Энергетическая эффективность электропривода
Вопрос об энергетических характеристиках различных систем электропривода уже затрагивался при анализе их технических показателей в гл. 6. Однако здесь к нему необходимо вернуться и рассмотреть в более широком плане в связи с проблемой энергосбережения, острота которой в период наступления мирового энергетического кризиса резко возросла. Эта острота становится особенно понятной, если вспомнить, что электропривод потребляет свыше половины вырабатываемой в стране электроэнергии, причем, к сожалению, далеко не всегда рационально по вине, главным образом, некомпетентных или безответственных разработчиков электроприводов. Поэтому необходимо установить достоверные и удобные технические оценки энергетически эффективных вариантов электропривода, вскрыть резервы энергосбережения и наметить главные пути их реализации
При рассмотрении в §5.2 энергетики разомкнутой системы электропривоца для оценки энергетической эффективности работы электропривода было использовано общепринятое соотношение между потребляемой электроприводами мощностью Рс и полезной мощностью на рабочем органе механизма Р0 в установившихся режимах - кпд электропривода hэп:
Была подвергнута анализу известная зависимость КПД от нагрузки, обусловленная наличием постоянных потерь, для основных элементов электропривода - двигателя и передаточного механизма. Этой информации в принципе достаточно для сравнительной оценки энергетической эффективности вариантов электропривода в простейших случаях, когда электропривод работает с постоянной нагрузкой в режиме S1. При переменных значениях мощностей Pс и Рро отношение (10.1) характеризует мгновенный КПД. Поскольку на отдельных участках энергия может передаваться от рабочего органа к сети, то в этих случаях hэп отражает экономичность обратного преобразования энергии, но при этом hэп=Pc/P0.
Коэффициент полезного действия электропривода как системы, определяемый по (10.1), может быть представлен в виде произведения:
где hпр, h'дв, h'мех - соответственно КПД электрического и электромеханического преобразователей и механической части привода; Рпр - мощность на выходе электрического преобразователя; Рдв - электромагнитная механическая мощность.
При практических расчетах известны КПД двигателей и механических передач как отдельных устройств, поэтому выражение (10.2) чаще используется в записи
здесь hмех - КПД передаточного механизма; Рпр - электрическая мощность на входе двигателя; Рвдв - механическая мощность на валу двигателя.
Каждая из составляющих общего КПД - величина не постоянная, а зависящая от нагрузки каждого устройства, скорости электрических машин и других факторов. Однако исходным параметром, характеризующим каждое устройство, является номинальный КПД, соответствующий номинальной нагрузке и скорости.
Из определения КПД следует, что эта энергетическая характеристика является мерой эффективности преобразования энергии системой электропривода, мерой полезного использования потребляемой энергии.
Кроме энергетической эффективности преобразования потребляемой электроприводом энергии, важное значение имеет анализ эффективности потребления энергии от сети или автономного источника питания, т.е. характеристика электропривода
Напомним кратко особенности передачи и потребления электроэнергии на переменном токе. Вначале обратимся к соотношениям для однофазной цепи переменного тока.
Пусть напряжение, приложенное к фазе электрического преобразователя ЭП или непосредственно к двигателю, есть u=Umaxsin wэл, а ток, определяемый режимом ЭП или электромеханического преобразователя ЭМП, i=Imaxsin (wэлt-ф) (рис.10.1).
Мгновенная мощность, потребляемая фазой:
где U, I - действующие значения напряжения и тока.
Согласно последнему выражению мгновенная мощность может быть представлена двумя составляющими (рис.10.1,б). Одна из них в любой момент положительна, имеет среднее значение UI·cos ф, которое определяет активную мощность. Другая составляющая имеет среднее значение, равное нулю, и отражает процесс периодического обмена энергией между источником и приемником. Амплитуда переменной составляющей этой мощности UI·sin ф определяет реактивную мощность Ее наличие при питании, например, фазы двигателя переменного тока обусловлено периодическим изменением электромагнитной энергии с частотой 2wэл. Ясно, что для передачи одной и той же средней за период мощности Рcp=UI·cos ф при данном напряжении U и отсутствии реактивной составляющей мощности был бы необходимым ток Icos ф. Поскольку потери мощности в активных сопротивлениях источника, линии и приемника RS определяются полным током I, то при заданной активной мощности Рa=Рcp эти потери будут равны:
или
т.е. в 1/соs2ф раз превышать потери DРпт при передаче той же мощности постоянным током, например, при cos ф»0,7 потери DР превышают DРПТ более чем вдвое. Поэтому cos ф как энергетическая характеристика электроприводов на переменном токе определяет эффективность потребления активной мощности. При симметричном режиме асинхронных и синхронных двигателей суммарная мощность трехфазного питания будет постоянна и равна 3UI·cos ф. В этих условиях сумма мгновенных периодических составляющих P~(t) равна нулю, т.е. если по одной из фаз энергия отдается источнику с мощностью P~(t), то по двум другим в этот же момент существует поток энергии обратного направления той же мощности.
