Шпаргалка по "Безопасности жизнедеятельности"

Второй вариант возбуждения  двигателя соответствует схеме  на рис. 6.1, а, являющейся более простой  и получившей название схемы с  постоянно (глухо) подключенным возбудителем. В этой схеме обмотка возбуждения  с самого начала пуска постоянно  подключена к возбудителю В. При скорости происходит самовозбуждение возбудителя 1и в обмотку возбуждения двигателя подается ток возбуждения, благодаря чему при достижении подсинхронной скорости двигатель втягивается в синхронизм.

Пуск по схеме рис. 6.1, а  происходит в менее благоприятных  условиях, так как пусковой момент СД оказывается ниже, чем в случае применения схемы рис. 6.5, что затрудняет его синхронизацию. Поэтому схема на рис. 6.1, а применяется при относительно легких условиях пуска двигателя, когда момент нагрузки на его валу не превосходит 40...50 % его номинального момента, а инерционные массы ЭП и исполнительного органа невелики. При более трудных условиях пуска применяется схема рис. 6.5.

Третья особенность пуска  определяется необходимостью ограничения пускового тока мощных двигателей при их асинхронном пуске. В случае соизмеримых мощностей двигателя и питающей сети значительные пусковые токи приводят к заметному падению напряжения в питающей сети, что неблагоприятно сказывается на работе других потребителей электроэнергии.

Ограничение пусковых токов  может обеспечиваться включением на время пуска в цепь статора добавочных резисторов или реакторов или же снижением на время пуска подводимого к двигателю напряжения с помощью автотрансформаторов или тиристорных пусковых устройств.

 

 

 

 

 

 

 

При реакторном пуске двигателей (рис. 6.6, а) замыкают выключатель 1 при отключенном выключателе 2 и осуществляют пуск двигателя 4 с реактором 3 в цепи статора, обеспечивающего снижение пускового тока до допустимого уровня. При достижении двигателем подсинхронной скорости замыкают выключатель 2, который шунтирует реактор 3, и двигатель оказывается подключенным на полное напряжение сети. Автоматизация пуска осуществляется обычно в функции времени. В некоторых схемах вместо реактора 2 применяются более дешевые активные резисторы.

В случае использования автотрансформатора 5 (рис. 6.6, б) при пуске замыкаются выключатели 1 и 6 и к двигателю подводится пониженное напряжение. При достижении им подсинхронной скорости отключается выключатель 6, замыкается выключатель 2 и двигатель подключается непосредственно в сеть.

Сопоставление рассмотренных  схем показывает, что при использовании автотрансформатора пусковой ток снижается пропорционально квадрату отношения напряжений двигателя и сети (Uд/Uc)², а при использовании реакторов или резисторов — первой степени этого отношения. Однако автотрансформаторный способ пуска является более сложным, дорогим и менее надежным по сравнению с реакторным (резисторным) и применяется реже.

Для ограничения пусковых токов двигателей, в том числе  и высоковольтных, все большее  распространение находят тиристорные  регуляторы напряжения в качестве «мягких» пускателей или стартеров, обладающие более широкими функциональными  возможностями по управлению двигателями и меньшей стоимостью.

Рис. 6.6. Схемы при ограничении  пускового тока с использованием реакторов (а) и автотрансформатора (б): 1 — автоматический выключатель; 2, 6 — выключатели; 3 — реактор; 4 — двигатель; J — автотрансформатор

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Торможение синхронных двигателей. Как и у других электродвигателей, оно осуществляется переводом их в генераторный режим, в котором они развивают на своем валу тормозной момент. Наиболее часто при этом используется схема динамического торможения (рис. 6.7), которая соответствует генераторному режиму двигателя при его работе независимо от сети переменного тока.

В этой схеме обмотки статора  двигателя 2 отключаются от сети переменного  тока и закорачиваются на добавочные резисторы 1 (или накоротко), а обмотка возбуждения остается подключенной к источнику возбуждения UB через регулировочный резистор 3. Двигатель при этом будет иметь механические характеристики, аналогичные характеристикам асинхронного двигателя, представленным на рис. 5.26, б.

