Какие потери мощности происходят при работе электродвигателя

Потери и КПД асинхронного электрического двигателя

Во время превращения одной энергии в другую в электродвигателе в виде теплоты неустанно рассеивается их часть. Это и называется потерей. Потери могут быть фиксированными и переменными, а также делятся на еще несколько подвидов.

Постоянные потери асинхронной машины

Трехфазный асинхронный электропривод переменного тока может иметь два вида потерь:

1. Постоянный вид.
2. Переменный вид потерь.

Фиксированные – это те, что не изменяются, если электромотор работает полностью исправно и с нормальной нагрузкой. Их можно получить и в результате холостого прогона агрегата. Они делятся на еще три подвида потерь:

1. В стали (а еще железа или сердечника).
2. Механические.
3. Расходы при трении щеток.

В стали

Такой вид потерь в стали, в свою очередь, может быть гистерезисным или расходом вихревого электротока. Второй типа можно эффективно минимизировать, если использовать наслоение на сердечник. С применением наслоения сокращается участок, что ведет к увеличению сопротивления, а значит сокращение вихревых токов неизбежно.

Первый же тип, гистерезисный, уменьшают, пользуясь высококачественной сталью, в составе которой есть кремний. Почему? Любая потеря связана с частотой напряжения, поступающего в двигатель. Статорная частота всегда подающая, обозначается как f, а вот частотность якоря – это проскальзывание s. Оно умножается на подающую (sf). Якорная частота, в асинхронной машине, надо заметить, всегда будет ниже статорной.

Показатель подающей частоты равен 50 Гц, а вот якорная составляет приблизительно 1,5 Гц. Так получается по той простой причине, что величина проскальзывания равна лишь 3% для нормального рабочего состояния привода. Поэтому и расход в роторе относительно малы, в сравнении с потерей в статоре. Потерями роторного сердечника, обычно, можно спокойно пренебречь.

Механический тип потерь. Трение щеток

Механический вид – это расходы, возникающие в подшипниках, а трения щеток имеют место во всех асинхронных электромоторах, ротор которых обмотан. При запуске машины они являются нулевыми. С увеличением скорости работы агрегата, они тоже растут. В трехфазном движке скорость принимает определенное значение и не меняется на протяжении всего рабочего цикла. Поэтому и данные потери в нем всегда будут постоянными.

Переменный вид потерь

Другое название – расходы меди. Появляются они из-за того, что электроток идет по статорным и роторным обмоткам. При смене нагрузки на движок, электроток тоже меняет значение, что ведет и к изменению величины потерь меди. Это и послужило источником их названия. Получить их можно, если провести тест трехфазного агрегата при заблокированном роторе.

Главная задача асинхронной машины заключается в преобразовании электроэнергии в механическую силу. Пока происходит такая трансформация, одна энергия становится другой, она проходит несколько разных этапов. Эту проходящую ступени преобразования энергию можно изобразить с помощью диаграммы.

Частично двигатель использует ее, чтобы поддерживать статорные расходы: стали и меди. Та часть, которая остается сохранной, поступает к якорю в качестве входа на ротор.

Из этого следует, что вход на ротор равен статорным потерям (P2 = Pin). Теперь сохранившаяся входная энергия должна пройти преобразование и стать механической. Однако, механическим выходом она стать не может, так как он поддерживает потери.

Как мы уже поняли, роторные потери можно разделить на две группы: меди и железа. Последние ничтожно малы, настолько, что ими можно пренебречь. Это связано с тем, что они зависят от роторной частоты, а она составляет примерно 1,5 Гц.

Следуя из вышесказанного, можно смело утверждать, что ротор обладает лишь потерями меди. Так вот, после именно ее поддержки не преобразованная часть электроэнергии, которая осталась становиться механической. Ее обозначают как Pm.

После всего этого, новопреобразованая сила отправляется на нагрузку, чему помогает вал. Но на этом этапе неизбежны уже механические расходы. В их число входит трение и сопротивление в воздухе. Поэтому общая механическая энергия, которая воспроизводиться в электродвигателе обязательно уходит, чтобы поддерживать эти потери.

Так что образованная в итоге энергия отправляется на вал мотора. Ее, в конце концов, подают нагрузке. Обозначается это как Pout. Она носит название энергии вала или, по-другому, полезная.

