Рекомендації щодо виконання

Електроприводи з двигунами постійного струму до 1980-х років були практично єдиними регульованими електроприводами і використовувалися в агрегатах, де регулювання швидкості було потрібне: прокатні стани, екскаватори, металоріжучі верстати, папероробні машини та ін. Основна перевага цих електроприводів – відмінна керованість; головні недоліки – висока вартість машини, необхідність її обслуговування [8].

До 2000 р. у зв'язку з розвитком частотно-регульованого асинхронного електропривода частка електропривода постійного струму в сімействі регульованих електроприводів знизилася до 15 % і залишається приблизно на цьому рівні. У потужних агрегатах, коли необхідно забезпечити сприятливу взаємодію з мережею, використовується система генератор-двигун (Г-Д), при менших потужностях застосовують різні схеми тиристорних перетворювачів.

Електроприводи з двигунами постійного струму виконуються, як правило, з використанням перетворювачів, які здійснюють живлення обмоток якоря. При живленні електроприводів від мережі змінного струму такими перетворювачами є мотор-генераторні установки в системах Г-Д або керовані випрямлячі усіх видів – однофазні і трифазні, реверсивні і нереверсивні, мостові і з нульовою точкою. Статичні перетворювачі використовуються також для живлення обмоток збудження двигунів.

Перетворювачі забезпечують регулювання координат електропривода і створюють можливості енергозбереження в сталому і перехідному режимах.

Визначення оптимального струму збудження за якого сумарні

втрати потужності мінімальні

Мінімізація втрат потужності, що виділяються в двигуні, може забезпечуватися за рахунок регулювання струму збудження. Розглянемо умови мінімізації втрат потужності при наступних двох допущеннях: враховуються тільки втрати в ланцюгах обмоток якоря і збудження і не враховується насичення магнітного ланцюга двигуна. За цих умов режим роботи двигуна, що встановився, описується наступною системою рівнянь:

; (3.1)

; (3.2)

. (3.3)

де – втрати потужності відповідно в ланцюгах якоря і збудження; , – відповідно струми в ланцюгах якоря і збудження; , – відповідно опори ланцюгів якоря і збудження; – моменти двигуна і навантаження (опори), рівні один одному в сталому режимі; – магнітний потік двигуна; – конструктивний коефіцієнт двигуна; – коефіцієнт пропорційності між магнітним потоком і струмом збудження.

Підстановка формул (3.2) і (3.3) у формулу (3.1) призводить до наступного вираження для втрат потужності :

. (3.4)

Беручи похідну від за струмом збудження і прирівнюючи її до нуля, знаходимо оптимальне значення струму збудження, при якому сумарні втрати потужності мінімальні:

. (3.5)

Мінімальне значення сумарних втрат потужності відповідає цьому струму збудження, буде дорівнювати:

. (3.6)

З формули (3.6) випливає, що сумарні втрати потужності будуть мінімальними у тому випадку, коли втрати потужності в ланцюгах якоря і збудження дорівнюватимуть один одному. Це положення справедливе і для інших типів двигунів.

З формули (3.5) видно, що оптимальний струм збудження залежить від навантаження двигуна , тобто повинен регулюватися при її зміні. На рис. 3.1 показано схему електропривода, в якому здійснюється автоматична підтримка струму збудження на оптимальному рівні при зміні навантаження двигуна. При цьому визначення рівня навантаження робиться побічно за виміром струму в якорі двигуна.

Рисунок 3.1 – Схема електропривода з двигуном постійного струму при мінімізації втрат потужності

На схемі прийняті наступні позначення: ПЯ, ПЗ – відповідно перетворювачі ланцюгів якоря і збудження; ДСЯ і ДСЗ – відповідно датчики струмів якоря і збудження; П – блок перемножування; ФП – функціональний перетворювач, що здійснює розрахунок оптимального струму збудження відповідно до формули (3.5); РСЗ – регулятор струму збудження; – коефіцієнт передачі ланцюга збудження; Я – якір; DU, U_y – сигнали відповідно помилки (розузгодження) і управління перетворювачем збудження ПЗ.

Розрахунок втрат енергії у якорі при прямому і керованому пусках

двигуна постійного струму

Для електроприводів, що працюють в повторно-короткочасному режимі з частими пусками, гальмуваннями і реверсами, ефективне енергозбереження може бути здійснене за рахунок зниження втрат у цих перехідних процесах. Стосовно системи перетворювач-двигун постійного струму це забезпечується за рахунок керованого пуску і гальмування двигуна, коли напруга, що подається на якір двигуна, при пуску поступово підвищується від нуля до повного (номінального), а при гальмуванні поступово знижується до нульового рівня.

При цьому режим гальмування двигуна може бути реалізований з рекуперацією (віддачею) енергії в мережу.

На рис. 3.2, а приведена схема електропривода, в якій здійснюється регулювання напруги під час пуску і гальмування. Необхідним елементом схеми є задатчик швидкості (ЗШ), що називається також іноді задатчиком інтенсивності. Його роботу ілюструють діаграми на рис. 3.2, б і в. При подачі на вхід ЗШ ступінчастого сигналу завдання швидкості у момент часу (пуск двигуна) напруга на виході ЗШ починає поступово наростати, наприклад, за лінійною функцію часу, а при знятті цього сигналу в момент часу (гальмування двигуна) – поступово знижуватися.