Торможение противовключением используется очень редко, так как перевод двигателя в этот режим сопровождается значительными бросками тока и момента, требует токоограничения и применения сложных схем управления.

Рис. 6.7. Схема динамического  торможения синхронного двигателя: 1— резисторы в цепи ротора;

2 — двигатель; 3 — регулировочный резистор

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6.1. Потери мощности и энергии  в установившемся режиме работы  электропривода

В общем случае потери мощности и энергии в ЭП складываются из потерь в электродвигателе, механической передаче, силовом преобразователе и системе управления. Основная доля потерь при этом выделяется в силовом канале электропривода — электродвигателе, силовом преобразователе и механической передаче.

Потери мощности и энергии в двигателе. Потребляемая двигателем электрическая мощность расходуется на выработку полезной механической мощности и на покрытие потерь, к которым относятся потери в обмотках двигателя, магнитопроводе и механические потери.

Потери в обмотках двигателя, называемые также электрическими потерями или потерями в меди, определяются протекающими по ним токами и активным сопротивлением электрических цепей.

Потери в магнитопроводе, называемые также потерями в стали, включают в себя потери на гистерезис и вихревые токи, вызванные перемагничиванием сердечников. К ним относятся и добавочные потери, вызванные зубчатой конструкцией сердечников.

Механические потери состоят  из потерь в подшипниках, потерь на трение щеток о коллектор или контактные кольца и ветиляционные потери, определяемые трением частей двигателя о воздух или охлаждающую жидкость.

∆Р= К+ V.

При этом к постоянным относятся потери мощности, которые принимают не зависящими от нагрузки двигателя, а именно: потери в магнитопроводе, механические потери и вентиляционные потери. Для синхронных двигателей с электромагнитным возбуждением и двигателей постоянного тока с независимым возбуждением к постоянным потерям обычно относят и потери в обмотках возбуждения.

Постоянные потери в действительности не являются неизменными, а зависят от скорости двигателя, амплитуды и частоты питающего его напряжения и ряда других факторов.

Для двигателя  постоянного тока переменные потери мощности К в цепи якоря определяются по формуле

V= I²R, (9.2)

где I, R — соответственно ток и сопротивление цепи якоря двигателя.

Для трехфазных асинхронных  двигателей

V= V₁+ V₂ = 3I²₁R₁ + 3I^/2₂R^/₂ (9.3)

где V₁, V₂ — потери мощности соответственно в цепях обмоток статора и ротора. При использовании П-образной схемы замещения (см. рис. 5.2), когда по резистору R₁ протекает ток I'₂, потери в статоре составляют

 (9.4)

а полные переменные потери

V= 3I^/2₂(R₁ + R^/₂) = V₂(1 + R₁/R^/₂). (9.5)

Для синхронных двигателей

V= 3I²₁R₁ (9.6)

Постоянные потери мощности К определяются как разность полных потерь мощности в номинальном режиме и номинальных переменных потерь по следующей формуле:

К=∆Р_ном.- V_ном (9.7)

При этом полные потери мощности при работе двигателя  в номинальном режиме определяются по паспортным данным двигателя с помощью номинального КПД η_ном

∆P_ном=Р_ном(1-η_ном)/ η_ном

Переменные потери мощности, выделяющиеся в якоре двигателя постоянного тока и роторе асинхронного двигателя, могут быть также определены с помощью выражения (4.11) или (5.5) через механические переменные и параметры как

V= V₂ = Мδω₀ = M ω₀ s, (9.11)

где δ, s — относительная  скорость двигателя постоянного  тока и скольжение асинхронного двигателя, δ = s = (ω0 - ω)/ ω₀>0.

Переменные потери в статоре асинхронного двигателя  в соответствии с формулой (9.4) в этом случае составят

К= V₂ R₁/R^/₂ = M ω₀ s R₁/R^/₂. (9.12)

Полные переменные потери в асинхронном двигателе

V= V₁ + V₂ = M ω₀ s(1+ R₁/R^/₂) (9.13)

Формула (9.13) позволяет  рассчитывать потери мощности в асинхронном  двигателе по известным моменту, скорости идеального холостого хода (скорости вращения магнитного поля), скольжению и отношению сопротивлений R1 и R2.