Pout это и есть механические потери Pm. Они связаны с сопротивлением в воздухе и трением.

Потери мощности и КПД в трехфазном приводе переменного тока

Итак, потери в двигателе могут механическими, магнитными или электрическими.

От питающей сети на статорную обмотку происходит подача мощности Р1. Одна ее часть идет в расход, чтобы покрыть магнитные потери в статорном сердечнике рс1. Используется она и в статорной обмотке, чтобы поддержать электропотери из-за нагретой намотки.

Вся та мощность, которая осталась, магнитным поток подается к ротору. Из-за этого она и называется электромагнитной. Эта оставшаяся электромагнитная мощность превращается в механическую. Последняя носит название полная « механическая мощность электрического привода » .

Мощность роторных электропотерь имеет прямую зависимость от скольжения, поэтому асинхронная машина будет работать тем экономичнее, чем меньше будет составлять величина скольжения.

Последнее по очереди, но не по важности – возникновение магнитных потерь. Они тоже возникают в подвижном элементе электромотора, но небольшая электротоковая частота (f2 = f1s) делает их настолько малыми, что ими также можно пренебречь.

Трение частей системы, которые вращаются, о воздух, а также трение, происходящее в подшипнике обуславливает появление механического расхода.

Поля рассеяния наряду с пульсациями в статоре и якоре становятся причиной добавочного вида потерь.

Из всего, что сказано выше, можно собрать формулу общих потерь. Она приведена ниже:

∑р = рс1 + рэ1 + рэ2+ рмех + рд

КПД асинхронной машины

Так как коллектор в двигателе отсутствует, коэффициент полезного действия электроприводов такого типа выше, чем у их «собратьев», питающихся постоянным током. Величина мощности АД прямо влияет на коэффициент. Если нагрузка на агрегат нормальная, то он может составлять до 95%.

Потери асинхронного электродвигателя.

В асинхронном двигателе, являющемся трёхфазным, возникает два типа потерь. Вот эти потери:

1. Постоянные или фиксированные потери.

2. Переменные потери.

Постоянные или фиксированные потери

Постоянными потерями называют такие потери, которые остаются постоянными в нормальном режиме работы асинхронного двигателя. Такие потери могут быть легко получены путём проведения теста без нагрузки трёхфазного двигателя. Эти потери подразделяются на следующие виды:

1. Потери железа или потери сердечника.

2. Механические потери.

3. Потери трения щёток.

Потери железа или потери сердечника

Данные потери также можно подразделить на гистерезисные потери и потери вихревого тока. Потери вихревого электрического тока минимизируются за счёт использования наслоения на сердечнике. Раз применяется наслоение на сердечнике, область уменьшается, и поэтому увеличивается сопротивление, вследствие чего уменьшаются вихревые токи.

Гистерезисные потери минимизируются при помощи кремнистой стали высокого качества. Потери сердечника зависят от частоты поступаемого напряжения. Частота статора всегда является подающейся частотой, f, а частота ротора является проскальзыванием, умноженным на подающуюся частоту, (sf), которая всегда меньше частоты статора.

Частота статора составляет 50 герц. Частота ротора составляет около 1,5 герц. Так происходит потому, что в нормальном рабочем состоянии проскальзывание составляет 3%. Отсюда потери сердечника ротора очень малы по сравнению с потерями сердечника статора, и ими обычно пренебрегают при рабочих состояниях.

Механические потери и потери трения щёток

Механические потери имеют место быть в подшипнике, потери трения щёток возникают в асинхронном двигателе с обмотанным ротором. Эти потери составляют ноль на старте. По мере того, как возрастает скорость, данные потери увеличиваются. В трёхфазных двигателях скорость обычно остаётся постоянной. Отсюда следует, что и данные потери почти остаются постоянными.

Переменные потери

Эти потери также называются потерями меди. Данные потери происходят из-за электрического тока, идущего по обмоткам статора и ротора. Когда нагрузка меняется, данный электрический ток также изменяется, а потому и потери эти тоже претерпевают изменения. Поэтому их и назвали переменными потерями. Их можно получить при помощи проведения теста с заблокированным ротором трёхфазного двигателя.

