Теория электропривода

Теория электропривода (часть 2) Конспект лекций для студентов дневной и заочной форм обучения Содержание 5. Регулирование координат электропривода 5.1 Требования к координатам электропривода и формированию его статических и динамических характеристик 5.2 Основные показатели способов регулирования координат электропривода 5.3 Системы управляемый преобразователь – двигатель (УП–Д) 5.4 Система генератор–двигатель постоянного тока (Г–Д) 5.5 Расчет статических механических характеристик в системе Г-Д 5.6 Система тиристорный преобразователь – двигатель (ТП–Д) 5.7 Торможение и реверсирование двигателя в системе ТП-Д и статические механические характеристики реверсивного вентильного электропривода постоянного тока 5.8 Расчет статических механических характеристик в системе ТП-Д 5.9 Коэффициент мощности и основные технико-экономические показатели системы ТП-Д 5.10 Законы частотного регулирования асинхронными двигателями 5.11 Статические механические характеристики АД, при частотном управлении с компенсацией падений напряжений 5.12 Система ПЧ-АД с электромашинным и статическим преобразователем частоты и основные технико-экономические показатели 5.13 Регулирование скорости АД в каскадных схемах. Принцип регулирования и понятие об электрическом и электромеханическом каскадах 5.14 Каскад с асинхронным двигателем, работающим в режиме двойного питания 5.15 Каскады АД с машиной постоянного тока и вентильным преобразователем 5.16 Регулируемый электропривод переменного тока с вентильным двигателем (ВД) 6. Нагревание электродвигателей и основы их выбора по мощности 6.1 Общие сведения о нагревании двигателей и нагрузочных диаграммах электроприводов 6.2 Номинальные режимы работы электродвигателей 6.3 Нагревание и охлаждение двигателей при длительном режиме работы с постоянной нагрузкой 6.4 Нагревание двигателей при кратковременном режиме работы с постоянной нагрузкой 6.5 Нагревание двигателей при повторно-кратковременном режиме работы 6.6 Предварительный выбор двигателей по мощности 6.7 Проверка допустимой нагрузки двигателя по методу средних потерь 6.8 Определение потерь и КПД двигателя при номинальной и неноминальной нагрузке 6.9 Проверка допустимой нагрузки двигателя по методу эквивалентного (среднеквадратичного) тока 6.10 Проверка допустимой нагрузки двигателя по методам эквивалентного момента и эквивалентной мощности 6.11 Выбор мощности двигателя для работы с длительной неизменной нагрузкой 6.12 Выбор мощности двигателя для кратковременного режиме работы 6.13 Выбор мощности двигателя для повторно-кратковременного режима работы 6.14 Выбор двигателей для работы в режимах S4  S8 и выбор преобразователей для регулируемых электроприводов 6.15 Особенности выбора мощности АД с к.з. ротором и определение допустимого числа включений их в час при повторно-кратковременном режиме работы 7. Энергетика электроприводов 7.1 Потери энергии при установившемся режиме работы нерегулируемого электропривода 7.2 Потери мощности и энергии в установившемся режиме регулируемого электропривода 7.4 Потери энергии при переходных процессах в нерегулируемом электроприводе 7.5 Потери энергии при переходных процессах в регулируемом электроприводе и способы уменьшения потерь энергии 8. Принципы автоматизации процессов Использованная литература 5. Регулирование координат электропривода 5.1 Требования к координатам электропривода и формированию его статических и динамических характеристик Электрический привод служит не только для приведения в движение рабочих органов механизма, но и управляет его технологическим процессом. При управлении требуется не только поддерживать на заданном уровне такие переменные (координаты), как момент двигателя, скорость и ускорение механизма, или изменять их по заданным законам с требуемой по условиям технологии точностью, но одновременно и ограничивать эти переменные уровнем, допустимым по условиям технологии или прочности механического оборудования. Управление движением электропривода и технологическим процессом установки, как правило, требует регулирования нескольких координат, различных на разных этапах работы. В зависимости от задач управления регулирование координат может осуществляться с целью: а) поддержания заданного уровня переменной; б) изменения переменной по заданному закону; в) ограничения переменной допустимым значением; г) отработки законов движения, задаваемых на входе системы с требуемой точностью. Возможные следующие способы управления переменными: а) параметрические способы, используемые в разомкнутых системах; б) способы автоматического управления, основанные на изменении подводимого к двигателю напряжения, а для двигателей переменного тока еще и частоты при использовании обратных связей, что имеет место в замкнутых системах. Хотя параметрические способы, основанные на изменении параметров цепей двигателей, широко и применяются в современном электроприводе, однако возможности их ограничены, т.к. во многих случаях при таком регулировании нельзя обеспечить требуемые режимы работы и показатели. Поэтому область разомкнутых систем электропривода сужается и они заменяются замкнутыми системами с обратными связями. Автоматическое регулирование переменных осуществляется по отклонению переменной от заданного значения с помощью отрицательной обратной связи по регулируемой переменной (это основной способ регулирования). 5.2 Основные показатели способов регулирования координат электропривода Для сопоставления между собой возможных способов регулирования координат используются следующие обобщенные показатели: 1. Точность (стабильность) регулирования. 2. Диапазон регулирования. 3. Плавность регулирования. 4. Динамические показатели качества регулирования. 5. Экономичность регулирования. 6. Допустимая нагрузка при регулировании. Точность регулирования или иначе точность поддержания заданной переменной Х определяется возможными отклонениями ее от заданного значения под действием возмущающих факторов, например, изменении нагрузки при регулировании скорости, изменении скорости при регулировании момента и т.п. В разомкнутых системах оценкой точности может служить отношение наибольшего отклонения (рис. 5.2.1) регулируемой величины к среднему значению Чем жестче зависимость Х от Fв, тем точнее регулирование. Диапазон регулирования характеризует пределы изменения средних значений переменной Х, возможные при данном способе регулирования (рис. 5.2.2) Обычно Д обозначается в числах, например . Верхний предел регулирования переменной ограничивается максимально допустимым или максимально реализуемым значением переменной, а нижний предел – необходимой точностью поддержания заданной переменной и возможностью практической реализации при данном способе регулирования. Например, верхний предел регулирования скорости двигателя ограничивается механической прочностью якоря или ротора, а для двигателей постоянного тока еще и условиями коммутируемой, т.к. с увеличением скорости возрастает реактивная ЭДС в коммутируемой секции обмотки якоря. Нужно иметь в виду, что снижение среднего значения регулируемой переменной приводит к росту относительной ошибки х*макс регулирования. Если показанное на рис. 5.2.2 значение хср.мин считать минимально допустимым по условиям точности регулирования, то ему при заданной допустимой относительной ошибке х*доп соответствует соотношение Плавность регулирования характеризуется числом дискретных (промежуточных) значений регулируемой переменной, получаемых при данном способе регулирования в диапазоне регулирования. Она тем выше, чем меньше скачок переменной при переходе от данного ее значения к ближайшему возможному значению. Иногда для оценки плавности используется понятие коэффициента плавности, под которым понимается отношение двух соседних значений переменной Чем ближе кпл к единице, тем плавнее регулирование. При автоматическом регулировании координат электропривода важное значение имеют динамические показатели качества регулирования, оцениваемые по характеру переходного процесса при скачке управляющего воздействия. Главным показателем быстродействия, непосредственно влияющим на производительность ряда механизмов, является время пуска и торможения электропривода. Быстродействие характеризуется такими показателями, как время запаздывания tз, время регулирования tр, за которое переменная первый раз достигает установившегося значения хуст, время максимума tмакс, общее время переходного процесса tпп, за которое затухают все его свободные составляющие (рис. 5.2.3). Перерегулирование представляет собой динамическую ошибку и характеризуется максимальным отклонением хмакс от хуст при tмакс, отнесенным к установившемуся значению регулируемой переменной Колебательность характеризуется наименьшим значением логарифмического декремента, соответствующего комплексно–сопряженным корням характеристического уравнения системы или частотным показателем колебательности. Экономичность регулирования оценивается по первоначальным капитальным затратам, связанным с созданием данной системы электропривода, и по эксплуатационным расходам на электроэнергию, оцениваемым главным образом по таким показателям, как КПД и коэффициент мощности при регулировании скорости. При оценке экономической эффективности должны учитываться не только указанные факторы, но и то, что дополнительные затраты и эксплуатационные расходы на создание более совершенной системы регулирования должны окупиться повышением производительности и надежности работы системы, а также улучшением качества продукции. Одной из главных переменных, необходимость регулирования, которой диктуется технологическими требованиями, в большинстве случаев является скорость электропривода. При ее регулировании необходимо знать, какие механические нагрузки могут быть допустимы на валу двигателя. Поэтому одним из важнейших показателей является допустимая нагрузка. Необходимость ее оценки возникает в связи с тем, что Мс приводимого механизма в общем случае также зависит от скорости. Допустимая нагрузка зависит от метода регулирования скорости, ограничивается нагревом двигателя, вызванным потерями энергии в нем. Они же определяются главным образом величиной потребляемого тока. Обычно считается, что двигатель работает нормально, если при продолжительной нагрузке токи в цепях его обмоток не превышают номинального значения. В этом случае двигатель не нагревается выше допустимой температуры. Для определения допустимой нагрузки (допустимого момента) необходимо найти его величину, соответствующую номинальному току главной цепи двигателя при различных скоростях, и тем самым установить зависимость Мдоп=f(ω). Весьма существенным является обеспечение соответствия закона изменения Мс и характера зависимости предельно допустимого по условиям нагрева момента двигателя от скорости. Рациональное использование двигателя при регулировании скорости будет в том случае, когда эквивалентный по нагреву момент двигателя при изменении рабочей скорости будет меняться по такому же закону, что и Мс. При отсутствии такого совпадения двигатель будет плохо использоваться в тепловом отношении в одной части диапазона изменения скорости и может оказаться перегруженным в другой. Момент и мощность, развиваемая двигателем, зависит от метода регулирования. Регулирование возможно при постоянстве момента и при постоянстве мощности, т.