Переходных процессов электроприводов

Для определения способов снижения потерь в переходных режимах рассмотрим пример пуска вхолостую асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором. На рис.9.2,а представлена механическая характеристика двигателя с большими пусковым и критическим моментами, которую можно без существенной погрешности аппроксимировать прямоугольной – со средним моментом пуска M_ср и нулевым скольжением.

Процесс пуска вхолостую при этом будет протекать с постоянным ускорением ε_п=М_ср/J =const и временем пуска t_п=ω₀/ ε_п=J· ω₀/ М_ср.

Потери в роторной цепи при пуске по уравнению (9.28) составят:

(9.29)

На рис.9.2,б показаны переходные процессы изменения электромагнитной мощности, передаваемой ротору, мощности на валу и мощности потерь при пуске со средним моментом М_ср.

Электромагнитная энергия (без постоянных потерь), переданная ротору за время пуска W_эм=М_ср·ω₀·t_п=J·ω²₀ на рис.9.2,б показана пропорциональной площадью прямоугольника.

Механическая энергия на валу двигателя в конце пуска определяется запасенной кинетической энергией W₂= J·ω²₀ /2.

а) б)

Рис.9.2 Характеристики асинхронного двигателя:

а) – механические; б) - переходные процессы изменения мощностей

Потери энергии, как интеграл по времени от мощности скольжения, равны значению кинетической энергии и показаны на рис.9.2,б пропорционально заштрихованной площадью. Наглядно видно, что половина потребленной за время пуска энергии затрачена на увеличение запаса кинетической энергии в движущихся массах привода, а вторая половина выделилась в виде потерь скольжения на сопротивлениях роторной цепи.

Если выполнить пуск двигателя с рассмотренной механической характеристикой со сниженным вдвое пусковым моментом, электромагнитная мощность и ускорение привода снижаются вдвое, а время пуска вдвое возрастает, как показано на рис.9.2,б. Потребление энергии и потери в роторе двигателя (потери скольжения) не зависят от пускового момента двигателя.

Существуют 3 основных способа снижения потерь энергии при пуске двигателей:

1. Снижение момента инерции

Так как потери энергии в переходных процессах электропривода зависят от запаса кинетической энергии, запасаемой в механической части электропривода, то снижение кинетической энергии электропривода W_кин=J·ω₀²/2 возможно за счет снижения суммарного приведенного к валу двигателя момента инерции J.

При неизменном моменте инерции механизма следует выбирать двигатели с якорем (ротором) большей длины и меньшего диаметра –двигатели краново-металлургической серии. Возможно применение двухдвигательного электропривода с двумя двигателями половинной мощности.

2. Замена тормозных режимов более экономичными

Как было установлено в предыдущем разделе, тормозные режимы значительно отличаются один от другого потерями энергии. Так, например, торможение протививключением следует в целях снижения потерь заменять способами димнамического торможения или заменять механическим способом.

3. Снижение синхронной скорости вращения двигателя

При этом пуск осуществляется ступенчатым изменением скорости идеального холостого хода. Так, например, в многоскоростном асинхронном двигателе, как показано в разделе 5.5, переключением обмоток фаз статора при пуске по схеме «звезда – двойная звезда» можно вдвое уменьшить число пар полюсов, т е. ступенчатым образом увеличить вдвое синхронную скорость поля с w₀ до 2w₀.

В электроприводе с двигателями постоянного тока с независимым возбуждением возможно изменение схемы включения якорных цепей с последовательной на параллельную при неизменном номинальном потоке возбуждения, как описано в разделе 8.2.1.

На рис.9.3 показаны переходные процессы изменения мощности потерь скольжения при пуске с изменением синхронных скоростей вращения.

Рис.9.3 Переходные процессы при пуске со ступенчатым

изменением синхронных скоростей вращения двигателя

При пуске вхолостую за время t_п/2 до скорости ω=0,5ω₀ электромагнитная мощность равна Р_эм=М_ср· (0,5ω₀), а потери энергии за этот период составят:

На втором участке пуска синхронная скорость увеличивается до ω₀. На этом участке ω_нач=0,5 ω₀ и ω_кон = ω₀, поэтому в соответствии с (9.17) или (9.24) потери также составят и суммарные потери за время ступенчатого пуска будут равны 0.5W_кин, т.е. вдвое меньше, чем при прямом пуске.

4. Непрерывное управление скоростью идеального холостого хода

Если пренебречь электромагнитной инерцией, момент двигателя постоянного тока или асинхронного двигателя в пределах линейной части механической характеристики можно формировать в переходном процессе, управляя соответственно напряжением на якоре или частотой тока статора:

М=β(ω₀ – ω).

Для этого используют простой способ управления - переходные процессы электропривода при линейном нарастании ω₀, рассмотренные в разделе 7.4. Такой процесс пуска вхолостую представлен на рис.7.7, где показаны зависимости ω₀(t), ω(t), M(t).

При работе в пределах линейной части механической характеристики мощность потерь в цепи якоря или ротора асинхронного двигателя определяется соотношением ∆Р₂=Р_эм - Р₂=М·ω₀ - М·ω=М²/β (рис.9.4,а).

На рис.9.4,б показаны переходные процессы мощностей при прямом пуске двигателя с идеальной (прямоугольной) механической характеристике. На рис.9.4,в для сравнения показаны переходные процессы холостого режима пуска двигателя, соответствующие рис.7.7, при линейном изменении w₀. Для упрощения анализа потерь при пуске двигателя в уравнениях ω₀(t), ω(t), M(t) принято, что t₁>>T_м, тогда момент двигателя изменяется скачком в пределах 0-М_п-0, а скорость двигателя по линейному закону без учета влияния T_м , т.е. с постоянным ускорением (ε=ε₀=const)/

а) б) в)

Рис. Механические характеристики (а)

и потери при прямом (а) и плавном (б) пуске

При прямом пуске, как уже отмечалось, потери энергии в якорной или роторной цепи определяется площадью заштрихованного треугольника на рис. 9.4,б, и составляют ∆W₂=J·(ω₀)²/2.

При плавном пуске потери определяются площадью заштрихованной фигуры на рис.6.5,в:

(9.30)

Следует отметить, что выражение (9.30), полученное при аппроксимации реальной кривой скорости (см. рис.7.7) прямой линией справедливо лишь при t₁ >> T_м; при иных условиях следует использовать более точные модели.

Таким образом, уменьшая e, т.е. увеличивая время переходного процесса и снижая момент, можно управлять потерями энергии, снижая их до любой требуемой величины.

При определении потерь энергии в цепях якоря или ротора двигателя в переходных режимах под нагрузкой (М_с¹0) уравнения оказываются громоздкими, неудобными для практического использования. Для оценки влияния статической нагрузки можно принять, что в сравнении с режимом переходного процесса при М_с=0 переходный процесс под нагрузкой отличается лишь длительностью. При М=М_п=const время пус

Время пуска под нагрузкой

торможения под нагрузкой

Потери энергии при пуске и торможении под нагрузкой можно определить (9.31)

---

Дата добавления: 2015-07-15