Основная функция асинхронного двигателя состоит в том, чтобы преобразовывать электрическую энергию в механическую энергию. В течение данного преобразования одной энергии в другую, энергия проходит через различные этапы. Данная энергия, проходящая через разные ступени, отображается на диаграмме течения энергии.

Как известно, на входе трёхфазного асинхронного двигателя трёхфазная подача. Так что эта трёхфазная подача идёт на статор трёхфазного электродвигателя.
Допустим, Pin = электрическая энергия, которая идёт на статор трёхфазного двигателя,
VL = линейное напряжение, поступающее статору трёхфазного двигателя,
IL = линейный ток,
Cos = коэффициент мощности трёхфазного двигателя.
Вход электрической энергии на статор, Pin = 3VLILcos.

Часть этой энергии на входе используется для поддержки потери статора, которыми являются потери железа статора и потери меди статора. Сохраняющаяся энергия (электроэнергия на входе – потери статора) идёт на ротор как вход на ротор.
Так что вход на ротор, P2 = Pin – потери статора (потери меди статора и потери железа статора). Теперь ротор должен преобразовать этот вход на ротор в механическую энергию, но этот завершённый вход не может быть преобразован в механический выход, поскольку он должен поддерживать потери ротора.

Бывает два типа потерь ротора, а именно потери меди и потери железа. Потери железа зависят от частоты ротора, которая очень мала, когда ротор вращается. Поэтому этим обычно пренебрегают. Так что можно сказать, что ротор имеет лишь потери меди. По этой причине вход на ротор должен поддерживать эти потери меди. После этой поддержки, оставшаяся часть входа ротора, P2 преобразовывается в механическую энергию, Pm.

Допустим, Pc будет потерями меди ротора,
I2 будет током ротора в рабочем состоянии,
R2 – сопротивлением ротора,
Pm – общая производимая механическая энергия.
Pc = 3I22R2
Pm = P2 – Pc

Теперь эта создаваемая механическая энергия идёт на нагрузку за счёт вала, но появляются некоторые механические потери, такие как потери трения и потери сопротивления воздуха. Так что общая воспроизводимая механическая энергия должна быть подана на поддержание этих потерь.

Поэтому выход образуемой энергии идёт на вал, который в конечном итоге подаёт её нагрузке, Pout.
Pout = Pm – механические потери (потери трения, а также потери, связанные с сопротивлением воздуха).
Pout зовется энергией вала. Также его называют полезной энергией.

Пишите комментарии, дополнения к статье, может я что-то пропустил. Загляните на карту сайта, буду рад если вы найдете на моем сайте еще что-нибудь полезное.

Потери мощности и энергии в электроприводе в установившемся режиме

При работе ЭП в двигательном режиме потребляемая из сети электрическая энергия превращается в основном в полезную механическую работу на валу ЭД. Однако часть электрической энергии теряется в ЭД и механической передаче и превращается в тепловую энергию. Соотношение между полезной работой и потерями энергии определяется рядом факторов: КПД ЭД и механической передачи; режимом работы ЭП; загрузкой ЭД; напряжением и частотой питающей сети; частотой вращения вала ЭД.

В установившемся режиме работы ЭП, когда угловая частота и ток ЭД неизменны, мощность потерь складывается из потерь в механической передаче электропривода ЛР_мех потерь в ЭД и элементах его электрической цепи ДР. Потери в механической передаче характеризуются КПД механизма и дополнительно загружают ЭД. Вместе с полезной нагрузкой производственного механизма эти потери определяют нагрузку ЭД.

Потери мощности в двигателе и его электрической цепи называются полными потерями ДР. Они состоят из постоянных потерь ДР_П0СТ и переменных потерь ДР_пер:

Постоянные потери складываются из потерь стали, потерь на трение в подшипниковых узлах, потерь на вентиляцию и потерь на возбуждение ЭД и не зависят от нагрузки ЭД.

Переменные потери зависят от тока ЭД и сопротивления элементов силовой цепи ЭД и определяются для двигателей постоянного тока:

где R — суммарное сопротивление якорной цепи; ДР_пер.ном = ^яном-^ — номинальные потери мощности; к₃ =1 / 1_ном — коэффициент загрузки ДПТ.

Переменные потери для асинхронного трехфазного двигателя (АД)

где АР_перл, АР_{пер 2} — соответственно, потери мощности в обмотках статора и ротора; , R!₂ — активные сопротивления фаз статора и приведенное ротора.

