Потери в регулируемых электроприводах при разных законах управления

Введение. Работа современного регулируемого электропривода, как правило, происходит при переменной нагрузке и с разными законами регулирования момента и скорости. Это приводит к перераспределению составляющих потерь и требует их учёта. Ниже сопоставлен характер изменения общих потерь и их составляющих в электроприводах разного типа при изменении нагрузки.

Исходные данные для анализа. В основу анализа положено наблюдение, которое заключается в том, что у двигателей, имеющих близкие значения КПД, характер изменения составляющих потерь также близок, хотя при этом абсолютные потери могут отличаться весьма значительно. Этот факт дал возможность при изменении нагрузки представить изменение составляющих потерь в относительных единицах, взяв за базовое значение суммарные потери в электродвигателе в номи нальном режиме. При этом внутри каждой серии электродвигателей абсолютные потери могут отличаться и весьма значительно.

Результаты расчётов. В двигателях постоянного тока, в которых номинальный КПД находится в пределах 0,8...0,95, на основании обзора нескольких десятков клиентских формуляров [1] можно предложить следующие усреднённые относительные значения составляющих потерь в номинальном режиме работы двигателя:

ДР, = АР. + АР = АРЯК + ДРкодп + АРдоб +

"^"^^колл + ^^стапи + ^^тр + ^^возб —

= 0,25 + 0,2 + 0,05 + 0,06 + 0,25 + 0,2 + 0,1 = 1, где ДРЯК - потери в обмотке якоря; АРК0ДП - потери в обмотках компенсационной и добавочных полюсов; АРдоб - добавочные потери; АРК0ЛЛ - потери на коллекторе; АРстали - потери в стали; АРтр - потери на трение и вентиляцию; АРвозб -потери на возбуждение.

В тех случаях, когда двигатель постоянного тока работает в регулируемом электроприводе при неизменном токе возбуждения, переменные потери можно описать так:

А^~=АРяк+ДРкодп=0,45-М2, т. е. считать их пропорциональными квадрату относительной величины момента нагрузки.

Постоянные потери

АР — АРдод + АРК0ЛЛ + АРстали + АРТр + АРВО35 =

= 0,45 = Const.

Зависимость суммарных потерь от момента нагрузки описывается кривой 1 на рис. 1.

В тех случаях, когда регулируемый электро привод работает в перемежающемся режиме S6, то с целью снижения потерь в электроприводе при нагрузках меньших номинальных снижают ток возбуждения двигателя, как правило, пропорционально току якоря. В этом случае наблюдается перераспределение потерь между составляющими:

Д^- = Д^як + Д^ко + Д^возб + Достали = 0,8 • А/.

Суммарные потери описываются кривой 1 на рис. 2.

В синхронных двигателях (СД) обзор клиентских формуляров [1] дал следующие приближённые соотношения для составляющих потерь в номинальном режиме:

АР^ ^— АРстали + ^як + ^доб + ^АРтр + ^^возб ~

= 0,23 + 0,25 + 0,1 + 0,2 + 0,22 = 1.

Здесь АРстали - потери в стали; АРтр - потери на трение и вентиляцию; АРЯК - потери в меди

Рис. 1. Зависимость суммарных потерь от момента нагрузки:

1 - в двигателе постоянного тока при постоянном возбуждении; 2 - в СД при постоянном магнитном потоке; 3 - в асинхронном двигателе при постоянном магнитном потоке

Рис. 2. Зависимость суммарных потерь от момента нагрузки:

1 - в двигателе постоянного тока при последовательном возбуждении;

2 - в СД при регулируемом возбуждении; 3 - в асинхронном двигателе при постоянном скольжении; 4 - в СРМНВ при регулируемом токе возбуждения

статора; АРдоб - добавочные потери; АРвозб - потери на возбуждение.

Очень эффективным по своим регулировочным характеристикам считается способ формирования момента в СД, при котором поддерживается постоянство результирующего потока, равного номинальному значению, а также ортогональность пространственных векторов МДС статора и результирующего потокосцепления [2, 3]. В этом случае достигается пропорциональность между током статора и момента, а косинус угла сдвига между векторами фазных напряжений и тока статора СД равен единице.

В ранних схемах векторного регулирования [2] формирование момента осуществлялось воздействием на величины токов статора, ротора и пространственный угол между МДС, создаваемыми этими токами. В более поздних разработках, в частности, фирма АББ [4] предпочитает формировать момент воздействием на величины результирующего потока (точнее - его оценки) и тока статора при ортогональности между этими пространственными векторами.

При описанном законе формирования момента составляющие потерь в меди статора:

АРЯК = 0,25-М2.

Потери на возбуждение ротора также следует отнести к переменным, так как ток возбуждения (в долях от номинального значения) регулируется, подчиняясь закону:

где /с - относительное (в долях от номинального) значение тока статора.

Постоянные потери в этом случае:

АР_пост * ^АЛр + Достали ” 0,43 = const.

Зависимость суммарных потерь в СД описывается кривой 2 на рис. 1.

