулируемому в технологиях, где это требуется, может сэкономить до 25-30% электроэнергии. В одной из технологий – в водо- воздухоснабжении – переход к регулируемому электроприводу, как показал опыт, экономит около 50% электроэнергии, до 25% воды и до 10% тепла.