При небольшом диапазоне изменения токов АД, когда намагничивающий ток /_р примерно постоянный, можно принять

Тогда переменные потери в трехфазной обмотке статора

Составляющую потерь 3/^ можно отнести к постоянным потерям (потери на возбуждение), а переменные потери АД (14.8) выразить только через ток ротора

где

к₃ — ^2 Даном — коэффициент загрузки АД.

Для трехфазных синхронных двигателей (СД) переменные потери где

к₃=1_г / 1_1ном — коэффициент загрузки СД.

Таким образом, переменные потери любого ЭД запишутся в общем виде

Суммарные потери мощности в ЭД

как коэффициент потерь, который зависит от номинальной мощности, номинальной частоты (скорости) и конструкции электродвигателя и в общем случае находится в пределах 0,5—2. При номинальном режиме работы двигателя соотношение между постоянными и переменными потерями а (14.16) равно: для двигателей постоянного тока независимого возбуждения общего назначения — 1—1,5; для крановых двигателей постоянного тока — 0,5—0,9; для двигателей переменного тока с короткозамкнутым ротором общего назначения — 0,5—0,7; для крановых двигателей с короткозамкнутым ротором — 0,4—0,5; для крановых двигателей с фазным ротором малой и средней мощности — 0,45—0,6 и большей мощности — 0,9—1,0. Суммарные потери мощности в электродвигателе с учетом (14.16) запишутся в виде

Переменные потери при нагрузке ЭД соответствующей максимальному КПД, равны постоянным:

Полные потери в двигателе при номинальной нагрузке, т.е. при к₃ = 1, и КПД, ЭД, равном номинальному г|_ном

Представим (14.7) с учетом (14.18) при номинальной нагрузке Из (14.19) имеем выражение (/с₃ =1)

подставляя которое в (14.21) получаем

При частичной загрузке ЭД мощностью Р_х полные потери с учетом (14.20)—(14.23)

Полные потери при нагрузке ЭД Р_х = Р_номк₃ могут быть найдены по аналогичной (14.20) зависимости

где г_х — КПД электродвигателя при мощности Р_х. КПД ЭД определяется по каталожной зависимости его КПД от нагрузки на его валу.

Потери мощности при работе ЭД на регулировочных (искусственных) характеристиках определяются способом и диапазоном регулирования частоты.

Количество потерянной электрической энергии в ЭД ДА в установившемся режиме (потребляемый ток и частота вращения неизменны) зависит от времени работы ЭП:

где t_pa6 — время работы ЭП; ДР — полные (суммарные) потери мощности в ЭД.

Потери мощности в ЭП в переходных процессах пуска, торможения существенно влияют на нагрев ЭД работающих с частыми пусками и остановками. Их учет возможен точным расчетом потерь мощности и энергии в ЭД или, грубо вводя коэффициент запаса, как это сделано в формуле (14.1).

Энергия электрических потерь в ЭД превращается в тепло выделяемое в нем, поэтому ЭД при работе нагревается. При отключении ЭД, когда в ЭД не поступает электрическая энергия, он охлаждается.

Лекция на тему: Потери мощности и энергии в электроприводе

Главное назначение ЭП заключается в обеспечении движения исполнительных органов рабочих машин и механизмов и управле­нии этим движением. Однако при этом совсем не безразлично, какой ценой это достигается, т. е. какое потребление электроэнер­гии, какие потери, как ЭП влияет на сеть и другие электроприемники. Оценка этих свойств ЭП осуществляется с помощью так называемых энергетических показателей, к числу которых относятся коэффициент полезного действии (КПД), коэффициент мощности (cosφ), потери мощности и энергии . Иногда к этим показателям относят потребляемые из сети и полезные мощность и энергию.

Эти показатели широко используются как при создании новых, так и оценке работы уже действующих ЭП. Очевидно, что предпочтение должно быть отдано тому ЭП, который, обеспечивая заданный технологический процесс рабочей машины или механизма, имеет более высокие по сравнению с другими вариантами энергетические показатели.