е. различаются две зоны регулирования (см. рис.5.2.4) Зона I соответствует регулированию при постоянстве момента. Например, в случае ДНВ при номинальном токе и Ф=Фн Мощность Р2 на валу двигателя в этой зоне изменяется по линейному закону, т.е. пропорциональна скорости Зона II соответствует регулированию с постоянной мощностью. В этом случае (применительно к ДНВ при ослаблении магнитного потока) с увеличением скорости момент изменяется по закону гиперболы (нагрузку двигателя необходимо уменьшить так, чтобы при любой данной скорости момент двигателя был равен Мс). 5.3 Системы управляемый преобразователь – двигатель (УП–Д) При автоматическом регулировании координат электропривода в качестве управляющего воздействия может быть выбран любой параметр, оказывающий влияние на регулируемую переменную. В случае электроприводов постоянного тока наиболее высокая управляемость обеспечивается изменением напряжения, подводимого к якорной цепи двигателя при Ф=const, а в случае асинхронных и синхронных электроприводов – изменением частоты и величины приложенного напряжения. Для реализации этих возможностей питание двигателя должно осуществляться от управляемого источника. В случае двигателей постоянного тока в качестве такого источника используется генераторы постоянного тока или статические (тиристорные) преобразователи переменного тока в постоянный, а для частотного управления электроприводами с АД и СД – синхронные генераторы, тиристорные или транзисторные преобразователи частоты. Получающиеся во всех этих случаях системы электропривода с управляемым индивидуальным источником питания, называются системами УП-Д (управляемый преобразователь–двигатель). Рассмотрим основные свойства этих систем, их математическое описание, их достоинства и недостатки, возможности регулирования координат. 5.4 Система генератор–двигатель постоянного тока (Г–Д) Принципиальная схема системы Г–Д без обратных связей изображена на рис. 5.4.1. В качестве управляемого преобразователя в ней используется генератор постоянного тока независимого возбуждения, приводимый во вращение асинхронным или синхронным двигателем, который называется гонным или сетевым. В качестве приводного двигателя рабочей машины используется двигатель независимого возбуждения (ДНВ). Пуск системы осуществляется включением сетевого двигателя, вращающего генератор. Приводной двигатель перед этим должен быть полностью возбужден, т.е. его Ф должен быть равен ФН. Напряжение на обмотке возбуждения генератора должно быть равно 0. При подаче напряжения на обмотку возбуждения генератора и его увеличении, он будет развивать ЭДС, появится напряжение на обмотке якоря ДПТ, и последний будет разгоняться. При номинальном возбуждении генератора напряжение на якоре ДПТ должно быть номинальным (при холостом ходе ДПТ). В случае сетевого АД с увеличением нагрузки на валу приводного ДПТ возрастает тормозной момент ГПТ, что вызывает снижение скорости гонного АД, следовательно, снижение скорости ГПТ и его ЭДС, что, в свою очередь сказывается и на напряжении якоря ДПТ и его скорости. В мощных электроприводах по системе ГД это снижение составляет (1,52)%. Преимуществом асинхронного гонного двигателя является простота, надежность, дешевизна, малая колебательность. Достоинством гонного СД является его меньшая критичность к колебаниям напряжения сети, возможность работать с опережающим током. Обычно СД используется при мощностях генератора порядка сотен и тысяч кВт. Питание обмотки возбуждения ГПТ в современных системах ГД, осуществляется от тиристорного или транзисторного преобразователей, обладающих высоким быстродействием и большим коэффициентом усиления по мощности. Зависимость выходного напряжения тиристорного возбудителя от UУ изображена на рис.5.4.2. Ее рабочий участок без особой погрешности можно считать линейным. Динамические процессы в ТВ описывается уравнением. , где – коэффициент усиления ТВ по напряжению: ТТВ – электромагнитная постоянная ТВ, не превышающая 0,01с. Пренебрегая гистерезисом магнитной цепи генератора, и считая его ненасыщенным, для линейного участка зависимости EГ=f(UВГ), которой можно заменить петлю гистерезиса (рис. 5.4.3), можно написать: , где – коэффициент усиления генератора по напряжению при Г=const; – электромагнитная постоянная цепи возбуждения генератора. Уравнение механической характеристики двигателя в системе ГД можно получить из уравнения равновесия ЭДС в якорной цепи. , где еГ и е – соответственно ЭДС генератора и противо ЭДС двигателя. Т.к. , где Ф – поток двигателя, то . В этих выражениях Выразив ток iя через момент двигателя получим: или , или Здесь  – модуль статической жесткости механической характеристики двигателя в системе Г–Д. В установившемся режиме р=0 и уравнение статической механической характеристики в виде: или Семейство механических характеристик двигателя в системе Г–Д, соответствующих различным значениям потока возбуждения генератора, следовательно, различным значениям ЭДС при синхронном гонном двигателе, изображено на рис. 5.4.4. Жесткость основной характеристики двигателя в 2 раза меньше, чем при питанием его от сети с U=const, вследствие того, что в якорной цепи кроме сопротивления обмотки якоря двигателя имеется еще и сопротивление якорной цепи генератора, а они  одинаковы, т.к. мощность генератора лишь немногим больше мощности двигателя. Но вот скорость идеального холостого хода, двигателя в разомкнутой системе Г-Д больше, чем при питании его от сети с U=const, т.к. номинальная ЭДС генератора, определяющая 0 двигателя, больше, чем номинальное напряжение двигателя, определяющее 0 при питании его от сети, т.е. , ибо . Изменяя поток возбуждения генератора, следовательно, его ЭДС, можно осуществить непрерывное плавное управление моментом и скоростью электропривода во всех 4-х квадрантах координатной системы при =const. В разомкнутой системе Г-Д за счет изменения потока генератора, следовательно, его ЭДС, можно получить диапазон регулирования скорости двигателя примерно 10:1. Изменяя же поток двигателя (ослабляя его), можно увеличить скорость примерно еще в 3 раза. Т.о. общий диапазон регулирования скорости в разомкнутой системе Г-Д примерно 30:1. На рис. 5.4.4 показаны характеристики двигателя и в зоне изменения потока двигателя. Они расположены выше основной и жесткость их изменяется. Механические характеристики двигателя в системе Г-Д при асинхронном гонном двигателе будут не параллельны, т.к. при изменении нагрузки на валу приводного двигателя будет изменяться скорость гонного двигателя, следовательно, и ЭДС генератора, что, в свою очередь, сказывается и на скорости приводного двигателя. Обычно непараллельностью характеристик при расчетах пренебрегают. Двигатель в системе Г-Д может работать во всех режимах. Двигательному режиму соответствуют механические характеристики в первом и третьем квадрантах. Режиму динамического торможения соответствует одна характеристика, проходящая через начало координат. Режиму противовключения соответствует область между осью моментов и характеристикой динамического торможения во 2-м и 4-м квадрантах. Генераторному режиму с рекуперацией энергии в сеть соответствует область во 2-м и 4-м квадрантах между осью скоростей и характеристикой динамического торможения. Основным способом торможения двигателя в системе Г-Д является рекуперативное. Для получения этого режима необходимо уменьшать или снять возбуждение генератора. ЭДС двигателя станет больше ЭДС генератора. Двигатель превратиться в генератор. Ток в якорной цепи, определяемый разностью: , изменит направление на противоположное. Генератор превратиться в двигатель, работающий с ослабленным магнитным потоком. Скорость его увеличится и он будет раскручивать ротор гонного двигателя, если он асинхронный, со сверхсинхронной скоростью. Гонный двигатель превратится в генератор и будет отдавать в сеть активную энергию, потребляя реактивную. Если же гонным двигателем является синхронный, то скорость его не может возрасти, т.к. она определяется частотой напряжения сети, к которой он подключен () Но под действием вращающего момента генератора, превратившегося в двигатель, ось магнитного поля его ротора будет не отставать, а опережать ось магнитного поля статора и он превратится в генератор, отдавая в сеть активную энергию. Что касается реактивной энергии, то он будет ее потреблять, если работает в режиме недовозбуждения, а если он перевозбужден, то будет отдавать ее в сеть С помощью приведенных выше уравнений динамики для цепи возбуждения генератора, тиристорного возбудителя, уравнения механической характеристики двигателя и уравнения движения электропривода при жестких механических связях, можно построить структурную схему системы Г-Д, которая изображена на рис. 5.4.5. Из нее следует, что при изменении управляющего воздействия скачком ЭДС генератора и скорость 0 двигателя в системе Г-Д изменяются по закону, определяемому переходной функцией апериодического звена с постоянной ТГ=ТВ. К достоинства системы Г-Д относятся следующие: 1. Отсутствуют громоздкие пусковые реостаты и потери в них. 2. Легкая управляемость электродвигателем. 3. Напряжение на зажимах двигателя не искаженно в/r. 4. Управление процессами перенесено в цепи возбуждения, имеющие небольшие токи, что облегчает и удешевляет аппаратуру. 5. Сравнительно высокий диапазон регулирования скорости (~30:1) даже в разомкнутой системе. 6. Относительно небольшое потребление реактивной мощности даже при асинхронном гонном двигателе. Недостатки системы Г-Д: 1. Высокая установленная мощность, превышающая в 3-4 раза мощность приводного двигателя. 