Чтобы снизить потери в СД при нагрузках менее номинального значения, обычно снижают ток возбуждения пропорционально току статора [5].

В этом случае переменные потери:

= А^як + АРвозб + Ацетали ” 0,8 - М, а к постоянным потерям следует отнести лишь механические потери:

АЛюст = АЛр = 0,2 = const.

График суммарных потерь в этом случае соответствует кривой 2 на рис. 2.

Распределение составляющих потерь в асинхронных электроприводах принималось таким же, как предлагалось фирмой АББ для асинхронных двигателей повышенной энергоэффективности [6].

Здесь

АР£ = АРЯ + АРстали + АРрот + АРдоб + АРтр =

= 0,34 + 0,18 + 0,24 + 0,14 + 0,1 = 1.

В приведенном выражении АРЯ - потери в меди статора; АРстали - потери в стали; АРрот -потери в роторе; АРдоб - добавочные потери; АРтр - потери на трение и вентиляцию.

Когда регулирование момента производят при постоянном магнитном потоке двигателя, то к переменным потерям следует отнести потери в меди статора NP_a = 0,34-/^ и АР_рот = 0,24-/₂ ротора, где 1_Х и /₂ - токи статора и ротора в долях от их номинальных значений.

Постоянные потери могут быть приняты равными:

АРпост = АР_стали + АРдоб + АР_тр = 0,43 = Const.

Суммарные потери при изменении момента нагрузки для асинхронного двигателя, имеющего в номинальном режиме соотношение токов статора I_x = 1, ротора /₂ = 0,8, и намагничивания /_м = 0,6, описываются кривой 3 на рис. 1.

Когда регулирование асинхронного электропривода ведётся с минимумом потерь, то можно принять, что при изменении момента скольжение в двигателе оставляют неизменным, а токи статора, ротора и намагничивания изменяют в равных пропорциях [7]. В этом случае переменными потерями следует считать:

= АРя+АРрот+АРстали =

= 0,34-/2 +0,24-/2+0,18/р.

Здесь /15/2,/р - токи статора, ротора и намагничивания в долях от их значений в номинальном режиме двигателя. Постоянные потери

^пост ⁼ ^доб ⁺ ^мех ~ 0,24 = const .

График суммарных потерь характеризуется кривой 3 на рис. 2.

Высокими энергетическими и удельными показателями характеризуется электропривод с синхронной реактивной машиной независимого возбуждения (СРМНВ) [8], по западной терминологии -Field Regulated Reluctance Machine (FRRM) [9]. Поскольку авторы не располагали готовой информацией о составляющих потерь в этих электродвигателях, то был выполнен электромагнитный расчёт СРМНВ со следующими паспортными данными: Р_н = 23,5 кВт, п^ = 1500 об/мин, [/_н = 150 В, /фазы = 50 А, ц_н = 91 % . Этот расчёт дал следующие соотношения составляющих потерь

А^ = АРЯ + АРстали + АРрот + АР^ =

= 0,67 + 0,25 + 0,03 + 0,05 = 1.

В приведенном выражении АРЯ - потери в меди статора; АРстали - потери в стали; АРрот -потери в роторе; АРтр - потери на трение и вентиляцию.

Как правило, в СРМНВ токи якоря и возбуждения регулируют пропорционально друг другу [8], тогда составляющие Ы\ и АРстали следует отнести к переменным потерям, а АР^ и АР^ -к постоянным. В результате общая зависимость потерь:

АРЕ = АР~ + АР = 0,82-ЛГ+ 0,18.

Кривая 4 на рис. 2 соответствует этому случаю.

Обсуждение результатов. Двигатели общепромышленного исполнения, имеющие номинальный КПД в пределах ц_н =0,8...0,95, независимо от типа (синхронные, асинхронные, постоянного тока, реактивные) при изменении момента нагрузки имеют практически совпадающий характер изменения относительных значений постоянных и переменных составляющих потерь.

При регулировании скорости и(или) момента в электроприводах с поддержанием постоянства магнитного потока двигателя обобщённая зависимость суммарных потерь в долях от их значения в номинальном режиме двигателя может быть описана уравнением

ДР2 =0,57 + 0,43-М2, а в электроприводах, где ток возбуждения изменяют пропорционально току якоря:

АР2 =0,1 + 0,9-М.

Когда момент нагрузки близок к номинальному значению или не отличается от него в ту или иную сторону более чем на 50 %, то, как это следует из сопоставления кривых на рис. 1 и 2, суммарные потери при обоих способах регулирования магнитного потока отличаются незначительно. Заметная выгода при работе с регулируемым магнитным потоком наблюдается в зоне малых нагрузок, когда момент нагрузки М < 0,5 • М_н . Работу в зоне больших моментов при М > 1,5 • М_н также выгоднее выполнять при регулируемом магнитном потоке, но на практике это не всегда удаётся из-за возможного насыщения магнитной системы электродвигателя. Тогда приходится переходить на двузонное регулирование скорости или момента [3,7].