Эти же показатели позволяют оценить и эффективность уже работающих ЭП. В том случае, когда они оказываются существенно худшими по сравнению с номинальными, правомочна постановка вопроса о модернизации ЭП или о проведении мероприятий по их повышению. Отметим, что решение о модернизации ЭП должно приниматься только на основании экономического расчета, предусматривающего сопоставление дополнительных капитальных затрат на модернизацию с сокращением эксплу­атационных расходов за счет повышения КПД и cosφ.

Подчеркнем, что обеспечение высоких энергетических показателей работы ЭП весьма актуально в настоящее время, когда экономия энергетических и материальных ресурсов превратилась в задачу первостепенной важности.

1 Потери мощности в установившемся режиме работы электропривода

Потери мощности . Эти потери в электродвига­теле составляют основную долю потерь в ЭП а обычно представляются суммой постоянных К и пе­ременных V потерь

Под постоянными подразумеваются потери мощности, не зависящие от токов двигателя. К ним относятся потери в стали магнитопровода, механичес­кие потери от трения в подшипниках и вентиляци­онные потери. Для СД и двигателя постоянного тока с независимым возбуждением к постоянным потерям относят потери в обмотках возбуждения.

Строго говоря, постоянные потери в действитель­ности не являются неизменными, а зависят от скорости двигателя, амплитуды и частоты питающего его напряжения. Однако, поскольку постоянные по­тери изменяются незначительно, они обычно принимаются неизменными и равными номинальным постоянным потерям.

Под переменными подразумеваются потери, выделяемые в обмотках двигателей при протекании по ним тока, зависящего от механической нагрузки ЭП.

Для двигателя постоянного тока переменные потери мощности

(1.2)

где —кратность тока;

—номинальные переменные потери мощности;

—номи­нальный ток двигателя;

—сопротивление обмоток.

Для трехфазных асинхронных двигателей

(1.3)

Для синхронных двигателей

(1.4)

Как видно из выражений (1.2 — 1.4), независимо от вида двигателя переменные потери в нем определяют­ся номинальными потерями и кратностью тока.

Полные потери мощности в двигателе с учетом (1.2)-(1.4)

(1.5)

где —коэффициент потерь (для большинства двигателей нормального исполнения в зависимости от номинальных мощности и скорости двигателей коэффициент колеблется в пределах 0,5—2). Потери мощности при работе двигателя в номинальном режиме определяются по паспорт­ным данным двигателя следующим образом:

(1.6)

где —номинальный КПД

Постоянные потери мощности находятся как

(1.7)

Потери энергии установившемся режиме работы электропривода

Потери энергии. За время работы двигателя с постоянной нагрузкой потери энергии

(1.8)

При работе двигателя с циклически изменяющейся нагрузкой

(1.9)

где — потери мощности и время работы на i -м участке цикла;

— число отдельных участков цикла;

— время цикла.

Потери мощности и энергии в преобразователе

Эти потери являются электрическими и определяю по формулам (1.2) и (1.8).

При использовании управления двигателями полупроводниковых преобразователей эти потери складываются из потерь в вентилях, трансформаторах, сглаживающих и уравнительных реакторах, фильтрах и элементы устройств искусственной коммутации. Потери в полупроводниковых элементах преобразователей обычно относительно малы. При расчете потерь в трансформаторах и реакторах берется сопротивление обмоток или используется эквивалентное сопротивление преобразователя, определяемое форму

2 Коэффициент полезного действия электроприводов

В общем случае, когда ЭП работает с разлитыми скоростями и нагрузками на валу как в уста­новившемся, так и переходном режимах, КПД определяется

(1.10)

где — полезная и потребленная энергия;

— потери энергии в ЭП;

— полезная меха­ническая мощность ЭП на i — м участке цикла;

— потери мощности в ЭП на i-м участке цикла;

п — число участков работы ЭП.

Рассчитанный по (1.10) КПД называют цикловым или средневзве­шенным.

Если ЭП работает в неизменном режиме с посто­янной мощностью, то формула (1.10) упрощается и принимает вид

(1.11)

КПД ЭП как электромеханической системы опре­деляется произведением КПД преобразователя и управляющего устройства, электродвигателя и механической передачи

(1.12)

Определяя по общей формуле (1.10) КПД от­дельных элементов ЭП, затем по (1.12) находится КПД ЭП в целом.