2. Высокая первоначальная стоимость машинного оборудования. 3. Большая занимаемая площадь и необходимость громоздких фундаментов в мощных системах. 4. Повышенный шум при работе машин. 5. Повышенная крутизна механических характеристик. 6. Сравнительно низкий КПД, равный произведению КПД машин, входящих в систему . 5.5 Расчет статических механических характеристик в системе Г-Д Расчет статических механических характеристик систем Г-Д без обратных связей можно выполнить используя уравнения: и Порядок расчета механической характеристики следующий: 1. Определяется номинальная ЭДС генератора, соответствующая номинальной нагрузке двигателя 2. Определяется 0 двигателя, соответствующая основной характеристике: . В этих выражениях ; Ф – поток двигателя. 3. По уравнению механической характеристики находится скорость ωН расч двигателя при номинальной нагрузке М=МН. Через 2 точки с координатами ; и ; проводится основная характеристика. 4. Для расчета характеристик, соответствующих другим 0, определяется ЭДС генератора при заданных скоростях двигателя Х и соответствующая этой ЭДС скорость 0Х: ; . Далее расчет ведется в соответствие с п.3. 5. Определяется поток возбуждения генератора, создающий ЭДС EГХ: , где . НГ – скорость вращения генератора. N, П, а – число витков обмотки якоря генератора, число пар его полюсов и число пар параллельных ветвей обмотки якоря. 6. По кривой намагничивания генератора находятся соответствующий потоку ФГХ ток возбуждения IВХ или . 7. Рассчитывается необходимое напряжение возбуждения , где , если зависимость потока от тока дана в относительных единицах. 5.6 Система тиристорный преобразователь – двигатель (ТП–Д) Принципиальная схема системы ТП-Д изображена на рис. 5.6.1. Здесь двигатель постоянного тока независимого возбуждения питается от тиристорного преобразователя. Временная диаграмма напряжений питающей сети к кривым выпрямленного напряжения представлены на рис. 5.6.2. Здесь α – угол задержки открывания вентилей, γ – угол коммутации, Ud – среднее значение выпрямленного напряжения, Eдв=Е – ЭДС двигателя. Среднее значение выпрямленного напряжения. , где m – число пульсаций выпрямленного напряжения (для мостовой трехфазной схемы m=6); U2Л – действующее значение линейного напряжение вторичной обмотки питающего трансформатора (или сети в бестрансформаторных схемах). Ud0 – максимальное значение среднего выпрямленного напряжения при =0. Зависимость ЭДС ТП от напряжения управления Uу при линейной характеристике СИФУ представлена на рис. 5.6.3. При ее замене линеаризованной ТП как динамическое звено системы электропривода в режиме непрерывного тока описывается уравнением , где - коэффициент усиления ТП по напряжению; - малая постоянная времени ТП, учитывающая дискретность, запаздывание и наличие фильтров в СИФУ. Уравнение электрического равновесия в якорной цепи системы ТП-Д , где Здесь RЭ – эквивалентное сопротивления якорной цепи выпрямленного тока; Rтр – активное сопротивление фазы трансформатора, приведенное к вторичной цепи; RЯΣ – сопротивление якорной цепи двигателя Rс.др – сопротивление сглаживающего дросселя; Rср.в – усредненное сопротивление вентилей - индуктивное сопротивление фазы трансформатора, обусловленное полями рассеяния, а х2 и х1 – индуктивные сопротивления вторичной и первичной обмоток трансформатора; Ф – магнитный поток двигателя. Имея в виду, что; ; , получим уравнение механической характеристики двигателя для любого режима работы или Т.к. , то Отсюда следует, что в режиме непрерывного тока механические характеристики двигателя в системе ТП-Д при принятых допущениях аналогичны характеристикам системы ГД. При , получим уравнение статических механических характеристик или Для режима непрерывного тока уравнения механических характеристик можно представить виде: Семейство статических механических характеристик при различных , изображено на рис. 5.6.4. Это прямые, отсекающие на оси ординат отрезки, соответствующие скорости идеального холостого хода Однако при питании двигателя от однокомплектного ТП или двухкомплектного ТП при раздельном управлении комплектами вентилей в области малых нагрузок ток становится прерывистым, причем при Uy=0 и среднее значение Ud становится . Возникает зона прерывистых токов, причем она тем больше, чем больше угол  (см. рис. 5.6.4 пунктирная линия). Появление зоны прерывистого токов обусловлено тем, что в определенные промежутки времени мгновенное значение выпрямленного напряжения ТП становится меньше встречно действующей ЭДС двигателя, что видно из графика выпрямленного напряжения на рис. 5.6.2, разность Ud-e становится отрицательной. Ток при этом должен изменить направление на противоположное. Но поскольку вентили обладают односторонней проводимостью, они закрываются и ток через них прекращается. Ток появляется вновь когда Ud станет больше е. При больших нагрузках несмотря на то, что в определенные промежутки времени мгновенное значение Ud становится меньше ЭДС двигателя, ток не прерывается, является непрерывным. Объясняется это тем, что при больших нагрузках запас электромагнитной энергии в цепи выпрямленного тока значительный. Возникающая при исчезновении тока ЭДС самоиндукции складывается с мгновенным выпрямленным напряжением ТП, в сумме они превышают ЭДС двигателя и ток не прерывается. При малых нагрузках возникающая ЭДС самоиндукции оказывается недостаточной для поддержания тока и он прерывается. Переходу от режима непрерывного тока к прерывистому соответствует режим начально-непрерывного тока, являющегося граничным между двумя указанными. Величина граничного тока зависит от угла α и параметров схемы Граничные токи (моменты) лежат на дуге эллипса, смещенного по оси ординат на величину . Отметим, что если двигатель питается от нереверсивного ТП, как показано на рис.5.6.1, то система электропривода становится неполноуправляемой. Соответственно этому механические характеристики во втором и третьем квадранте не существуют. При наличии зоны прерывистых токов механические характеристики в этой зоне аналитически не выражаются. Они напоминают механические характеристики двигателя последовательного возбуждения, как показано на рис.5.6.4. При уменьшении нагрузки скорость двигателя возрастает и увеличивается его ЭДС, являющаяся противодействующей, что вызывает уменьшение тока нагрузки преобразователя. Это приводит к уменьшению падения напряжения на внутренних сопротивлениях схемы, а также к уменьшению потерь среднего напряжения, обусловленного явлением коммутации. В связи с этим Ud возрастает. При идеальном холостом ходе исчезают все падения напряжения. Напряжение на двигателе (за время импульса тока) приближается к амплитуде питающего преобразователь напряжения переменного тока и скорость двигателя растет. Поэтому в зоне малых и нулевых нагрузок механические характеристики двигателя имеют мягкий характер, как у ДПВ, что и видно на рис. 5.6.4. Скорость идеального холостого хода для этих характеристик может быть определены из выражений: при и при Здесь Е2ф.м – амплитуда фазной ЭДС вторичной обмотки питающего трансформатора или амплитуда фазного напряжения питающей сети (в бестрансформаторных схемах). UВ – падение напряжения в вентилях. Используя уравнение динамики ТП, уравнение равновесия ЭДС в якорной цепи, уравнение механической характеристики и уравнение движения электропривода при жестких механических связях, а так же представляя уравнение динамики ТП в виде , где , можно изобразить структурную схему системы ТП – Д, которая имеет вид: (рис. 5.6.5) Двигатель в системе ТП – Д может работать во всех режимах. Как в системе ГД двигательному режиму соответствует область в 1 и 3 квадратах, режиму динамического торможения соответствует характеристика, проходящая через начало координат при . Режиму противовключения соответствует область, заключенная между осью моментов и характеристикой динамического торможения. Режиму рекуперации соответствует область между осью ординат во 2 и 4 квадратах и характеристикой динамического торможения. 5.7 Торможение и реверсирование двигателя в системе ТП-Д и статические механические характеристики реверсивного вентильного электропривода постоянного тока Из-за односторонней проводимости вентилей (тиристоров) нельзя изменить полярность напряжения Ud на выходе преобразователя. Поэтому реверс двигателя в системе ТП-Д можно осуществить: а) изменением полярности питания двигателя при помощи реверсирующих контакторов или реверсирующих тиристоров по следующей схеме (рис. 5.7.1): Этот способ целесообразен в том случае, если время реверса не имеет существенного значения. Продолжительность реверса здесь не менее 0,1с. б) изменением направления магнитного потока двигателя при неизменном направлении тока якоря. Схема такая же, что и на рис 5.7.1, только вместо якоря между контакторами включается обмотка возбуждения. Продолжительность реверса в этом случае имеет порядок 0,5÷2,5с. в) Для электроприводов, где требуется максимальное быстродействие при реверсе, а также необходимость как двигательного, так и тормозного режимов при одном направлении вращения применяются схемы с двумя комплектами вентилей, каждый из которых служит для питания двигателя при одном направлении вращения, благодаря чему создается эффект двухсторонней проводимости вентилей. Но прежде чем осуществить реверс двигателя, его нужно сначала затормозить. Основным способом торможения в системе ТП – Д является торможение с рекуперацией энергии в сеть. В отличие от системы Г-Д этот режим не может быть получен только путем увеличения скорости сверх скорости идеального холостого хода. Хотя при >0 ЭДС двигателя станет больше Ud, ток в якорной цепи прервется, т.к. ЭДС двигателя будет приложена к вентилям преобразователя в направлении, противоположном их проводимости, и вентили закроются. Для рекуперации энергии в сеть необходимо преобразовать энергию постоянного тока, источником которой при >0 становится двигатель, в энергию переменного тока. Для этого ТП нужно перевести в инверторный режим. Практически для возможности торможения электропривода с рекуперацией энергии в сеть применяют два комплекта вентилей, включенных по мостовой схеме, как изображено на рис. 5.7.2 и объединяют их управляющее устройство в один орган управления. В выпрямительном режиме преобразователя активная составляющая Ia1 первой гармоники фазного тока совпадает по направлению с (ЭДС) фазы, а реактивная Ip1 – отстает на 90. Преобразователь потребляет из сети активную и реактивную мощность. Если 1 станет больше 90, что при =0 соответствует >90, то Ip1, будет попрежнему отставать от Еф на 90, а Ia1 будет направлен встречно ЭДС фазы (см. векторные диаграммы рис. 5.7.3). В этом случае преобразователь будет отдавать в сеть активную мощность при одновременном потреблении реактивной мощности. Этот режим и является инверторным. В нем источником тока является ЭДС машины постоянного тока, которая превышает напряжение преобразователя. Т.