загрузка...
загрузка...
На головну

Енергетична ефективність електроприводу

  1.  IX. РОЗВИТОК ТОНКИХ СПОСОБНОСТЕЙ І психоенергетичного захисту
  2.  Вплив культури на організаційну ефективність
  3.  Питання 3. Енергетична, протеїнова, амінокислотна, вітамінна і мінеральна поживність кормів.
  4.  Восьмий принцип. Своєчасність, безперервність і ефективність надання екстреної медичної допомоги.
  5.  Глава 10 ЕФЕКТИВНІСТЬ СИСТЕМ РОЗПІЗНАВАННЯ
  6.  ГЛАВА 19 ОРГАНІЗАЦІЙНА СВОБОДА І ЕФЕКТИВНІСТЬ
  7.  Глобальна енергетична проблема і шляхи її вирішення

Питання про енергетичні характеристики різних систем електроприводу вже порушувалося під час аналізу їх технічних показників в гл. 6. Однак тут до нього необхідно повернутися і розглянути в більш широкому плані в зв'язку з проблемою енергозбереження, гострота якої в період настання світової енергетичної кризи різко зросла. Ця гострота стає особливо зрозумілою, якщо згадати, що електропривод споживає понад половини вироблюваної в країні електроенергії, причому, на жаль, далеко не завжди раціонально з вини, головним чином, некомпетентних або безвідповідальних розробників електроприводів. Тому необхідно встановити достовірні і зручні технічні оцінки енергетично ефективних варіантів електроприводу, розкрити резерви енергозбереження та окреслення головних шляхи їх реалізації

При розгляді в §5.2 енергетики розімкнутої системи електропрівоца для оцінки енергетичної ефективності роботи електроприводу було використано загальноприйняте співвідношення між споживаної електроприводами потужністю Рс і корисною потужністю на робочому органі механізму Р0 в сталих режимах - ккд електроприводу hеп:

Була піддана аналізу відома залежність ККД від навантаження, обумовлена ??наявністю постійних втрат, для основних елементів електроприводу - двигуна і передавального механізму. Цієї інформації в принципі достатньо для порівняльної оцінки енергетичної ефективності варіантів електроприводу в найпростіших випадках, коли електропривод працює з постійним навантаженням в режимі S1. При змінних значеннях потужностей Pс і Рро відношення (10.1) характеризує миттєвий ККД. Оскільки на окремих ділянках енергія може передаватися від робочого органу до мережі, то в цих випадках hеп відображає економічність зворотного перетворення енергії, але при цьому hеп= Pc/ P0.

Коефіцієнт корисної дії електроприводу як системи, що визначається за (10.1), може бути представлений у вигляді добутку:

де hпр, H 'дв, H 'хутро - Відповідно ККД електричного і електромеханічного перетворювачів і механічної частини приводу; Рпр - Потужність на виході електричного перетворювача; Рдв - Електромагнітна механічна потужність.

При практичних розрахунках відомі ККД двигунів і механічних передач як окремих пристроїв, тому вираз (10.2) частіше використовується в запису

тут hхутро - ККД передавального механізму; Рпр - Електрична потужність на вході двигуна; РвДВ - Механічна потужність на валу двигуна.

Кожна зі складових загального ККД - величина не постійна, а залежить від навантаження кожного пристрою, швидкості електричних машин і інших чинників. Однак вихідним параметром, що характеризує кожен пристрій, є номінальний ККД, відповідний номінальному навантаженні і швидкості.

З визначення ККД слід, що ця енергетична характеристика є мірою ефективності перетворення енергії системою електроприводу, мірою корисного використання споживаної енергії.

Крім енергетичної ефективності перетворення споживаної електроприводом енергії, важливе значення має аналіз ефективності споживання енергії від мережі або автономного джерела живлення, т. Е. Характеристика електроприводу  як приймача електричної енергії. Економічність передачі електроенергії від джерела електроприводу залежить як від типу і технічних характеристик елементів електроприводу, так і від режимів його роботи. Наприклад, енергія, що витрачається на збудження двигунів постійного струму незалежного збудження, йде тільки на втрати, пов'язані з протіканням струмів в обмотках збудження і створенням початкового запасу електромагнітної енергії, при цьому частина енергії втрачається на шляху від джерела до електроприводу. Найбільш істотні ці втрати і вплив струмів намагнічування на «взаємини» джерела енергії і електроприводу в системах, що живляться від мережі змінного струму.

Нагадаємо коротко особливості передачі і споживання електроенергії на змінному струмі. Спочатку звернемося до співвідношень для однофазної ланцюга змінного струму.

Нехай напруга, прикладена до фази електричного перетворювача ЕП або безпосередньо до двигуна, є u = Umaxsin wел, А струм, який визначається режимом ЕП або електромеханічного перетворювача ЕМП, i = Imaxsin (wелt-ф) (рис.10.1). Миттєва потужність, споживана фазою:

де U, I - діючі значення напруги і струму.