Потери мощности и энергии в преобразователе. При использовании для управления двигателями полупроводниковых преобразователей эти потери складываются из потерь в вентилях, трансформаторах, сглаживающих и уравнительных реакторах, фильтрах и элементах устройств искусственной коммутации, а также в системе вентиляции, если они предусмотрены. Потери в полупроводниковых элементах преобразователей обычно относительно малы (несколько процентов от номинальной мощности).

Потери мощности в механической передаче. Эти потери определяются главным образом трением в движущихся частях и существенно зависят от передаваемого момента.

Потери в механической передаче обычно оцениваются с помощью КПД, значение которого для разных ее видов и нагрузок приводятся в справочной литературе по деталям машин и механизмов.

Потери мощности в элементах системы управления. Эти потери обычно не превышают нескольких десятков ватт и принимаются во внимание только при выполнении точных энергетических расчетов.

6.2. Потери энергии в  переходных режимах электропривода

В общем случае потери энергии в двигателе за время t_nn переходного процесса могут быть определены с помощью следующего выражения:

 

где ∆А_К и ∆Аv — потери энергии, обусловленные соответственно постоянными и переменными потерями мощности.

Потери энергии  при работе ЭП без нагрузки (М_с = 0). Потери мощности в якоре двигателя постоянного тока и роторе асинхронного двигателя определяются формулой (9.11), и поэтому переменные потери энергии в этих частях двигателей определяются идентичным выражением 

(9.17) 

где s — скольжение или относительный перепад скорости двигателей, s = δ = (ω₀ - ω)/ ω₀>о.

Исключим из выражения (9.17) время как переменную, воспользовавшись для этого уравнением механического движения . При М_с = 0 с учетом (5.4) получим

dt = Jdw/M = -Jw₀ds/M. (9.18)

Выражение (9.19) удобно для определения потерь энергии, так как при пользовании им не требуются зависимости изменения  переменных ЭП во времени, а необходимо лишь знание параметров J, w₀ и значений s_нач и s_K0H.

9.19            

Определим, например, с помощью формулы (9.19) потери энергии  в якоре двигателя постоянного  тока и роторе асинхронного двигателя при их пуске, торможении и реверсе вхолостую.

При пуске двигателей w_нач = 0 и w_кон = w_о, поэтому s_нач = 1, s_кон = 0, в соответствии с этим

 

 

При динамическом торможении потери энергии, поскольку s_нач = 1 и s_K0H = 0, оказываются равными потерям энергии при пуске.

При торможении противовключением s_нач = 2, s_K0H = 1, при этом потери энергии

(9.21)

т.е. они равны тройному запасу кинетической энергии ЭП.

При реверсе s_нач = 2, s_K0H = 0 и потери энергии

(9.22)

т. е. будут равны сумме  потерь при торможении противовключением и пуске.

Выражение (9.19) определяет полные переменные потери энергии в двигателе постоянного тока, т.е. АА₂₀ - AA_V0. Для определения полных переменных потерь энергии в асинхронном двигателе необходимо найти еще потери в цепи статора.

Полные потери энергии в асинхронном двигателе  составят

.    (9.24)

Важно отметить, что потери энергии в роторе асинхронного двигателя не зависят от его сопротивления, в то время как потери в статоре асинхронного двигателя обратно пропорциональны его величине.

Потери энергии  при работе ЭП с нагрузкой (М_с ≠ 0). Для определения потерь энергии при работе двигателей под нагрузкой справедлива формула (9.17).

 

 

5.3. Коэффициент полезного действия электропривода

КПД электропривода как электромеханической системы  определяется произведением КПД силового канала, а именно: произведением КПД преобразователя η_п, двигателя η_д и механической передачи η_м._п

η= η_п η_д η_м._п (9.29)

В общем случае, когда ЭП работает в некотором  цикле с различными скоростями или нагрузками на валу как в установившемся, так и переходном режимах, КПД двигателя определяется

 

 

 

 

где А_пол А_потр — полезная механическая и потребленная электрическая энергии двигателя; ∆А — потери энергии; Р_полi — полезная механическая мощность на i-м участке цикла; ∆Pi — потери мощности на i-м участке цикла; п — число участков работы ЭП.