о. для получения инверторного режима работы ТП необходимо, чтобы  был больше 90, т.е. необходимо заставить преобразователь путем увеличения угла  принудительно выпрямлять отрицательные полуволны питающего напряжения. Сам он не будет это делать, поэтому инверторный режим может иметь место только при принудительной коммутации. При этом изменится знак выпрямленного напряжения. Известно, что в цепи постоянного тока изменение направления передачи энергии обычно связано с реверсом тока. Но такой же эффект можно получить при изменении знака напряжения, что видно из выражения электромагнитной мощности p=ui, что и делается для осуществления рекуперативного торможения двигателя. При переходе в инверторный режим напряжение сети переменного тока и постоянного тока меняются ролями так, что вентили этого не замечают. Полярность напряжения на выходе преобразователя и направление тока через вентили остаются неизменными. Выпрямитель продолжает выпрямлять напряжение сети переменного тока, но только его отрицательные полуволны. Он не может работать без сети переменного тока как автономный инвертор, хотя и получает энергию от источника постоянного тока (двигателя). В инверторном режиме для удобства вместо угла α принято использовать угол β, называемый углом опережения. Он равен =- и всегда меньше 90°. Отсчитывается от точки пересечения синусоид напряжения питающей сети в отрицательной области (см. рис. 5.6.2). Вместо угла коммутации  принято использовать понятие угла запирания =- или, иначе, угла запаса. При работе ТП в инверторном режиме возникают те же падения напряжения, что и в выпрямительном режиме. Однако они покрываются не за счет сети, а за счет источника постоянного тока, т.е. двигателя. Поэтому заменяя в выражениях механической характеристик  на  и учитывая, что ток в якорной цепи и момент двигателя в инверторном режиме имеет противоположное направление по сравнению с двигательным режимом, уравнения электромеханической и механической характеристик двигателя в режиме рекуперативного торможения имеют вид: Семейство механических характеристик, соответствующих различным углам α и , при питании двигателя от ТП с одним комплектом вентилей и реверсировании и помощью реверсирующих контакторов, изображено на рис.5.7.4. При малых нагрузках как в двигательном, ток и в тормозном (рекуперативном) режиме имеют место разрывы тока и резкое изменение скорости. В случае питания двигателя от двухкомплектного ТП с совместным управлением и линейном согласовании механические характеристики реверсивного вентильного электропривода аналогичны характеристикам системы Г-Д, что и отраженно на рис. 5.7.5. При совместном управлении комплектами вентилей, но не полном согласовании (рассогласованное управление), линейность механических характеристик нарушается, и они выглядят так, как изображено на рис. 5.7.6. Механические характеристики реверсивного вентильного электропривода с двумя комплектами вентилей и раздельном их управлении зависят от способа согласования углов управления. При линейном согласовании в, частности, они имеют вид, показанный на рис. 5.7.7. Необходимо отметить, что при совместном управлении комплектами вентилей, на один из них подаются выпрямительные импульсы, а на другой – инверторные. В двигательном режиме ток проходит через преобразователь, работающий в выпрямительном режиме и якорь двигателя. Через второй преобразователь ток нагрузки двигателя не проходит. Но поскольку открыты вентили обоих преобразователей, под действием разности их мгновенных напряжений между преобразователем будет протекать ток, называемый уравнительным, значительно превышающий допустимую для тиристоров величину. Для его ограничения между комплектами вентилей включаются уравнительные реакторы (2 или 4), как показано на рис. 5.7.2, ограничивающий уравнительный ток до значения Jдр≤0,1JdН, где JdН – номинальный выпрямительный ток преобразователя. Для осуществления рекуперативного торможения электропривода с двумя комплектами вентилей установкой угла преобразователя, работавшего в выпрямительном режиме, закрывают его в вентили и подаются отпирающие инверторные импульсы на второй преобразователь (если управление ими раздельное), что обеспечит его инверторный режим при котором в якорной цепи двигателя появится ток, обусловленный разностью Е и Udu, совпадающий по направлению с Е двигателя. Знак электромагнитного момента изменится на противоположный, и привод будет работать в тормозном режиме с рекуперацией энергии в сеть. Увеличивая  до 90 (см. характеристики ниже оси моментов), можно снизить ω практически до 0. При одном комплекте вентилей и реверсировании с помощью реверсирующих контакторов, для перехода в режим рекуперативного торможения запирают вентили преобразователя, устанавливая угол . Затем посредством контакторов переключают якорную цепь двигателя так, чтобы его ЭДС действовала в направлении прямой проводимости вентилей, и подают на них отпирающие импульсы, обеспечивающие инверторный режим преобразователя и тормозной режим работы двигателя. 5.8 Расчет статических механических характеристик в системе ТП-Д Расчет статических механических характеристик системы ТП-Д без обратных связей выполняется по уравнению механической характеристики ; где При m=6 Ed0=Ud0= 2,34U2ф; m=3 Ed0=Ud0= 1,17U2ф; Порядок расчета следующий: 1. Определяется эквивалентное сопротивление якорной цепи , где Хmp, Rmp – индуктивное и активное сопротивления фазы трансформатора, приведенные к его вторичной обмотке. : Здесь Рк.з – потери к.з. трансформатора; m1 – число фаз; Uкз – напряжение к.з. трансформатора; - коэффициент трансформации трансформатора. Сопротивления сглаживающего и уравнительного дросселей ; , где - падение напряжения на дросселях при Idн. 2. Определяется угол задержки открывания вентилей i, необходимый для обеспечения работы двигателя с установившейся скоростью с.i Здесь - ток статической нагрузки, которому соответствует приведенный момент , определяемый по характеристике с=f(Mc) при данной ci 3. Задаваясь моментом М по уравнению рассчитываются механические характеристики системы. 5.9 Коэффициент мощности и основные технико-экономические показатели системы ТП-Д Вследствие специфики режима работы вентилей происходит искажение формы кривой тока, потребляемого ТП из сети, а при регулировании выходного напряжения преобразователя возникает дополнительное искажение формы кривой тока и сдвиг по фазе между напряжением и током, т.к. ток через вентили начинает проходить позднее, чем при отсутствии регулирования. Отключение вентилей, т.е. прекращение тока, также происходит соответственно позднее. При достаточной индуктивности якорной цепи ток через вентили продолжает протекать в том же направлении даже при изменении знака напряжения. Важнейшим энергетическим показателем вентильного преобразователя и вентильного электропривода, является коэффициент мощности, который характеризует использование питающей системы. При синусоидальном U и I он равен косинусу угла сдвига по фазе между током и напряжением. В вентильных установках напряжение по форме кривой близко к синусоиде (в действительности кривая первичного напряжения несинусоидальна, что является следствием несинусоидальности потребляемого из сети тока). Кривая же тока резко искажена в/r. Поскольку в/r напряжения, созданные преобразователем в питающей системе, опережают по фазе на 90 создавшие их гармоники тока, активная мощность этих гармоник равна 0. Сдвиг по фазе между гармониками тока вентильного преобразователя и гармониками напряжения, созданными в питающей системе, другими ТП, дуговыми печами, мощными трансформаторами и т.п., не равен 90. Поэтому их мощность не равна 0. Но активная мощность в/r не совершает полезной работы в вентильном электроприводе, а рассеивается в виде потерь, ухудящая КПД электропривода. Полезную работу совершает часть активной энергии основной гармоники тока и напряжения, а другая часть этой энергии также рассеивается в преобразователе и двигателе. Вследствие относительной малости активной мощности в/r токов и напряжений принято определять активную мощность (и энергию) по основным гармоникам токов и напряжений. Полная мощность определяется с учетом всех гармоник. Отношение активной мощности P к полной S характеризует использование питающей энергосистемы и называется коэффициентом мощности вентильного электропривода (собирательное понятие). , где Здесь N – мощность искажения, вызванная токами в/r, протекающими в сети переменного тока. Отрицательный эффект мощности N схож с эффектом реактивной мощности – увеличение потерь и уменьшение КПД. Т.к. ; , то , где u, I – коэффициенты искажения напряжения и тока, а  - коэффициент искажения мощности. В бестрансформаторных схемах при достаточной индуктивности в цепи выпрямленного тока =1 и cos1=cos В трансформаторных схемах С достаточным приближением можно считать, что т.к напряжению Ud соответствует скорость  при данном угле регулирования, а напряжению Udo – скорость ω0 при том же угле регулирования. Отсюда следует, что χ вентильного электропривода зависит от скорости при регулировании и нагрузки на валу, т.е. он пропорционален степени снижения скорости. Снижение  и соответственно увеличение угла , а также увеличение тока нагрузки приводит к уменьшению . На графике рис. 5.9.1 приведены зависимость  от  при номинальной нагрузке системы ТП-Д и cosφ системы ГД (для сравнения). Видно, что коэффициент мощности системы ТП-Д уступает системе ГД. С целью повышения значения  применяются методы искусственной коммутации вентилей и специальные резонансные фильтры, обеспечивающие резонанс напряжений на соответствующей гармонике и малое сопротивление для этой гармоники на входе преобразователя. КПД системы ТП – Д Для режима непрерывного тока электромагнитная мощность Мощность, потребляемая из сети Тогда Анализ этого выражения показывает, что КПД системы ТП-Д зависит как от нагрузки двигателя, так и от скорости при регулировании. Сравнение приведенных на рис. 5.9.2 зависимостей  от  при номинальной нагрузке на валу двигателя показывает, что он выше, чем в системе ГД. Основные достоинства системы ТП-Д: 1. Высокое быстродействие преобразователя, т.