12.3. Оптимізація енергоспоживання в перехідних процесах
В якості показника економічності електропривода в перехідних процесах використовують величину енергії втрат за час перехідного процесу. Енергія, яка витрачається за час перехідного процесу, має дві складові: корисну, яка йде на виконання певної механічної робо-ти, і енергію втрат.
Корисна складова визначається добутком моменту двигуна на його швидкість. При цьому в режимі розгону енергія із мережі вит-рачається на виконання механічної роботи та на збільшення кінети-чної енергії рухомих частин електропривода, а в режимах гальмува-ння кінетична енергія рухових частин повертається у мережу (реку-перативне гальмування) за вирахуванням втрат, або перетворюється у тепло (динамічне гальмування і гальмування противмиканням). На величину корисної енергії, яка визначається технологічним процесом, в пускових режимах вплинути не можна.
Втрати енергії визначають через втрати потужності, які поді-ляються на постійні та змінні (див. п.6.1). При регулюванні швидко-сті АД постійні втрати не є сталими, а залежать від швидкості дви-гуна, амплітуди та частоти напруги живлення і інших факторів. Але ці втрати змінюються у незначних межах і складають незначну час-тину загальних втрат. Тому ними нехтують.
Найбільшу складову мають змінні втрати потужності, які скла-даються з втрат в обмотках статора і ротора (втрати у міді):
, (12.8)
де і – відповідно струми в обмотках статора і ротора; і – активні опори цих обмоток.
Представивши АД Г-подібною схемою заміщення, втрати у міді будуть рівними
. (12.9)
Тоді змінні втрати енергії за час перехідного процесу
. (12.10)
Використати (12.10) для визначення шляхів зменшення втрат складно, бо згідно (12.9) треба знати закони зміни в часі , і . Більш простіше використати те, що втрати потужності в обмот-ці ротора дорівнюють втратам електромагнітної потужності, тобто
. (12.11)
Звідки втрати енергії в обмотці ротора за час перехідного процесу
. (12.12)
Залежність (12.12) також складна для обчислень. Її можна спрос-тити, використавши рівняння руху електропривода (2.6). З (2.6) виз-начаємо
, (12.13)
бо . Підставивши значення у (12.12) і замінивши межі інтегрування, одержимо
. (12.14)
Рівняння (12.14) використовують, зазвичай, для визначення втрат енергії при роботі електропривода без навантаження . У цьому випадку
. (12.15)
За рівнянням (12.15) визначають втрати енергії в роторі АД при пуску, гальмуванні і реверсі за умови .
При пуску і , тому
. (12.16)
З (12.16) слідує, що втрати енергії у роторі чисельно рівні запасу кінетичної енергії в рухомих частинах електропривода, бо є при-веденим моментом інерції.
В режимі динамічного гальмування , і . При цьому вся кінетична енергія електропривода пере-творюється у тепло, яке виділяється в обмотці ротора.
При гальмуванні противмиканням , і втрата ене-ргії , тобто у три рази більша, ніж при пуску.
При реверсі , і , що у чотири рази більша, ніж при динамічному гальмуванні чи пуску.
Отже, втрата енергії в роторі за час перехідного процесу за умо-ви не залежить від часу і від моменту двигуна, а визна-чається лише початковим і кінцевим значеннями ковзання і моментом інерції електропривода.
Для визначення сумарних втрат енергії в обмотках АД необхідно знати втрати в обмотці статора, які згідно (12.9) дорівнюють . В двигунах з короткозамкненим ротором за-гального призначення (з круглими пазами) і втрати енергії в обмотках статора і ротора приблизно рівні. Використовуючи АД зі спеціальною конструкцією ротора (з глибоким пазом, з подвій-ною «кліткою білки» та інші), які мають , можна значно зменшити втрати енергії в обмотці статора.
Сумарні втрати енергії в обмотках
. (12.17)
Повна втрата енергії в перехідних процесах
, (12.18)
де – сталі втрати потужності в АД; – час перехідного про-цесу.
Втрати енергії в перехідних процесах при визначають за (12.14). Для цього потрібно знати залежності і , що досить складно. Тому для оцінки втрат енергії приймають, що мо-мент двигуна і статичний момент не змінюються і дорівнюють се-реднім значенням і . Тоді згідно (12.14)
. (12.19)
З (12.19) слідує, що втрати енергії при зменшенні збільшуються. Тому, якщо допустимо за технологією, доцільно про-водити пуск без навантаження і його підключати, наприклад, з допомогою електромагнітної муфти.
З аналізу (12.15) і (12.17) витікає, що основними способами змен-шення втрат енергії в перехідних процесах є:
зменшення моменту інерції електропривода ;
регулювання під час перехідного процесу швидкості ідеаль-ного холостого ходу .
Ці способи особливо ефективні для електроприладів з частими пусками та гальмуваннями (ліфти, мостові крани, маніпулятори, виконавчі механізми тощо).
Зменшити момент інерції можна за рахунок:
використання малоінерційних двигунів;
оптимального передаточного числа редуктора (формула (2.17)) чи оптимальних масогабаритних показників передавального пристрою;
заміною одного двигуна двома і більшою кількістю зі збере-реженням сумарної потужності. Сумарний момент інерції, наприк-лад, двох двигунів половинної потужності значно менший моменту інерції одного двигуна повної потужності.