Наиболее значимым и определяющим в выраже­нии (1.12) является КПД двигателя, который рас­смотрим подробнее.

Рисунок 1, а иллюстрирует закономерность измене­ния номинального КПД электрических двигателей постоянного и переменного тока в зависимости от их номинальной мощности и скорости .

Рисунок 1 – Графики зависимости номинального КПД от номинальной мощности АД (а) и КПД от кратности нагрузки двигателя (б): 1 – АД серии А2; 2 – АД серии 4А />=105 рад/с; 3-АД серии 4А />=314 рад/с

Таким образом, более мощные и высокоскоростные двигатели характеризуются и более высокими номинальными КПД.

КПД отдельного двигателя зависит от развива­емой им полезной механической мощности на валу. При малых нагрузках КПД двигателя небольшой (рис. 1,б), по мере увеличения нагрузки он растет, достигая максимального значения при мощ­ности, близкой к номинальной. Способы повышения КПД двигателей сводятся к следующему: ограничение времени работы двига­теля на холостом ходу; обеспечение нагрузки двига­теля при его работе, близкой к номинальной, в том числе путем замены малозагруженного двигателя на двигатель меньшей мощности (такая замена должна быть обоснована экономически я проведена только в том случае, когда капитальные затраты на модер­низацию ЭП окупятся за счет сокращения эксплу­атационных расходов) и применение регулятора эко­номичности.

3 Коэффициент мощности электропривода

ЭП, подключаемые к сети переменного тока, потребляют из нее активную Р_л и реактивную Q мощности. Активная мощность рас¬ходуется на полезную работу ЭП и покрытие потерь в нем, а реак¬тивная мощность, обеспечивая создание электромагнитных полей двигателя и других его элементов, непосредственно полезной рабо¬ты не совершает. Отметим, что в отношении реактивной мощности точнее говорить не о потреблении ее, а об обмене (циркуляции) между сетью и двигателем.

Работа ЭП, как и любого другого потребителя активной и реак¬тивной энергии, характеризуется коэффициентом мощности

где S — полная (или кажущаяся) мощность

Угол φ, как известно из электротехники, определяет сдвиг фаз между напряжением сети и током ЭП: если он потребляет реактивную мощность, то сдвиг фаз и 1

Если ЭП реактивную мощность не потребляет, то и 1.

ЭП, потребляя реактивную мощность, нагружает ею систему электроснабжения, вызывая дополнительные потери напряжения и энергии в ее элементах. По этой причине всегда следует стремиться к обеспечению максимально возможного cos ф ЭП как одного из основных энергетических показателей его работы.

Если ЭП работает в каком-то цикле при различных нагрузках или скоростях в установившемся и переходном режимах, то он как потребитель реактивной энергии характеризуется средневзвешен¬ным или цикловым коэффициентом мощности, который определя¬ется отношением потребленной активной энергии за цикл А_а к пол¬ной или кажущейся энергии А_п в соответствии с формулой

Коэффициентом мощности характеризуется работа ЭП с двига­телями переменного тока (АД и СД), а также системы ЭП постоян­ного тока «управляемый выпрямитель — двигатель постоянного тока».

Коэффициент мощности АД. Активная Р_а и реактивная Q мощ­ности применительно к установившемуся режиму работы трехфаз­ного АД могут быть рассчитаны по следующим формулам

и

На рисунке 2, а приведены зависимости номинального коэффици­ента мощности АД от различных номинальных мощностей чисел пар полюсов р (кривая 1 при р=1, кривая 2 при р=4). Характерным для них является более высокое значение для двигателей с большими номинальными мощностями и скоростями вращения.

Для большинства АД

0,8. 0,9. Для этих значений Q = (0,5. 0,75) Р_р т.е. АД на каждый киловатт активной мощности потребляет из сети 0,5. 0,75 кВА реактивной мощности и чем ниже , тем большую реактивную мощность потребляет АД из сети, загружая ее дополнительным током и вызывая дополнительные потери.