к. TП≤0,1 с 2. Более высокий КПД по сравнению с системой ГД 3. Незначительная мощность управления 4. Большой срок службы 5. Малые габариты и вес преобразователя 6. Простота осуществления резервирования и взаимозаменяемости блоков и узлов ТП 7. Постоянная готовность к работе 8. Установленная мощность системы при использовании нереверсивного преобразователя оставляет ~ 2 Pдвиг, т.е. меньше, чем в системе ГД. Недостатки системы ТП-Д: 1. Значительное искажение кривой тока, потребляемого преобразователем из сети 2. Уменьшение коэффициента мощности преобразователя при уменьшении скорости. Этот недостаток становится особенно заметным и важным при больших мощностях электропривода. 3. Неминуемые при регулировании угла  колебания реактивной мощности, приводящие к колебаниям напряжения в питающей сети, так же особенно заметные при большой мощности электропривода. 5.10 Законы частотного регулирования асинхронными двигателями Использование асинхронного двигателя в регулируемом электроприводе, особенно при его частотном управлении, представляет особый интерес. Для реализации этого способа управления питание двигателя необходимо осуществлять от управляемого преобразователя частоты. В качестве преобразователей частоты могут использоваться синхронные генераторы, вращаемые с переменной скоростью, асинхронные преобразователи частоты и статические преобразователи, выполняемые на базе автономных инверторов напряжения и тока, а также на базе силовых транзисторов. При частотном управлении АД возникает необходимость регулировать не только частоту, но и величину подводимого напряжения, причем напряжение должно регулироваться не только в функции частоты, но ещё и в функции нагрузки. Регулирование напряжения только в функции частоты с учетом характеристик механизма может быть реализовано в разомкнутых системах частотного управления, а в функции частоты и нагрузки – лишь в замкнутых системах. Верхний предел регулирования частоты, следовательно, скорости двигателя, ограничивается прочностью крепления обмоток ротора и заметным увеличением потерь в стали статора. Нижний предел ограничен сложностью реализации источника питания с низкой частотой и возможностью неравномерности вращения двигателя. Как правило, напряжение регулируется лишь вниз по отношению к номинальному, а частота - вверх и вниз по отношению к основной (номинальной). При выборе соотношения между частотой и напряжением, подводимым к статору АД, чаще всего исходят из условия сохранения перегрузочной способности двигателя для любой из его регулировочных характеристик. Основным законом частотного регулирования является закон Костенко , где МС и М'C -статические моменты сопротивления соответствующие скорости двигателя при частотах f1 и f’1, а U1 и U'1 – соответствующие этим частотам напряжения. В относительных единицах этот закон имеет вид: , где Из него следует, что закон изменения напряжения определяется не только частотой источника питания, но и характером изменения момента сопротивления механизма на валу двигателя при изменении угловой скорости. Согласно формуле Бланка или в относительных единицах т.к. ; и Основной закон теперь можно представить в виде: При постоянном моменте на валу двигателя МС, следовательно и С, не зависит от скорости, а значит и частоты. Поэтому х=0 и или , Полученный закон – это закон пропорционального управления. Механические характеристики двигателя при этом законе изображены на рис. 5.10.1. Жесткость характеристик сохраняется сравнительно высокой. Однако при значи­тельном снижении чистоты (ниже 0,5f1H) уменьшается критический момент, следовательно перегрузочная способность двигателя. Объясняется это падением напряжения на активном сопротивлении r1 статора, в результате чего к намагничивающей цепи двигателя подводится тем меньшее напряжение, чем меньше частота, что, в свою очередь уменьшает магнитный поток, от величины которого зависит Мкр. Плавное регулирование до f1=0 при этом законе невозможно. Невозможно также обеспечить устойчивую работу двигателя при Мс=const в широком диапазоне регулирования частоты. Закон пропорционального регулирования целесообразен только для крупных двигателей, у который r1 мало, а для маломощных двигателей он малоэффективен, т.к. уже при φ1<0,5 перегрузочная способность их заметно снижается (у них большое r1). Потери в двигателе больше, чем при основном законе. При идеальном вентиляторном моменте сопротивления x=2, μ0=0 и или Механические характеристики при этом законе изображены на рис. 5.10.2. При постоянной мощности статической нагрузки Рс=const. или . В этом случае пренебрегая величиной μ0 x=-1 и закон управления имеет вид или . Механические характеристики при этом законе изображены на рис. 5.10.2. Перечисленные законы легко реализуются в разомкнутых системах электропривода, т.к. напряжение здесь нужно изменить только в функции частоты. Но изменять напряжение не только в функции частоты, но еще и в функции напряжения, возможно только в замкнутых системах электропривода, содержащих обратные связи. В этом случае должны использоваться законы, обеспечивающие компенсацию падения напряжения на сопротивлениях обмоток статора и ротора двигателя, т.к. падение напряжения зависит от нагрузки. Т.е. законы, позволяющие поддерживать постоянными потокосцепления статора, ротора и взаимной индукции. Поэтому напряжение, подводимое к статору и изменение частоты (и даже при ее постоянстве) необходимо регулировать таким образом, чтобы скомпенсировать падение напряжения на всех элементах схемы замещения АД, которые являются принципиально важными с точки зрения передачи электромагнитной мощности. Этим самым можно обеспечить постоянство потокосцеплений ψ, ψ12 и ψ2. 5.11 Статические механические характеристики АД, при частотном управлении с компенсацией падений напряжений Для получения основных соотношений воспользуемся Т-образной схемой замещения АД, которая достаточно точно отражает реальные физические процессы в двигателе, и принимаем следующие допущения (схема изображена на рис. 5.11.1): а) пренебрегаем потерями в стали и не учитываем её насыщение, т.е. в намагничивающей ветви учитываем только сопротивление Xμ. б) напряжение и магнитный поток в зазоре считаем синусоидальным. Поскольку в общем случае величина питающего напряжения и его частота изменяются, будем использовать систему относительных единиц. На схеме рис. 5.11.1. ; Абсолютное скольжение Найдя из схемы замещения , и подставив значение в уравнение электромагнитного момента , после преобразований получим уравнение механической характеристики АД при частотном управлении: , где ; ; ; ; Критический момент и критическое скольжение ; При пропорциональном законе управления , который можно графическим представить в относительных единицах в виде прямой (рис. 5.11.2). точке А, для которой f1=f1H (1=1) и U1=U1H (V1=1), соответствует естественная механическая характеристика. При пропорциональном законе, как известно из ранее изложенного, с уменьшением частоты перегрузочная способность двигателя уменьшается, особенно при 1<0,5. Чтобы она оставлялась неизменной, напряжение необходимо изменять в меньшей степени, чем частоту (см. пунктир на рис.5.11.2) Механические характеристики в этом случае будут иметь вид, изображенный на рис. 5.11.3. Иначе говоря, можно подобрать такую зависимость напряжения U1 от частоты f1, которая обеспечит постоянство критического момента при изменении частоты, в том числе и при 1=0. При малых частотах ток, потребляемый двигателем, больше, чем на естественной характеристике и двигатель сильно греется. Если же ему обеспечить номинальный нагрев, то придется уменьшить напряжение, что приведет к уменьшению Мкр. Получается, что принципиально невозможно реализовать закон U1=f(1), при котором удовлетворялись бы 2 противоречия, т.е. обеспечение перегрузочной способности и нормального нагрева двигателя при снижении частоты. Для удовлетворения этих противоречий закон регулирования должен быть таким, чтобы напряжение изменялось не только в функции частоты, но и в функции нагрузки на валу двигателя. Этим самым можно обеспечить постоянство потокосцеплений (о чем было сказать выше). Выразим потокосцепления, наводящие в обмотках статора и ротора ЭДС Е1, E2, E12 (ЭДС взаимной индукции без учета потоков рассеяния), а также эти ЭДС в относительных единицах. ; ; ; ; ; ; тогда ; ; . Рассмотрим сначала управление при s=const. Этот случай соответствует такому регулированию приложенного к статору напряжения, при котором обеспечивается компенсация падения напряжения на r1. Можно считать, что к схеме приложено напряжение не U1, а E1 (см. рис. 5.11.1). ЭДС e1 в этом случае становится независимой от нагрузки, т.е. постоянной при данной частоте. При изменении частоты теперь нужно изменять напряжение U1 пропорционально изменению частоты. Будет изменяться и e1. Это соответствует стабилизации потокосцепления . Если же будет изменяться нагрузка, то дополнительно нужно регулировать напряжение U1 т.о., чтобы скомпенсировать изменившееся падение напряжения на r1 и этим самым обеспечить как постоянство e1, так и постоянство 1. Уравнение механических характеристик в этом случае можно получить, положив в исходном уравнении b=0, d=0, т.к. компенсация падения напряжения на r1 равносильна тому, как будто бы этого сопротивления вообще нет. Вместо V1 нужно положить e1. Для сокращения записи уравнения обозначим через K. Тогда ; Рассчитав и изобразив механические характеристики для разных частот, получим увеличение Мкр ~ на 20% по сравнению с Мкр на естественной характеристике (см. рис. 5.11.4). В этом случае, как показывает анализ, потери в меди постоянны, потери в стали при снижении частоты уменьшаются. Т.о., если двигатель снабжен независимой вентиляцией, можно обеспечить длительный режим его работы без перегрева, как при больших, так и малых частотах. Если обеспечить постоянство Е12(e12), получим закон, при котором будет постоянным поток в зазоре, т.