Згідно з останнім висловом миттєва потужність може бути представлена ??двома складовими (рис.10.1, б). Одна з них в будь-який момент позитивна, має середнє значення UI · cos ф, яке визначає активну потужність. Інша складова має середнє значення, рівне нулю, і відображає процес періодичного обміну енергією між джерелом і приймачем. Амплітуда змінної складової цієї потужності UI · sin ф визначає реактивну потужність Її наявність при харчуванні, наприклад, фази двигуна змінного струму обумовлено періодичною зміною електромагнітної енергії з частотою 2wел. Ясно, що для передачі однієї і тієї ж середньої за період потужності Рcp= UI · cos ф при даному напрузі U і відсутності реактивної складової потужності був би необхідним ток Icos ф. Оскільки втрати потужності в активних опорах джерела, лінії і приймача RS визначаються повним струмом I, то при заданій активної потужності Рa= Рcp ці втрати будуть рівні:

або

т. е. в 1 / соs2ф раз перевищувати втрати DРпт при передачі тієї ж потужності постійним струмом, наприклад, при cos ф »0,7 втрати DР перевищують DРПТ більш ніж удвічі. Тому cos ф як енергетична характеристика електроприводів на змінному струмі визначає ефективність споживання активної потужності. При симетричному режимі асинхронних і синхронних двигунів сумарна потужність трифазного харчування буде постійна і дорівнює 3UI · cos ф. У цих умовах сума миттєвих періодичних складових P~(T) дорівнює нулю, т. Е. Якщо за однією з фаз енергія віддається джерела з потужністю P~(T), то по двох інших в цей же момент існує потік енергії зворотного напрямку тієї ж потужності.

Якщо поки не зачіпати енергетичні особливості вентильних електроприводів, можна зробити висновок, що при виборі системи електроприводу для механізмів безперервної дії, що працюють зі стабільною навантаженням на валу, зручною і достатньою оцінкою енергетичної ефективності електропривода є значення ККД h3п і cos ф (останній в ряді випадків називають коефіцієнтом зсуву). Однак в більшості випадків навантаження електроприводу в процесі його роботи змінюється, відповідно змінюються і значення hеп і cos ф, що істотно ускладнює використання цих показників При цьому для оцінки енергетичної ефективності виникає необхідність переходу від миттєвих значень ККД до його інтегральним значенням за певний час. Якщо навантаження електроприводу змінюється циклічно або проектується електропривод циклічної дії (режими S3-S8) природною базою для визначення енергетичного показника є час циклу tц.

При цьому ми повинні при визначенні ККД електроприводу співвіднести корисну роботу, вироблену за час tц механізмом, з енергією, спожитої за той же час електроприводом з мережі:

Або, розбиваючи цикл на ділянки роботи з постійним навантаженням

Розділивши чисельник і знаменник (10.5) на tц, Отримаємо середньозважене за цикл значення ККД

яке може використовуватися для оцінки енергетичної ефективності електроприводів, коли навантаження має реактивний характер, а перехідні процеси займають незначну частку часу циклу

Припустимо, проектується. нерегульований електропривод режиму S6 при ПН = 25%. Обрано асинхронний короткозамкнений двигун з високим номінальним ККД, причому обраний правильно, так що в період навантаження двигун завантажений на 95% і h = hном, Так само як і для всіх інших елементів електроприводу. Однак споживання протягом 75% часу циклу потужності втрат холостого ходу електропривода відповідно до (10.6) істотно знизить оцінку енергетичної ефективності. Виникнуть варіанти електроприводу, в яких її вдасться підвищити. Наприклад, розглядаючи формулу втрат холостого ходу електропривода з асинхронним корот-козамкнутим двигуном (5.8) при s »0, w» wном, F1 = f1ном, Можна зробити висновок, що споживання енергії при холостому ході можна істотно знизити, зменшивши напругу U1, Так як DРст~ Фm2, А Фm~ U1. Виберемо двигун серії 4А з лінійною напругою U1л. ном= 660 В при з'єднанні в зірку і передбачимо його харчування в проектованому електроприводі від мережі U1л. ном= 380 В за схемою, показаної на рис.10.2. У цій схемі в періоди холостого ходу за рахунок переключення обмотки статора з трикутника на зірку напруга на фазах двигуна знижується в O3 раз, відповідно енергоспоживання скорочується приблизно в 3 рази, середньозважений ККД суттєво збільшується, достовірно свідчить про підвищення енергетичної ефективності проектованого електроприводу в цьому варіанті.