Рисунок 2 — Зависимости номинального коэффициента мощности АД от различных номинальных мощностей (а), зависимость коэффициента мощности от кратности меха­нической нагрузки для АД серии 4А при различных номи­нальных значениях

Коэффициент мощности АД существенно зависит от его нагруз­ки. При холостом ходе АД коэффициент мощности невелик, так как при этом относительно велика доля реактивной мощности по срав­нению с активной. По мере увеличения нагрузки АД возрастает и , достигая своего максимального значения примерно в облас­ти ее номинальных значений. Зависимость от кратности меха­нической нагрузки для АД серии 4А при различных номи­нальных значениях приведена на рис. 2, б,

АД являются основными потребителями реактивной мощности в системе электроснабжения, поэтому повышение коэффициента их мощности представляет собой важную технико-экономическую за­дачу. В настоящее время существуют несколько способов повыше­ния АД.

Замена малозагруженных АД двигателями меньшей мощности, что иллюстируется кривыми 7. 3, построенными соответственно при = 0,9; 0,8 и 0,6 (см. рис. 2, б). При замене АД меньшей мощности будет работать в области больших нагрузок с более вы­соким . Напомним, что и КПД полностью загруженного двигателя будет высоким. Замена двигателя, как любая модернизация ЭП, должна быть экономически обоснована.

Ограничение времени работы АД на холостом ходу, т.е. работы с низким Для этого двигатель отключается от сети при его ра­боте вхолостую автоматически или оператором.

Понижение напряжения питания АД, работающих с малой или переменной нагрузкой. При этом уменьшаются потребляемый из сети ток и реактивная мощность и повышается . Реализация этого способа осуществляется с помощью регулятора напряжения или, когда это возможно, переключением обмоток ста­тора со схемы треугольника на звезду, что приводит к снижению напряжения на обмотке каждой фазы в раз.

Замена АД на СД, когда это возможно по условиям технологи­ческого процесса рабочей машины и экономически обосновано.

Коэффициент мощности системы «управляемый выпрямитель-дви­гатель постоянного тока» (УВ — ДПТ). Так как в этой системе напря­жение на якоре двигателя регулируется задержкой открытия венти­лей управляемого выпрямителя, происходит сдвиг фазы тока ЭП по отношению к напряжению сети и он начинает потреблять реактив­ную мощность из сети. Кроме того, работа системы УВ — ДПТ вызы­вает искажение синусоидальной формы напряжения системы элект­роснабжения, оказывая вредное воздействие на другие ЭП, что выражается в повышенном нагреве электродвигателей, снижении их мощности и КПД, усилении вибрации и шума при работе.

Искажение синусоидальной формы напряжения приводит к по­явлению высших гармоник напряжения, которые нарушают нор­мальную работу других потребителей электроэнергии, устройств автоматики, защиты и сигнализации, создает помехи в линиях свя­зи. Несинусоидальность напряжений и токов приводит к допол­нительным погрешностям измерительных приборов, а также ока­зывает отрицательное воздействие и на батареи конденсаторов, при­меняемых для компенсации реактивной мощности, вызывая их пе­регрузку по току и напряжению.

где — коэффициент искажения;

— действующее значение потребляемого из сети тока;

— действующее значение первой гармоники этого тока;

— соответственно углы управления и коммутации вентилей

Коэффициент мощности системы УВ — ДПТ определяется двумя факторами: углом сдвига основной первой гармоники потребля­емого из сети тока относительно напряжения сети и коэффициен­том искажения v этого же тока:

Из приведенных выражений следует, что коэффициент мощнос­ти вентильного ЭП постоянного тока зависит от скорости двигате­ля, определяемой углом управления вентилей , и его нагрузки, определяющей угол коммутации . Снижение скорости (увеличение диапазона регулирования) или увеличение нагрузки приводит к уменьшению коэффициента мощности ЭП. Анализ зависимости вентильного ЭП от относительной скорости при номинальной нагрузке на валу двигателя (рис. 3, а) показывает, что уменьшение коэффициента мощности происходит пропорцио­нально снижению скорости, т.е. увеличению диапазона регулиро­вания. Это видно также и из следующего приближенного выраже­ния для коэффициента мощности при регулировании скорости:

где — ЭДС преобразователя;

— скорость идеального холостого хода, соответствующая

При регулировании скорости с одинаковым временем работы двигателя на каждой скорости при М_с = const зависимость средне­взвешенного циклового коэффициента мощности от диапа­зона регулирования D показана на рис. 3, б.