е 12=const. Этого можно добиться, компенсируя падения напряжения на r1 и x1 путем увеличения напряжения, подводимого к ста­тору. При изменении частоты нужно пропорционально изменять Е12, что и соответствует компенсация падений напряжения на r1 и x1. В этом случае можно считать, что r1=0; x1=0, следовательно b=0; d=0, c=x2’, e=1. Уравнение механических характеристик и значение Мкр после подстановки в основное уравнение вместо V1 ЭДС е12 иметь вид: ; Анализ показывает, что в этом случае получим увеличение Мкр примерно в 2 раза при всех частотах по сравнению с Мкр на естественной характеристике, что отраженно на рис. 5.11.5. При снижении частоты относительная жесткость характеристик возрастет. Если напряжение, подводимое к статору, регулировать т.о., чтобы скомпенсировать падение напряжения и на.r1и на x1 и на x'2, то можно обеспечить постоянство потокосцепления ротора (2=const). В этом случае можно считать, что двигатель питается напряжением E2, а не U1. Компенсация падений напряжения на этих сопротивлениях равносильна тому, что как будто этих сопротивлений нет вообще, следовательно, b=0; с=0; d=0; е=1. Подставляя в основное (исходное) уравнение вместо V1 e2, получим уравнения механических характеристик ; Зависимость М от скольжения линейна. Характеристики получаются такими, как у компенсированного двигателя постоянного тока независимого возбуждения (рис. 5.11.6). Перегрузочная способность теоретически равна . Именно этот вариант и реализуется в современных системах частотно регулируемых электроприводов. При компенсации падения напряжения еще и на r'2, можно получить абсолютно жесткие характеристики с постоянным скольжением. Но это дается очень дорого, поэтому компенсацию падения напряжения на всех сопротивлениях двигателя, включая r'2 никогда не осуществляют. В заключении отметим, что при реализации рассмотренных здесь законов возможности АД используется полностью. Система электропривода, обеспечивающая эти законы, называется системой Transvector. 5.12 Система ПЧ-АД с электромашинным и статическим преобразователем частоты и основные технико-экономические показатели В случае электромашинного преобразователя частоты асинхронные двигатели получают питание от синхронного генератора (СГ), приводимого во вращение ДПТ независимого возбуждения, который, в свою очередь, получает питание от ТП или генератора постоянного тока независимого возбуждения. В качестве электромашинного преобразователя частоты применяются и асинхронные преобразователи, вращаемые асинхронным двигателем, который в ряде случаев совмещен с преобразователем в одном корпусе (для питания электропил в лесной промышленности). В качестве примера на рис. 5.12.1 изображена схема одновременного частотного асинхронного регулирования ряда к.з. АД, которые получают питание от СГ, скорость которого, следовательно, частота выходного напряжения, регулируется по системе ТП-Д. Такая схема применяется, в тех случаях, когда требуется одновременно синхронно изменять скорость ряда к.з. АД, в частотности, для питания рольгангов прокатного стана. В этой схеме обеспечивается закон пропорционального регулирования, т.е. . Управление и регулирование скорости ведется в этой схеме по двум каналам: каналу управления частотой, воздействующий на скорость СГ и канал управления напряжением, воздействующий на возбуждение СГ. Первый канал имеет структуру системы ТП-Д и обладает значительной инерционностью, обусловленной механической инерцией агрегата (ДПТ-СГ). Второй канал также инерционен в связи с наличием электромагнитной инерции цепи возбуждения СГ. Регулирование напряжения на статорах АД осуществляется изменением потока возбуждения СГ, а регулирование напряжения – изменением скорости вращения якоря СГ. Более совершенными являются системы со статическими преобразователями частоты. В этих системах в самом преобразователе две ступени преобразования энергии – ступень преобразования переменного тока в постоянный и ступень инвертирования. Эти две ступени в самостоятельном виде присутствуют в ПЧ со звеном постоянного тока (см. рис. 5.12.2 “а”), а в НПЧ функции выпрямления и инвертирования совмещены в реверсивном преобразователе постоянного тока, выпрямленное напряжение которого изменяется системой управления. Принципиальная схема электропривода с НПЧ изображена на рис. 5.12.2 “б”. Известно, что ТПЧ может обладать либо свойствами источника напряжения (АИН), либо источника тока (АИТ). В первом случае преобразователь имеет канал управления напряжением и канал управления частотой. Во втором случае ТПЧ кроме канала управления частотой имеет канал управления током. Канал управления частотой можно считать практически безинерционным. Канал управления напряжением или током воздействует на УВ и его быстродействие определяется быстродействием выпрямителя. Регулирование выходного напряжения ТПЧ осуществляется воздействием на УВ путем изменения угла α, а частота напряжения регулирования путем изменения длительности проводящего состояния тиристоров управляемого инвертора. Динамические свойства системы ПЧ-АД как объекта управления хуже, чем свойства регулируемых электроприводов постоянного тока в связи с отсутствием независимого канала регулирования магнитного потока, аналогичного обмотке возбуждения ДНВ. Так, при питании АД от АИН потокосцепления 1, 12, и 2 сложно зависят от U, f, и Sa, что было видно при рассмотрении вопроса о статических характеристиках АД при частотном управлении. КПД системы ПЧ-АД с тиристорным преобразователем, имеющим звено постоянного тока, несколько ниже, чем в системе ТП-Д из-за двойного преобразования энергии. Коэффициент мощности близок к значению этого коэффициента системы ТП-Д если в качестве звена постоянного тока используется ТП. Он достаточно высок только в системах с неуправляемым выпрямителем. Однако при этом отсутствует возможность рекуперации энергии в сеть. Наиболее близкими к системе ТП-Д по массогабаритным показателям обладает система с НПЧ. 5.13 Регулирование скорости АД в каскадных схемах. Принцип регулирования и понятие об электрическом и электромеханическом каскадах Идея регулирования скорости АД в каскадной установке основана на введении в цепь его ротора добавочной ЭДС от постороннего источника, направленной встречно, согласно, или со сдвигом по фазе относительно основной ЭДС ротора и имеющей частоту этой ЭДС. Возможность такого регулирования вытекает из следующего: если АД с фазным ротором работает при U1=const, f1=const, Mc=const, то Ф также постоянен. Момент двигателя M=CM·Ф·I2·cos2=Mc=const. Ток в роторе , если принять во внимание, что при малых S r22«(x2·S)2. При введении в цепь ротора добавочной ЭДС Eдоб, направленной встречно основной ЭДС E2S, то в первый момент, пока  еще не успела измениться в силу инерции вращающихся частей электропривода, ЭДС роторной цепи уменьшится до значения E2·S – Eдоб, соответственно чему уменьшится ток I2, а значит и момент М. Скорость начнет снижаться, что приведет к увеличению скольжения S. Будет увеличиваться и основная ЭДС ротора. Это будет продолжаться до тех пор, пока ток I2, а, следовательно, и момент М не достигнут своего прежнего значения. Пусть S и E2·S – новые значения скольжения и основной ЭДС ротора, при которой двигатель работает в новом установившемся режиме. Пренебрегая по-прежнему величиной (x2·S)2, получим . Отсюда , что означает: основная ЭДС увеличивается, а скорость двигателя уменьшается. Аналогично при введении Eдоб, направленной согласно с E2S скольжение уменьшается, а скорость двигателя возрастет. Если Едоб ввести со сдвигом по фазе относительно основной ЭДС E2S, появится реактивная составляющая ЭДС, что позволяет регулировать реактивную мощность роторной цепи и всего двигателя, а не только его скорость. Активная составляющая в этом случае будет влиять только на скорость двигателя. В каскадных установках энергия скольжения АД не теряется в роторной цепи, как в обычной схеме включения АД, а возвращается после соответствующего преобразования в сеть в так называемых электрических каскадах, либо передается на вал регулируемого двигателя в так называемых электромеханических каскадах. Принципиальные схемы электрического и электромеханического каскадов изображены на рис. 5.13.1“а” и “б”. В электрическом каскаде энергия скольжения с частотой f2=f1·S через преобразователь и за вычетом потерь в обмотках ротора и элементах преобразователя возвращается в питающую сеть. Между АД и преобразователем имеется только электрическое соединение. Поэтому он и называется электрическим. В электромеханическом каскаде энергия скольжения с частотой f2=f1·S передается вспомогательной машине постоянного тока, сидящей на валу АД и далее через АД рабочей машине. В зависимости от типа преобразовательного устройства различают электромашинные, вентильно-машинные и вентильные каскады. В электромашинных каскадах источником добавочной ЭДС, вводимой в роторную цепь регулируемого АД, является синхронная машина. Примером такого каскада является асинхронно-синхронный каскад, применяемый для привода вентиляторов аэродинамических труб. В вентильно-машинных каскадах добавочная ЭДС вводится в цепь выпрямленной тока ротора, а ее источником служит машина постоянного тока. В вентильных каскадах источником добавочной ЭДС является преобразователь частоты (инвертор). Рассмотрим распределение мощности, подводимой к АД в каскадной установке. При любой скорости АД он длительно потребляет из сети мощность Р1 (при номинальной нагрузке РН) , где P1·(1-S) - полезная мощность, отдаваемая АД непосредственно рабочей машине, а P1·S – мощность скольжения. В электромеханических каскадах машина ВМ, включенная в каскад, получая мощность P1·S и работая двигателем, преобразует эту мощность в механическую, а т.к. она находится на одном валу с АД, то мощность P1·S поступает на этот же вал и далее рабочей машине. Поскольку с вала АД рабочей машине передается основная мощность P1·(1-S), то на всем пределе регулирования рабочая машина получает мощность (за вычетом потерь) . Это значит, что АД независимо от скорости каскада может отдавать рабочей машине механическую мощность P1=Pн не перегреваясь сверх допустимой нормы. Такой каскад иначе называется каскадом постоянной мощности. В электрическом каскаде мощность скольжения P1·S возвращается в сеть, а момент на валу РМ . Поэтому такой каскад является каскадом постоянного момента. 5.14 Каскад с асинхронным двигателем, работающим в режиме двойного питания Если статор АД питать от сети с неизменными U1 и f1, а в ротор его подавать напряжение U2, от преобразователя частоты ПЧ с изменяемой амплитудой и частотой, то можно регулировать скорость АД как в сторону нижесинхронной, так и в сторону вышесинхронной. Такой электрический каскад называется каскадом с АД, работающим в режиме машины двойного питания, а сам двигатель принято называть машиной двойного питания МДП. Схема такого каскада изображена на рис. 5.14.1. В качестве ПЧ в этом каскаде должен использоваться НПЧ, поскольку он обладает двухсторонней проводимостью и обеспечивает бесконтактное чередование фаз, т.