Регулювання швидкості можна здійснювати шляхом зміни числа пар полюсів багатошвидкісних АД або зміною частоти жив-лення в системах ПЧ-АД.
Для прикладу розглянемо процеси пуску при двошвид-кісного АД зі швидкостями і . При розгоні зі швид-кості до . При розгоні зі швидкості до швид-кості за рахунок перемикання обмотки статора . Сумарні втрати в обмотці ро-тора , що у два рази менше, ніж при прямому пуску.
У Рис. 12.2. Перехідні процеси при частотному пуску АД за умови
- Основи електропривода
- Класифікація електроприводів. Механічні характеристики
- 1.1. Загальні положення
- 1.2. Класифікація електроприводів
- 1.3. Приведення моментів і сил опору, моментів інерції і
- 1.4. Механічні характеристики виробничих механізмів і
- 1.5. Усталені режими
- Часові та частотні характеристики електропривода
- 2.1. Рівняння руху електропривода
- 2.2. Час прискорення і сповільнення електропривода
- 2.3. Оптимальне передаточне число
- 2.4. Часові та частотні характеристики одномасової системи
- 2.5. Часові та частотні характеристики двомасової системи
- Регулювання швидкості двигунів постійного струму
- 3.1. Регулювання кутової швидкості двигунів постійного
- Струму незалежного збудження
- 3.2. Регулювання швидкості двигунів послідовного збудження
- 3.3. Гальмівні режими двигунів постійного струму
- 3.4 Часові характеристики двигунів постійного струму незалежного збудження
- 3.5. Частотні характеристики
- Перетворювачі напруги електроприводів постійного струму
- 4.1. Тиристорні керовані випрямлячі
- 4.2. Системи імпульсно-фазового керування
- 4.3. Імпульсні перетворювачі постійної напруги
- Регулювання кутової швидкості двигунів змінного струму
- 5.1. Механічні характеристики асинхронних двигунів
- 5.2. Регулювання швидкості асинхронних двигунів
- 5.3. Перетворювачі частоти
- 5.4. Регулювання швидкості синхронних двигунів
- Тики синхронного двигуна
- 5.5. Гальмівні режими двигунів змінного струму
- Методи розрахунку потужності електроприводів
- 6.1. Втрати енергії в електроприводах
- 6.2. Нагрівання і охолодження двигунів
- 6.3. Режими роботи і навантажувальні діаграми
- 6.4. Розрахунок потужності електродвигунів
- Системи керування електроприводами
- Релейно-контакторні системи керування електроприводами
- 7.1. Загальні положення
- 7.2. Структура релейно-контакторних систем керування
- 7.3. Принципові схеми ркск
- Дискретні логічні системи керування рухом електроприводів
- 8.1 Загальна характеристика длск
- 8.2. Методи синтезу длск
- 8.3. Математичний опис длск
- 8.4. Способи реалізації длск
- Система керування швидкістю електроприводів постійного струму з сумуючим підсилювачем
- 9.1. Загальні положення
- 9.2. Формування динамічних характеристик
- 9.3. Обмеження моменту електропривода
- Система керування електроприводом з підпорядкованим регулюванням
- 10.1. Структурна схема системи підпорядкованого
- Регулювання
- 10.2. Технічна реалізація системи з підпорядкованим регулюванням
- 10.3. Обмеження струму в системі підпорядкованого регулювання
- Системи керування швидкістю асинхронного електропривода
- 11.1. Регулювання швидкості напругою живлення
- 11.2. Плавний пуск асинхронних двигунів зміною напруги живлення
- 11.3. Система скалярного керування частотно-регульованого асинхронного електропривода
- 11.4. Системи векторного керування частотно-регульованого електропривода
- 11.5. Пряме керування моментом асинхронного двигуна
- Енергозберігаючий асинхронний електропривод
- 12.1. Загальні положення
- 12.2. Втрати електроенергії в усталених режимах
- 12.3. Оптимізація енергоспоживання в перехідних процесах
- 12.4. Економічна ефективність частотно-регульованого електропривода
- Частотне керування синхронними електроприводами
- 13.1. Стратегії керування
- 13.2. Вентильний двигун
- 13.3. Система автоматичного керування моменту сд зміною магнітного потоку ротора
- 13.4. Стратегії керування сд зі збудженням від постійних магнітів
- Адаптивні системи керування електроприводами
- 14.1. Загальні положення
- 14.2. Безпошукова адаптивна система керування з еталонною
- 14.3. Безпошукова адаптивна система керування зі спостережним пристроєм
- 14.4. Фаззі-керування електроприводами
- 14.5. Фаззі-керування гальмуванням візка мостового
- Слідкуючий електропривод
- 15.1. Загальна характеристика
- 15.2. Безперервні системи керування слідкуючим
- 15.3. Динамічні показники слідкуючого електропривода
- Цифрові системи керування електроприводами
- 16.1. Структура електропривода з цифровою системою
- Керування
- 16.2. Розрахункові моделі ацп і цап
- 16.3. Дискретні передавальні функції і структурні схеми
- 16.4. Синтез цифрового регулятора і його реалізація
- Список літератури
- Предметний покажчик
- Рецензія