Повышение коэффициента мощности и уменьшение несинусои­дальности напряжения сети при работе системы УВ — ДПТ может быть достигнуто несколькими способами:

Рисунок 3 — Зависимость вентильного ЭП от относительной скорости при номинальной нагрузке на валу двигателя (а), зависимость средне­взвешенного циклового коэффициента мощности от диапа­зона регулирования D (б)

— за счет применения фильтрокомпенсирующих и фильтросимметрирующих устройств, обеспечивающих одновременно компенсацию реактивной мощности, фильтрацию высших гармоник и уменьше­ние отклонений напряжения по фазам. Эти устройства целесооб­разно размещать в узле подключения ЭП к электрической сети. Состоят они из управляемого компенсатора, обеспечивающего ре­гулирование реактивной мощности и выполняемого обычно на ос­нове специального тиристорного преобразователя, и энергетического фильтра, который служит для фильтрации высших гармоник тока ЭП, а также компенсации реактивной мощности. Энергети­ческие фильтры представляют собой последовательные индуктив­но-емкостные резонансные цепи, настроенные на частоты высших гармоник вентильных ЭП (нагрузок). Число параллельно включен­ных резонансных цепей фильтров должно быть таким, чтобы коэф­фициент несинусоидальности напряжения был не более 5%. Для каждой высшей гармоники используется свой фильтр;

— путем использования традиционных компенсирующих уст­ройств, к числу которых относятся синхронные двигатели и ком­пенсаторы, батареи конденсаторов, а также тиристорные источ­ники реактивной мощности. Синхронные двигатели являются эф­фективным и удобным средством компенсации реактивной мощ­ности в системе электроснабжения. Выполняя свою основную функцию приводного электродвигателя, СД одновременно мо­гут генерировать в сеть реактивную мощность, т.е. работать с опережающим , что обеспечивается соответствующим регу­лированием их тока возбуждения. Синхронные ком­пенсаторы представляют собой СД, работающие без нагрузки. Их основная функция состоит только в регулировании реактив­ной мощности в системе электроснабжения. Конденсаторы по своему действию эквивалентны перевозбужденным СД, по срав­нению с другими источниками реактивной мощности они имеют такие преимущества, как малые потери этой мощности, просто­та монтажа и эксплуатации. К их недостаткам следует отнести зависимость генерируемой мощности от напряжения, недостаточ­ную стойкость при перегрузках по току и напряжению, а также ухудшение их работы в сетях с повышенным содержанием выс­ших гармоник. Тиристорные источники реактивной мощности строятся с использованием преобразователей, имеющих искус­ственную коммутацию вентилей. Такой преобразователь имеет на стороне выпрямленного тока реактор (индуктивный накопи­тель энергии) или батарею конденсаторов (емкостный накопи­тель энергии). Сочетание преобразователя с реактивным элемен­том позволяет создать устройство для регулирования реактив­ной мощности в системе энергоснабжения;

— путем использования специальных законов управления УВ и спо­собов коммутации их вентилей, к числу которых относятся пооче­редное и несимметричное управление преобразователями, а также искусственная коммутация вентилей преобразователей.

Контрольные вопросы

1 Как можно оценить влияние ЭП на сеть и другие электроприемники?

2 Какие показатели позволяют оценить и эффективность уже работающих ЭП?

3 Какие потери в электродвигателе составляют основную долю потерь?

4 Запишите формулу для определения потерь мощности и поясните ее.

5 Какие потери относятся к постоянным, а какие – к переменным?

6 Как определяют­ся переменные потери в двигателе, независимо от вида двигателя?

7 Из чего складываются потери при использовании управления двигателями полупроводниковых преобразователей?

8 Как определяется КПД ЭП как электромеханической системы?

9 Перечислите способы повышения КПД двигателей

10 Как влияет ЭП на систему электроснабжения, потребляя реактивную мощность?

11 Как зависит потребление реактивной мощности АД из сети от cosφ и чем оно характерно?

12 От чего зависит коэффициент мощности АД?

13 Перечислите известные Вам способы повышения cosφ АД

14 Как влияет на систему электроснабжения работа системы УВ – ДПТ?

15 От чего зависит коэффициент мощности вентильного ЭП постоянного тока?

16 Какими способами может быть достигнуто повышение коэффициента мощности и уменьшение несинусои­дальности напряжения сети при работе системы УВ – ДПТ?