е. преобразователь, способный управлять потоком энергии в цепи ротора как в прямом, так и в обратном направлении. Уравнение механической характеристики АД при его работе в режиме МДП имеет вид: , где - угол между осями полей статора и ротора, φ12 – угол сдвига по фазе между векторами U1 и U2. U2 - напряжение, подводимое к обмотке ротора от ПЧ. Момент двигателя содержит две составляющие, одна из которых (первая) соответствует естественной механической характеристике АД, а другая – синхронному режиму, обусловленному напряжением U2, подводимым к цепи ротора, т.е. обусловлена взаимодействием возбуждаемого напряжением U2 ротора с магнитным полем статора. Скорость ротора двигателя при его управлении изменением частоты f2 напряжения U2 , где 0эл - скорость поля статора; 2эл - скорость поля ротора. При f2=const скорость ротора в пределах допустимой нагрузки неизменна. Такой режим работы МДП называется синхронным, и механические характеристики имеют такой же вид, как у синхронного двигателя. При f2=0, что означает питание обмотки ротора постоянным током, АД в установившемся режиме работает с синхронной скоростью, как обычная СМ. Регулирование скорости МДП осуществляется изменением f2 и U2. Для снижения  необходимо увеличить f2 и поворотом вектора U2 в соответствующем направлении обеспечить отрицательный электромагнитный момент, что приведет к замедлению электропривода. Скорость будет снижаться до тех пор, пока М не станет равным Мc. Для увеличения  надо уменьшить f2 и установить соответствующее значение величины и направление вектора U2. При этом увеличится ток I2 ротора, возрастет электромагнитный момент М, привод начнет ускоряться до угловой скорости, при которой наступит установившийся режим. При одинаковом порядке следования фаз напряжений U1 и U2, реактивной нагрузке и f20 магнитные поля статора и ротора имеют одинаковое направление вращения. Двигатель работает в двигательном режиме со скоростью, 0. Мощность потребляемая из сети Р1 (если в количестве Р1(1-S)), идет на вал рабочей машины, а мощность скольжения PS= P1·S – в ПЧ, откуда возвращается в сеть (см. рис. 5.14.2“а”). . При активном моменте сопротивления и f20 (20) машина работает в генераторном режиме с нижесинхронной скоростью. В этом случае направление потоков мощности меняется на противоположное (рис. 5.14.2“б”). Этот режим можно получить и путем изменения вводимого в ротор напряжения и f22 мощность МПТ должна быть больше мощности АД. Механические характеристики только одного АД, включенного в схему каскада, изображены на рис. 5.15.2. Критический момент на всех регулировочных характеристиках одинаков. Пусковой момент АД также одинаков и не зависит от тока возбуждения МПТ. Это объясняется тем, что при =0 ЭДС МПТ также равна 0 и ток Id, а значит, и момент АД не зависят от тока возбуждения МПТ. Уравнение статических механических характеристик данного каскада имеет вид: , где - скольжение, соответствующее скорости идеального холостого хода ω0 каскада. Механические характеристики этого каскада (см. рис. 5.15.3) характеризуются нарастанием Мкр при увеличении тока возбуждения МПТ, поскольку критический момент АД постоянен, а момент МПТ при увеличении ее тока возбуждения растет. Критический (максимальный) момент каскада можно найти, взяв производную . Приближенно момент этого каскада можно определить по формуле: ; где 0(1-S)= МПТ. В том случае, если роторная группа вентилей управляемая: . При пуске электрического вентильно-машинного каскада, схема которого приведена на рис. 5.15.4, вначале со стороны переменного тока разгоняется агрегат постоянной скорости ВАМ–МПТ, затем посредством реостата RП пускается АД (как и в электромеханическом каскаде) и в конце разгона он работает на естественной характеристике. При токе возбуждения МПТ, равном 0, якорная цепь МПТ подключается к выпрямителю В, после чего пусковой реостат RП отключается. Далее изменением тока возбуждения МПТ добиваются нужной скорости АД. Практически регулирование скорости АД осуществляется так же, как и в случае электромеханического каскада. При ЭДС МПТ=0, скорость АД при номинальной нагрузке составляет (8595)%, от синхронной. Относительно большое скольжение АД в этом каскаде объясняется явлением коммутации вентилей выпрямителя, которое приводит к уменьшению критического момента на искусственных характеристиках по сравнению с естественной на (5-15)% и влиянием сопротивлений выпрямителя и якоря МПТ. Уравнение статической механической характеристики электрического вентильно-машинного каскада имеет вид: , где . Семейство механических характеристик этого каскада при разных Iв приведено на рис. 5.15.5. Нижняя характеристика соответствует Iвн. Диапазон регулирования скорости электрического каскада в разомкнутой системе не превосходит (23):1. Основной недостаток вентильно-машинных каскадов – необходимость применения коллекторной МПТ. Для увеличения диапазона регулирования неуправляемый В можно заменить управляемым. Это позволит в то же время отказаться от пускового реостата т.к. ограничение броска тока будет достигнуто регулированием угла α. 5.16 Регулируемый электропривод переменного тока с вентильным двигателем (ВД) Единственным способом регулирования скорости синхронного двигателя является частотное, что следует из выражения для угловой скорости . Такое управление иногда применяется в разомкнутых системах электропривода с СД. Но чаще оно реализуется в электроприводах с вентильными двигателями (ВД). Вентильный двигатель представляет собой единую систему, состоящую из синхронного двигателя СД и преобразователя частоты с промежуточным звеном постоянного тока или с непосредственной связью (НПЧ), вентили которого коммутируются в функции положения ротора или магнитного потока. Обмотка возбуждения двигателя, располагается на роторе, питается от постороннего источника постоянного тока. Есть двигатели с возбуждением постоянными магнитами. В электроприводах небольшой мощности чаще всего используется именно такое возбуждение. Вентильный коммутатор, т.е. инвертор, управляемый в функции положения ротора, выполняет роль коллектора обычной машины постоянного тока. Он присоединяется к обмотке статора СД и осуществляет распределение постоянного тока с преобразованием его в переменный. Последовательность переключения тока статора и связанная с этим очередность включения тиристоров инвертора определяется датчиком положения ротора (ДПР). Синхронный двигатель, работающий совместно с таким инвертором приобретает свойства машины постоянного тока и иногда его называют бесколлекторной машиной постоянного тока БМПТ. Механические характеристики ВД аналогичны характеристикам двигателя постоянного тока независимого возбуждения. Преимущества ВД по сравнению с машиной постоянного тока – отсутствие коллектора, что повышает надежность, позволяет питать двигатель повышенным напряжением, следовательно, осуществлять бестрансформаторное подключение силовой части электропривода к сети. Так, электропривод ЭПБ-1, выполненный на базе синхронного двигателя с постоянными магнитами на роторе, питается напряжением 520В постоянного тока, что позволяет подключать к сети 380В без трансформатора. Момент, возникающий в ВД (как синхронной машине) подчиняется зависимости , где  – угол между осями полей статора и ротора (между векторами потокосцеплений) РП – число пар полюсов машины; Знак минус означает, что направление момента всегда противоположно направлению угла рассогласования . С целью ограничения изменений момента электронная система регулирования обеспечивает изменение угла  (в окрестностях 900) в диапазоне ±300 (в ту и другую сторону), как показано на угловой характеристике СД (рис. 5.16.1). Именно такое регулирование и осуществляется тиристорным коммутатором, т.е. инвертором, в функции положения ротора. Физическое (пространственное) положение ротора определяется с помощью датчика положения ротора (ДПР), находящегося на валу двигателя. Датчик положения ротора состоит из трех пар светофотодиодов, жестко привязанных к статору, в зазоре между которыми вращается диск, закрепленный на валу ротора. На диске по его периметру имеются прорези (см. рис. 5.16.2). Угловая длина прорези на диске определяется как , а угловое расстояние между парами светофотодиодов как . Так, если РП=1, диск имеет одну прорезь с угловым размером 1800, а пары светофотодиодов разнесены в пространстве на 1200. При РП=4 на диске 4 прорези (см. рис.) с угловым размером , а пары светофотодиодов отделены друг от друга в пространстве на угол . Выходные сигналы ДПР схемой распределения преобразуются в 120 градусные импульсы управления тиристорами, обеспечивая, таким образом, проводящее состояние каждому тиристору в течение 1200 за один период сигнала ДПР. Иначе говоря, при вращении ротора 3 пары светофотодиодов вырабатывают 3 последовательных импульса, сдвинутых во времени по отношению друг к другу на 1200. По передним фронтам этих импульсов осуществляется включение нечетных тиристоров коммутатора (первого, третьего, пятого), а по задним фронтам – четных (второго, четвертого, шестого). Длительность включенного состояния тиристоров соответствует интервалу проводимости 1200. Коммутация тока происходит 6 раз за один период сигнала ДПР. Алгоритм работы ДПР при одной паре полюсов можно проследить по схеме рис. 5.16.3. В приведенной таблице показана последовательность включений тиристоров. Во включенном состоянии одновременно находятся два тиристора из шести. Изображенные на схеме транзисторные высокоамперные ключи КЛ1 и КЛ2 выполняют две независимые функции: а) Обеспечивают режим коммутации тока с тиристора на тиристор ввиду невозможности самостоятельного выключения тиристоров, т.к. поскольку тиристоры ТК в силовой схеме подключаются к источнику постоянного напряжения, то для их отключения (и восстановления ими запирающих свойств) необходимо кратковременно разрывать силовую цепь ТК. б) Обеспечивают поддержание заданной величины тока через обмотки двигателя, т.