Однак при істотному впливі динамічних навантажень і активної статичному навантаженні електроприводу на одних ділянках циклу енергія спрямована до механізму, а на інших від механізму. Можна уявити ситуацію, коли середня за цикл корисна потужність може виявитися рівною нулю і значення hпор. ц= 0 буде абсолютно невірно оцінювати енергетичну ефективність оптимальної системи електроприводу.

 Нехай операція будівельного баштового крана (ріс.10.3) передбачає переміщення вантажу G з точки а в точку d. Припустимо, що можлива траєкторія переміщення вантажу aed. Тоді корисна робота для механізму підйому визначається необхідним зміною потенційної енергії Apoц= Wп ad= G (ae) Зсув ed, що реалізовується приводом пересування крана, при нехтуванні опором повітря не вимагає витрат енергії Wed= 0.

Якщо в зв'язку з наявністю перешкоди вантаж повинен переміщатися по траєкторії aebcd, то корисна технологічна робота зростає

Звернемо увагу на те, що при русі по технологічної траєкторії фізична робота сил, зовнішніх по відношенню до потенційного полю сили тяжіння залишилася незмінною Wфіз= Wad= G (ae). Певна (10.7) технологічна робота при істотному впливі динамічних навантажень може відчутно відрізнятися від повної. Необхідно врахувати, що для реалізації технологічного переміщення по тій чи іншій траєкторії потрібні пуски і гальмування електроприводу, т. Е. Здійснення роботи для відповідних змін кінетичної енергії. Отже, при русі по найкоротшій траєкторії сумарна технологічна корисна робота складе:

де v - стала швидкість вертикального переміщення вантажу.

При наявності перешкоди значення технологічно корисної роботи більше:

Корисна фізична робота, як уже було зазначено, не змінюється і в разі, коли ab - cd, приймає значення, рівне нулю У той же час втрати енергії в другому варіанті більше, як за рахунок подовження переміщень, так і за рахунок збільшення кількості пусків і гальмувань.

У зв'язку з викладеним виникає необхідність отримання більш загального і достовірного показника енергетичної ефективності електропривода на основі уточнення і розширення уявлень про корисної праці електроприводу. Співвідношення (10.4) враховує фізичну корисну роботу на робочому органі механізму, але не враховує того, що з позицій технології робота електроприводу корисна як при підйомі, так і при спуску вантажу, як при збільшенні кінетичної енергії в рухомих масах (пуск) так і при її зниженні (гальмування). Правильне розуміння суті корисної роботи - найважливіше питання при оцінці енергетичної ефективності.

Введення поняття технологічно корисної роботи дозволяє ввести узагальнений показник енергетичної ефективності електропривода:

де DPSi - Сумарні втрати в електроприводі на i-й ділянці часу циклу;

 - Сумарна технологічно корисна робота за час циклу; | Рроi| - Модуль потужності навантаження на робочому органі механізму; WK - Зміна кінетичної енергії при пусках і гальмуваннях; m - число пусків і гальмувань в циклі.

Якщо вважати технологічно корисну роботу в проектованому циклі заданої, виходячи з певної технічним завданням продуктивності механізму, то відповідно до (10.8) найбільшим значенням  повинні відповідати найменші втрати енергії за час циклу

Отже, основним шляхом енергозбереження є скорочення втрат енергії у всіх елементах електроприводу будь-якими доступними для реалізації засобами. Граничним значенням коефіцієнта ефективності Н для системи електроприводу з даними параметрами є його значення при найменших можливих втратах DWSц.min, Відповідних виконання заданої технологічно корисної роботи. Оскільки втрати в енергетичних процесах неминучі, максимальні значення  = Нmax<1.

Перейдемо до аналізу основних практичних шляхів реалізації встановленої можливості енергозбереження засобами електропривода.

Перший шлях - правильний вибір двигунів за потужністю. Цей шлях має особливо важливе значення для масових електроприводів режиму S1 з асинхронними короткозамкненими двигунами і в достатній мірі обгрунтований вмістом гл. 5.

Другий шлях - використання спеціальних енергозберігаючих двигунів (також за умови правильності вибору по потужності), в яких за рахунок збільшення маси активних матеріалів (сталі та міді) підвищені номінальні значення ККД і cos ф. Цей шлях особливо важливий для приводів, що працюють безперервно з практично постійним навантаженням, прикладом може служити текстильна модифікація двигунів єдиної серії AT, AOT. В останні роки за кордоном, зокрема, в США, на цьому шляху отримують істотне підвищення енергетичної ефективності подібних електроприводів [8]. Однак доцільність створення та застосування енергозберігаючих двигунів вимагає суворого техніко-економічного обґрунтування, оскільки підвищення номінальних ККД і cos ф на кілька відсотків досягається ціною збільшення маси стали на 30-35%, міді - на 20-25%, алюмінію на 10-15%.

