Потери и КПД электроприводов в установившемся режиме.

Потери в электрических машинах детально изучаются в соответствующих курсах. Основные составляющие потерь в машине:

• потери в обмотках (потери в меди),
• потери в магнитопроводе (потери в стали),
• потери в трущихся частях (потери механические).

Для нерегулируемого электропривода первую составляющую, пропорциональную I2, относят к переменным потерям, поскольку IºM, а последний определяется моментом сопротивления, т.е. зависит от технологического процесса. Две другие составляющие относят условно к постоянным потерям, так как потери в магнитопроводе определяются практически неизменными амплитудой и частотой магнитной индукции, а механические потери – практически неизменной скоростью. Таким образом, для нерегулируемого электропривода в первом приближении можно считать
DР = К + I2R, (6.8)
где К – постоянные потери,
I и R – ток и сопротивление силовой цепи.
Более детальное качественное представление о потерях дает рис. 6.2
– диаграмма потерь при передаче энергии от электрического источника Р1 = 3UфIфcosj (илиР1 = UI для электропривода постоянного тока) к вращающейся нагрузке Р2 = Мw. На диаграмме указана также электромагнитная мощность Рэм = Мw0 – мощность в воздушном зазоре машины.

Рис. 6.2. Энергетическая диаграмма электрической машины
В принятых нами моделях электропривода для удобства предполагалось, что момент на валу равен моменту электромагнитному, а момент, связанный с потерями DМ, отнесен к моменту сопротивления Мс. Это допущение, существенно упрощающее все этапы анализа и синтеза электропривода, не вносит ощутимых погрешностей в результаты в подавляющем большинстве случаев, поскольку сами потери сравнительно невелики. Разумеется, в редких специальных случаях, когда либо потери значительны, либо их аккуратный учет представляет почему-либо самостоятельную задачу, нужно пользоваться более полными и точными моделями.
Общее представление об энергетической эффективности нерегулируемого электропривода дает зависимость КПД двигателя с редуктором от относительной нагрузки. На рис. 6.3 для ориентировки приведена такая
зависимость для двигателей средней мощности (15-150 кВт) с хорошим редуктором (КПД больше 0,95).

Рис. 6.3. Типичная зависимость КПД от нагрузки
Необходимо подчеркнуть, что работа с недогрузкой приводит к заметному снижению КПД, поэтому неоправданное завышение мощности двигателя «на всякий случай» – вредно. Так же вредны в соответствии с (6.5) неудачно организованные циклы, когда холостой ход занимает в цикле большое место.
В регулируемом по скорости электроприводе энергетическая эффективность определяется главным образом выбранным способом регулирования, в связи с чем все способы можно разделить на две большие группы в зависимости от того, изменяется или нет w0 в процессе регулирования.
К первой группе w0 = const относятся все виды реостатного регулирования, а также регулирование асинхронного двигателя с к.з. ротором изменением напряжения при неизменной частоте. Если принять для простоты, что Рэм » Р1 и DР2 » DР2м, то для этой группы получим:
(6.9)
т.е. потери в роторной (якорной) цепи при любой нагрузке пропорциональны разности скоростей Dw (w0 – w) или скольжению При реостатном регулировании лишь часть этих потерь, пропорциональная рассеивается внутри машины и греет ее. Другая часть, пропорциональная рассеивается вне машины, ухудшая, разумеется, энергетические показатели электропривода. Именно эта часть в каскадных схемах используется полезно.
Сложнее и неприятнее соотношение (6.9) проявляется в асинхронном электроприводе с к.з. ротором при регулировании изменением напряжения или каким-либо еще «хитрым» способом, но при постоянной частоте. Здесь вся мощность DР2 = Р1s рассеивается в двигателе, нагревая его и делая способ практически непригодным для продолжительного режима работы.
Интересно, что соотношение (6.9) нельзя «обмануть», хотя такие попытки делались и еще делаются.
К второй группе w0 = var относятся все «безреостатные» способы регулирования в электроприводах постоянного тока – изменением напряжения и магнитного потока и частотное регулирование в электроприводах переменного тока.
Принципиально способы второй группы энергетически предпочтительны, поскольку в (6.9) разность скоростей Dw » const, однако следует учитывать, что в устройствах, обеспечивающих w0 = var, тоже есть потери и при малых мощностях, небольших диапазонах регулирования и немалой стоимости устройств необходимы детальные сопоставления.