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
Важными энергетическими характеристиками изделия – двигателя, преобразователя, редуктора или электропривода в целом – служит номинальный КПД
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
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.
При передаче по линии с некоторым активным сопротивлением Rл активной мощности Р при cosj ¹ 1 потери DР~ вырастут в сравнении с потерями при передачи той же мощности постоянным током DР= в отношении
Оценки энергетической эффективности электропривода справедливы,, если процесс неизменен во времени. Если же нагрузка заметно меняется во времени, следует пользоваться оценками, определяемыми по энергиям за время t:
.
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 I º M, 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,
где К – постоянные потери,
I и R – ток и сопротивление силовой цепи. Качественное представление о потерях дает рис. 5.1
– 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. 4.1. 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.
Общее представление об энергетической эффективности нерегулируемого электропривода дает зависимость КПД двигателя с редуктором от относительной нагрузки. На рис. 5.2 для ориентировки приведена такая
зависимость для двигателей средней мощности (15-150 кВт) с хорошим редуктором (КПД больше 0,95).
Рис. 4.2. 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 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.