Если пока не затрагивать энергетические особенности вентильных электроприводов, можно заключить, что при выборе системы электропривода для механизмов непрерывного действия, работающих со стабильной нагрузкой на валу, удобной и достаточной оценкой энергетической эффективности электропривода являются значения КПД h3п и cos ф (последний в ряде случаев именуют коэффициентом сдвига).
Однако в большинстве случаев нагрузка электропривода в процессе его работы изменяется, соответственно меняются и значения hэп и cos ф, что существенно осложняет использование этих показателей При этом для оценки энергетической эффективности возникает необходимость перехода от мгновенных значений КПД к его интегральным значениям за определенное время. Если нагрузка электропривода изменяется циклически или проектируется электропривод циклического действия (режимы S3-S8) естественной базой для определения энергетического показателя является время цикла tц.
При этом мы должны при определении КПД электропривода соотнести полезную работу, произведенную за время tц механизмом, с энергией, потребленной за то же время электроприводом из сети:
Или, разбивая цикл на участки работы с постоянной нагрузкой
Разделив числитель и знаменатель (10.5) на tц, получим средневзвешенное за цикл значение КПД
которое может использоваться для оценки энергетической эффективности электроприводов, когда нагрузка имеет реактивный характер, а переходные процессы занимают незначительную долю времени цикла
Допустим, проектируется .нерегулируемый электропривод режима S6 при ПН=25%. Выбран асинхронный короткозамкнутый двигатель с высоким номинальным КПД, причем выбран правильно, так что в период нагрузки двигатель загружен на 95% и h=hном, равно как и для всех остальных элементов электропривода. Однако потребление в течение 75% времени цикла мощности потерь холостого хода электропривода в соответствии с (10.6) существенно снизит оценку энергетической эффективности. Возникнут варианты электропривода, в которых ее удастся повысить. Например, рассматривая формулу потерь холостого хода электропривода с асинхронным корот-козамкнутым двигателем (5.8) при s»0, w»wном, f1=f1ном, можно заключить, что потребление энергии при холостом ходе можно существенно снизить, уменьшив напряжение U1, так как DРст~Фm2, а Фm~U1. Выберем двигатель серии 4А с линейным напряжением U1л.ном=660 В при соединении в звезду и предусмотрим его питание в проектируемом электроприводе от сети U1л.ном=380 В по схеме, показанной на рис.10.2.
В этой схеме в периоды холостого хода за счет переключения обмотки статора с треугольника на звезду напряжение на фазах двигателя снижается в Ö3 раз, соответственно энергопотребление сокращается примерно в 3 раза, средневзвешенный КПД существенно увеличивается, достоверно свидетельствуя о повышении энергетической эффективности проектируемого электропривода в этом варианте.
Однако при существенном влиянии динамических нагрузок и активной статической нагрузке электропривода на одних участках цикла энергия направлена к механизму, а на других от механизма. Можно представить ситуацию, когда средняя за цикл полезная мощность может оказаться равной нулю и значение hср.ц=0 будет совершенно неверно оценивать энергетическую эффективность хорошей системы электропривода.
Если в связи с наличием препятствия груз должен перемешаться по траектории aebcd, то полезная технологическая работа возрастает
Обратим внимание на то, что при движении по технологической траектории физическая работа сил, внешних по отношению к потенциальному полю силы тяжести осталась неизменной Wфиз=Wad=G(ae). Определенная (10.7) технологическая работа при существенном влиянии динамических нагрузок может ощутимо отличаться от полной. Необходимо учесть, что для реализации технологического перемещения по той или иной траектории требуются пуски и торможения электропривода, т.е. совершение работы для соответствующих изменений кинетической энергии. Следовательно, при движении по кратчайшей траектории суммарная технологическая полезная работа составит:
где v - установившаяся скорость вертикального перемещения груза.
При наличии препятствия значение технологически полезной работы больше:
Полезная физическая работа, как уже было отмечено, не изменяется и в случае, когда ab - cd, принимает значение, равное нулю В то же время потери энергии во втором варианте больше, как за счет удлинения перемещений, так и за счет увеличения числа пусков и торможений.
В связи с изложенным возникает необходимость получения более общего и достоверного показателя энергетической эффективности электропривода на основе уточнения и расширения представлений о полезной работе электропривода. Соотношение (10.4) учитывает физическую полезную работу на рабочем органе механизма, но не учитывает того, что с позиций технологии работа электропривода полезна как при подъеме, так и при спуске груза, как при увеличении кинетической энергии в движущихся массах (пуск) так и при ее снижении (торможение). Правильное понимание сути полезной работы - важнейший вопрос при оценке энергетической эффективности.
Введение понятия технологически полезной работы позволяет ввести обобщенный показатель энергетической эффективности электропривода:
где DPSi - суммарные потери в электроприводе на i-ом участке времени цикла;
Если полагать технологически полезную работу в проектируемом цикле заданной, исходя из определенной техническим заданием производительности механизма, то в соответствии с (10.8) наибольшему значению
Следовательно, основным путем энергосбережения является сокращение потерь энергии во всех элементах электропривода любыми доступными для реализации средствами. Предельным значением коэффициента эффективности Н для системы электропривода с данными параметрами является его значение при наименьших возможных потерях DWSц.min, соответствующих выполнению заданной технологически полезной работы.