Третій шлях - оптимізація електроприводів за критерієм мінімуму втрат енергії або, що те ж, максимуму енергетичної ефективності. В даний час розвиток силової перетворювальної техніки і мікроелектроніки вже створило необхідні передумови для вирішення подібних завдань, а необхідність, як зазначено, зросла в зв'язку з різким загостренням енергетичної проблеми. З огляду на важливість цього шляху для перспективи, зупинимося на його розгляді трохи докладніше.

Нерегульований асинхронний електропривод є наймасовішим споживачем енергії, тому навіть невелика економія за рахунок зниження втрат в двигуні в масштабах всього парку експлуатованих в країні асинхронних двигунів може дати істотними ефект, Вище ми вже використовували для зниження втрат холостого ходу простий, дешевий і ефективний спосіб зниження напруги шляхом перемикання обмоток фаз статора з трикутника на зірку (див. рис.10.2). Проте цілком імовірно, що застосувавши безперервне регулювання, можна було б забезпечити подальше зниження втрат, знизивши напругу до значення Uопт, при якому втрати мінімальні. У цьому можна переконатися, розглянувши представлені на рис.10.4 залежності втрат, струму статора і потужності асинхронного двигуна типу 4А180М4 (30 кВт, 2р = 6) від напруги живлення (синусоїдальної форми) при навантаженні на валу Мс= 0,2 МНОМ. Тут наочно показано, що при безперервному управлінні напругою U1 можна забезпечити мінімум втрат DР, або мінімум споживаного струму I1, Або мінімум споживання потужності Рс.

 Як для асинхронного двигуна, так і для двигуна постійного струму з незалежним збудженням при недовантаження можлива мінімізація втрат завдяки тому, що втрати на збудження, включаючи втрати в сталі, залежать від квадрата струму намагнічування і потоку (5.8) і від квадрата струму збудження і потоку ( 5.6) відповідно. За допомогою співвідношень, отриманих в §5.2, для обох типів машин в відносних одиницях можна записати:

Зв'язок між струмом навантаження і моментом для двигуна постійного струму

для асинхронного двигуна

де ф2 - Кут між векторами I2'І Фm, при малих ковзаннях f2= P / 2.

Тому в області недовантаження для того і іншого двигуна можна записати

а для асинхронного двигуна крім того прийняти w0, = W. При цьому

При роботі електроприводу зазвичай задаються координати механічного руху М і w, тому варійованими змінними, що дозволяють змінювати втрати, є лише Im або Iв і Фm або Ф. Отже, керуючим впливом є для асинхронного двигуна напруга U1, а для двигуна постійного струму напруга збудження Uв. Якщо не враховувати насичення (IВ *= Ф*), То потік, при якому втрати мінімальні, визначається з умови:

або

З (10.11) - (10.13) одержуємо

При спільному вирішенні (10 13) - (10.15) одержуємо значення потоку, при якому втрати в двигуні мінімальні для заданих значень М* і w*

Повні втрати для оптимального потоку отримаємо з (10.11) і (10.12) при виконанні умови (10.16):

Втрати при номінальному потоці визначаються з (10.11) і (10.12) для Ф*= 1:

За допомогою (10.17) і (10.18) проаналізуємо, як змінюються втрати в двигуні при різних навантаженнях електроприводу при w*= 1 Для М = Мном (М*= 1)

Ці втрати відрізняються незначно, так як (10 19) відповідає номінальному режиму роботи двигуна, який близький до оптимального з втратами (10.20). При роботі в режимі холостого ходу (М*= 0)

Таким чином, регулювання потоку при змінному навантаженні і постійної швидкості електроприводу дозволяє зменшити втрати на величину не більше (kv*+ kв *+ kст *), Яка становить 20 ^ -50% від повних втрат в номінальному режимі.

При оптимізації електроприводів за критерієм мінімуму втрат необхідно мати на увазі вплив реалізованого способу управління на інші технічні показники електроприводу, які при цьому можуть погіршуватися. Зокрема, регулювання потоку погіршує швидкодію електроприводу, ускладнює систему управління, збільшує габарити електроприводу, знижує його надійність і т. П. Як зазначено вище вибір оптимального варіанта повинен грунтуватися техніко-економічно з урахуванням всіх показників.

 




 Способи регулювання швидкості асинхронного електроприводу |  Особливості частотного регулювання швидкості асинхронного електроприводу |  Принцип орієнтування по полю двигуна при частотному управлінні |  Каскадні схеми регулювання швидкості асинхронного електроприводу |  Каскади з Однозонна регулюванням швидкості |  Оптимізація регульованого електроприводу з пружними зв'язками за критерієм мінімуму колебательности |  Загальні відомості |  Точний останов електроприводу |  Автоматичне регулювання положення по відхиленню |  Поняття про стежить електроприводі |

загрузка...
© um.co.ua - учбові матеріали та реферати