Відповідно до цього пропорційно змінюватимуться напруга U, що подається на двигун і швидкість неробочого ходу двигуна, що визначається ним ω ₀ = U/кФ (рис. 3.2, г). Швидкість якоря двигуна ω (t) із-за інерційності елементів механічної частини електропривода і виконавчого органу робочої машини при пуску буде дещо меншою від швидкості ω ₀, a при гальмуванні – дещо більшою. За рахунок цього будуть знижені втрати енергії в якорі двигуна.

Рисунок 3.2 – Електропривод з двигуном постійного струму із задатчиком швидкості:

а – схема електропривода; б – сигнал на вході задатчика швидкості; в – сигнал на виході задатчика швидкості; г – графіки швидкості неробочого ходу та швидкості якоря

При лінійному наростанні напруги при пуску двигуна втрати енергії в його якорі визначаються наступним вираженням:

, (3.7)

де ∆ W – втрати енергії при прямому пуску (ступінчастій подачі повної напруги на якір); – електромеханічна постійна часу; – час пуску.

Втрати енергії в якорі двигуна визначаються:

, (3.8)

де J – момент інерції електропривода; – швидкість неробочого ходу двигуна; , – відповідно початковий і кінцевий відносний перепад швидкості двигуна ; – середній момент двигуна при пуску; – момент навантаження двигуна.

З формули (3.7) випливає, що при втрати енергії при керованому пуску буде менше в порівнянні з прямим пуском.

У системі генератор-двигун, схема якої представлена на рис. 3.3, плавна зміна напруги при пуску, гальмуванні і реверсі двигуна відбувається природним чином внаслідок наявності електромагнітної інерційності обмотки збудження генератора (ОЗГ). При пуску двигуна замикаються контакти апарата КМ1 (чи КМ2 для пуску двигуна в іншому напрямі), після чого відбувається плавне наростання струму збудження генератора (ЗГ) , його ЕРС і напруга на якорі двигуна U_, темп якого визначається постійною часу ланцюга збудження генератора. За рахунок цього відбувається зниження втрат потужності в двигуні в порівнянні з пуском двигуна подачею повної (номінального) напруги на якір.

Кількісне зниження втрат енергії в двигуні може бути оцінено за допомогою виразу:

, (3.9)

де – відношення постійних часу, ( – постійна часу ланцюга збудження генератора).

Рисунок 3.3 – Схема системи генератор-двигун

З виразу (3.9) видно, що втрати енергії в двигуні зменшуються в раз в порівнянні з відповідними втратами в ньому при стрибкоподібній зміні напруги на якорі. Іншими словами, чим більше інерція ланцюга збудження генератора і чим повільніше змінюється напруга на якорі двигуна постійного струму, тим менше будуть втрати енергії в перехідних процесах.

Рекуперація енергії в мережу змінного струму при гальмуванні двигуна (чи на першому етапі його реверсу) забезпечується за рахунок властивості оборотності енергетичних режимів електричних машин.

Гальмування двигуна здійснюється відключенням обмотки збудження від джерела живлення U_З розмиканням контактів КМ1 (чи КМ2). При цьому відбувається поступове зменшення струму збудження генератора, його ЕРС Е_Г і напруга на якорі двигуна U. Внаслідок наявності механічної інерції якоря двигуна, елементів механічної передачі і виконавчого органу робочої машини ЕРС двигуна Е_Д, що визначається швидкістю двигуна, перевищує ЕРС генератора. При цьому двигун Д переходить в режим генератора, генератор Г – в режим двигуна, а приводний двигун генератора АД – в режим генератора з віддачею (рекуперацією) енергії в мережу змінного струму напругою U₁.

Вказані властивості системи Г-Д роблять цю систему привабливої з позицій енергозбереження, в першу чергу, для робочих машин і виробничих механізмів, що працюють в повторно-короткочасному режимі. В той же час наявність електромашинного перетворювача (агрегат АД-Г) визначає складніші умови експлуатації електропривода, шум при роботі, необхідність фундаменту для установки цього агрегату, вищі втрати потужності в порівнянні з напівпровідниковими перетворювачами.

Електричне гальмування двигунів здійснюється перекладом їх в генераторний режим, у якому вони створюють на своєму валу гальмівний момент. За характером взаємодії з джерелом живлення (мережею) розрізняють три різновиди генераторного режиму і відповідно три види гальмування:

- генераторний режим роботи паралельно з мережею (режим рекуперативного гальмування);

- генераторний режим роботи послідовно з мережею (режим гальмування противключенням);

- генераторний режим роботи незалежно від мережі (режим динамічного гальмування).

Робота електричної машини в режимі генератора характеризується однаковим напрямом ЕРС і струму якоря, тоді як в руховому режимі ЕРС і струм якоря спрямовані зустрічно і двигун споживає електроенергію.

Таким чином, для перекладу двигуна в режим генератора необхідно забезпечити однаковий напрям ЕРС і струму якоря.

З позицій енергозбереження очевидним є використання рекуперативного гальмування, оскільки в цьому випадку запасена енергія в електроприводі і виконавчому органі робочої машини може бути віддана (рекуперована) джерелу живлення (у мережу), де може бути використана іншими споживачами енергії. Два інші види гальмування характеризуються перетворенням цієї енергії в теплову енергію, тобто вона просто втрачається.

Режим рекуперативного гальмування може бути реалізований у системі керований випрямляч – двигун при використанні як нереверсивного, так і реверсивного випрямляча. Детальніше режим рекуперативного гальмування розглянуто в [8].

Приклади виконання самостійної роботи

Приклад 1. Двигун постійного струму має наступні номінальні дані: ; ; ; ; ; ; ; . Необхідно знайти оптимальний струм збудження і відповідні йому втрати потужності при номінальному моменті навантаження .