Поскольку потери в энергетических процессах неизбежны, максимальные значения
Перейдем к анализу основных практических путей реализации установленной возможности энергосбережения средствами электропривода.
Первый путь - правильный выбор двигателей по мощности. Этот путь имеет особо важное значение для массовых электроприводов режима S1 с асинхронными короткозамкнутыми двигателями и в достаточной мере обоснован содержанием гл. 5.
Второй путь - использование специальных энергосберегающих двигателей (также при условии правильности выбора по мощности), в которых за счет увеличения массы активных материалов (стали и меди) повышены номинальные значения КПД и cos ф. Этот путь особенно важен для приводов, работающих непрерывно с практически постоянной нагрузкой, примером может служить текстильная модификация двигателей единой серии AT, AOT. В последние годы за рубежом, в частности, в США, на этом пути получают существенное повышение энергетической эффективности подобных электроприводов [8]. Однако целесообразность создания и применения энергосберегающих двигателей требует строгого технико-экономического обоснования, поскольку повышение номинальных КПД и cos ф на несколько процентов достигается ценой увеличения массы стали на 30-35%, меди - на 20-25%, алюминия на 10-15%.
Третий путь - оптимизация электроприводов по критерию минимума потерь энергии или, что то же, максимума энергетической эффективности. В настоящее время развитие силовой преобразовательной техники и микроэлектроники уже создало необходимые предпосылки для решения подобных задач, а необходимость, как отмечено, возросла в связи с резким обострением энергетической проблемы. Учитывая важность этого пути для перспективы, остановимся на его рассмотрении несколько подробнее.
Нерегулируемый асинхронный электропривод является самым массовым потребителем энергии, поэтому даже небольшая экономия за счет снижения потерь в двигателе в масштабах всего парка эксплуатируемых в стране асинхронных двигателей может дать существенными эффект, Выше мы уже использовали для снижения потерь холостого хода простой, дешевый и эффективный способ снижения напряжения путем переключения обмоток фаз статора с треугольника на звезду (см.
рис.10.2). Однако вполне вероятно, что применив непрерывное регулирование, можно было бы обеспечить дальнейшее снижение потерь, снизив напряжение до значения Uопт, при котором потери минимальны. В этом можно убедиться, рассмотрев представленные на рис.10.4 зависимости потерь, тока статора и мощности асинхронного двигателя типа 4А180М4 (30 кВт, 2р=6) от напряжения питания (синусоидальной формы) при нагрузке на валу Мс=0,2МНОМ. Здесь наглядно показано, что при непрерывном управлении напряжением U1 можно обеспечить минимум потерь DР, либо минимум потребляемого тока I1, либо минимум потребления мощности Рс.
Связь между током нагрузки и моментом для двигателя постоянного тока
для асинхронного двигателя
где ф2 - угол между векторами I2' и Фm , при малых скольжениях f2=p/2.
Поэтому в области недогрузки для того и другого двигателя можно записать
а для асинхронного двигателя кроме того принять w0,=w. При этом
При работе электропривода обычно задаются координаты механического движения М и w, поэтому варьируемыми переменными, позволяющими изменять потери, являются лишь Im или Iв и Фm или Ф. Следовательно, управляющим воздействием является для асинхронного двигателя напряжение U1, а для двигателя постоянного тока напряжение возбуждения Uв. Если не учитывать насыщение (IВ*=Ф*), то поток, при котором потери минимальны, определяется из условия:
или
Из (10.11)-(10.13) получаем
При совместном решении (10 13)-(10.15) получаем значение потока, при котором потери в двигателе минимальны для заданных значений М* и w*
Полные потери для оптимального потока получим из (10.11) и (10.12) при выполнении условия (10.16):
Потери при номинальном потоке определяются из (10.11) и (10.12) для Ф*=1:
С помощью (10.17) и (10.18) проанализируем, как изменяются потери в двигателе при различных нагрузках электропривода при w*=1 Для М=Мном (М*=1)
Эти потери отличаются незначительно, так как (10 19) соответствует номинальному режиму работы двигателя, который близок к оптимальному с потерями (10.20). При работе в режиме холостого хода (М*=0)
Таким образом, регулирование потока при переменной нагрузке и постоянной скорости электропривода позволяет уменьшить потери на величину не более (kv*+kв*+kст*), которая составляет 20^-50% от полных потерь в номинальном режиме.
При оптимизации электроприводов по критерию минимума потерь необходимо иметь в виду влияние реализуемого способа управления на другие технические показатели электропривода, которые при этом могут ухудшаться. В частности, регулирование потока ухудшает быстродействие электропривода, усложняет систему управления,увеличивает габариты электропривода, снижает его надежность и т. п. Как отмечено выше выбор рационального варианта должен обосновываться технико-экономически с учетом всех показателей.