е. участвуют в регулировании тока. Функция коммутации тока с тиристора на тиристор выполняется путем полного отключения ТК от источника питания. Транзисторы КЛ1 и КЛ2 в этом случае закрываются, протекание тока через тиристоры ТК прекращается, и они восстанавливают свои запирающие свойства, а реактивный ток iL двух фаз обмоток двигателя через два диода трехфазного выпрямительного моста возврата реактивной энергии замыкается на источник питания, перезаряжая его. Время обесточенного состояния ТК составляет  300 мкс. В вентильных двигателях средней и большой мощности при скоростях (1003000)об/мин часто используют СД обычной конструкции и естественную коммутацию вентилей инвертора (ТК) в функции напряжения статора двигателя. Такие ВД применяются главным образом в приводах с мало- и медленно изменяющейся длительной нагрузкой. ВД на скорости 100 и 3000 об/мин не могут быть выполнены на основе СД обычной конструкции. Для ВД создаются СД специальных конструкций, в частности, бесщеточные с возбуждением постоянными магнитами. Они выполняются мощностью до 30кВт с максимальной скоростью 3000 об/мин, а также многополюсные тихоходные с числом полюсов более 12. Бесконтактные (бесщеточные) СД мощностью от 30 до 200 кВт при 3000об/мин выполняются с обмоткой возбуждения, расположенной в тех же пазах, что и трехфазная обмотка якоря. Ротор представляет безобмоточный магнитопровод, напоминающий зубчатое колесо, через зубцы которого замыкается магнитный поток обмотки возбуждения и обмотки якоря. Ротор вращается синхронно с полем, создаваемым током трехфазной обмотки статора, является в этом случае якорем. Т.к. ДВ имеет характеристики как у машины постоянного тока независимого возбуждения, то все способы регулирования его скорости характеризуются такими же показателями, что и у ДНВ, (изменением U и Ф). Но энергетические показатели регулирования в случае преобразователя частоты (АИН) у ВД хуже, чем у ДНВ из-за двукратного преобразования энергии. Несколько хуже и стабильность скорости и, как следствие, меньше диапазон регулирования вниз от основной скорости, т.к. механические характеристики его мягче, чем у ДНВ той же мощности. У ВД можно получить и характеристики двигателя последовательного возбуждения, если обмотку возбуждения включить последовательно в цепь выпрямленного тока на входе инвертора. Но в отличие от свойств обычного ДПВ за счет применения системы подчиненного регулирования тиристорами управляемого выпрямителя (от которого питается инвертор), которая уменьшает напряжение на статоре и ток в нем при снижении нагрузки, характеристики вентильного двигателя оказываются примерно такими же, как и у ДНВ с 0 и являются практически линейными. Возможен и генераторный режим с рекуперацией энергии в сеть. В этом случае УВ переводится в инверторный режим, а УИ – в выпрямительный (при 0). Применение ВД перспективно для мощных тихоходных электроприводов, например, для шаровых мельниц, и сверхбыстроходных (до 10000 об/мин) сверхмощных электроприводов, например, нагнетателей, в асинхронных электромеханических каскадах. Широко применяются ВД в станочном электроприводе, в шаговом электроприводе и др. 6. Нагревание электродвигателей и основы их выбора по мощности 6.1 Общие сведения о нагревании двигателей и нагрузочных диаграммах электроприводов При электромеханическом преобразовании энергии в двигателе часть ее превращается в тепло, в результате чего двигатель во время работы нагревается. Допустимый нагрев двигателя определяется теплостойкостью применяемых для изоляции его обмоток изоляционных материалов. Он лимитируется допустимой температурой нагрева этих материалов. Отдача части тепла, выделяемого в двигателе, в окружающую среду ограничивает его нагрев и повышение температуры двигателя по истечение некоторого времени прекращается (при данной нагрузке). Наступает установившийся тепловой режим, при котором количество тепла, выделяемого в двигателе, равно количеству тепла, отдаваемого в окружающую среду (если нагрузка двигателя остается неизменной). Изоляционные материалы, применяемые в электрических машинах, делятся на следующие классы теплостойкости: Класс изоляции Допусти­мая t° Основные компоненты A 105° Х/б ткани, шелк, пряжа, бумага E 120° Синтетические эмали, синтетическая и орга­ническая пленки и т.п. B 130° Слюда, асбест, стекловолокно, связующие органического происхождения F 155° То же, но связующие синтетические H 180° То же, но связующие кремнийорганические C более 180° Слюда, керамика, кварц, связующие неорганические Соблюдение установленных ограничений по допустимой температуре нагрева обеспечивает срок службы изоляции электрических машин 15-20 лет. Небольшое превышение t°доп не означает, конечно, что двигатель сразу выйдет из строя. Однако оно приведет к интенсивному старению изоляции и сокращению срока эксплуатации машины из-за потери диэлектрической прочности изоляции. Предельные температуры обмоток двигателей с изоляцией различных классов достигается при номинальной нагрузке и температуре окружающей среды 40°C. При выборе двигателей по мощности в качестве исходных данных необходимо знать, как должна изменяться скорость электропривода во время рабочего процесса и как при этом изменяется во времени Мс механизма. Зависимости м=f(t) и Мс=f(t) называются, соответственно, тахограммой и нагрузочной диаграммой механизма. Эти зависимости при проектировании электропривода являются либо заданными, либо в задании на проектирование должны содержаться данные, достаточные для их расчета и построения. Они являются основой для расчета и построения нагрузочной диаграммы электропривода, т.е. зависимости электромагнитного момента двигателя от времени М=f(t). Под нагрузочной диаграммой электропривода понимается также зависимость P=f(t) и I=f(t). Все многообразие производственных механизмов с точки зрения режимов работы электропривода можно разделить на механизмы непрерывного и механизмы циклического действия. Механизмы непрерывного действия характеризуются продолжительным режимом работы двигателя при неизменной заданной средней скорости ср=const. Время пуска и торможения электропривода таких механизмов ничтожно мало по сравнению с общим временем работы, на нагрев двигателя оно влияния не оказывает и при построении нагрузочных диаграмм может не учитываться. Тахограмма заданной скорости имеет вид прямой 1 (рис. 6.1.1). Зависимости Мс=f(t) для механизмов непрерывного действия можно подразделить на следующие типовые группы: 1. Механизмы с постоянной нагрузкой Мс=const. 2. Механизмы с переменной циклической нагрузкой Мс=f(t), регулярно повторяющейся в течение длительного времени. 3. Механизмы с переменной циклической нагрузкой, зависящей от пути Мс=f(S). 4. Механизмы со случайным характером нагрузки. Для рассматриваемой группы механизмов типовая зависимость Мс=f(t) в общем случае имеет вид циклической кривой 2 (см. рис. 6.1.1). Частным случаем этой зависимости является работа с Мс=const (прямая 3). Обычно для удобства расчетов реальная зависимость Мс=f(t) заменяется ступенчатой (ломанная 4). На изменение нагрузки электропривод реагирует изменением скорости двигателя и для достаточно удаленного от начала работы установившегося режима тахограмма =f(t) имеет вид кривой 5. Изменения скорости вызывают Мдин и, как следствие, нагрузочная диаграмма электропривода (двигателя) всегда отличается (кривая 6) от нагрузочной диаграммы 2 механизма, т.к. механическая инерция привода оказывает на нагрузку двигателя сглаживающее действие. Общим признаком механизмов циклического действия является наличие одного или нескольких включений двигателя и соответствующего числа пауз в каждом цикле, причем на отдельных участках цикла работы возможно и изменение направления вращения механизма. В виде примера на рис. 6.1.2 изображена диаграмма Mc=f(t) и тахограмма =f(t) механизма циклического действия (ломаная 1 и 2), а также нагрузочная диаграмма электропривода (ломаная 3). Из сравнения данного рисунка с предыдущим, можно сделать вывод, что механическая инерция электропривода механизмов циклического действия является фактором, увеличивающим нагрузку двигателя. 6.2 Номинальные режимы работы электродвигателей По условиям нагревания различают восемь режимов работы электродвигателей, обозначемых S1, S2, … S8. S1. Продолжительный номинальный режим Характеризуется тем, что за время работы с номинальной нагрузкой температура перегрева двигателя τ достигает установившегося значения уст. Под температурой перегрева понимают разность τ=t°-tокр.ср. Идеализированная нагрузочная диаграмма P=f(t) и кривая =f(t) изображены на рис. 6.2.1. В таком режиме работает электропривод таких механизмов, как вентиляторы, насосы, транспортеры. S2. Номинальный кратковременный режим Характеризуется тем, что за время кратковременной работы tк с номинальной нагрузкой температура перегрева двигателя не достигает установившегося значения, а за время отключенного состояния двигатель успевает охладиться до температуры окружающей среды. Идеализированная нагрузочная диаграмма электропривода и кривая изменения температуры перегрева представлены на рис. 6.2.2. В таком режиме работает, например, электропривод механизмов с моментом сопротивления, обусловленным вязким трением. Длительность кратковременной работы стандартизована и составляет 15, 30, 60, 90 минут. S3. Номинальный повторно-кратковременный режим Характеризуется тем, что за время работы с номинальной нагрузкой температура перегрева не достигает установившегося значения, а за время паузы, двигатель не успевает охладиться до температуры окружающей среды. Идеализированная нагрузочная диаграмма и кривая =f(t) изображены на рис. 6.2.3. Для характеристики этого режима принят символ ПВ% (продолжительность включения) . Используется и понятие относительной продолжительности включения ε . Время цикла не должно превышать 10 минут. Стандартные значения ПВ%: 15%, 25%, 40%, 60%. S4. Номинальный повторно-кратковременный режим с частыми пусками Характеризуется тем же, что и режим S3, но в этом режиме на нагрев двигателя существенно влияют пусковые потери. Идеализированная нагрузочная диаграмма и кривая =f(t) изображены на рис. 6.2.4. . Нормируемые значения ПВ% те же, что и для режима S3. Стандартное число пусков в час 30, 60, 120, 240. Для этого режима используется также такой показатель, как коэффициент инерции, представляющий отношение суммарного приведенного к валу двигателя момента инерции всей системы электропривода, к моменту инерции ротора или якоря самого двигателя . Нормированные значения коэффициента инерции 1,2; 1,6; 2,5; 4; 6,3; 10. S5. Номинальный повторно-кратковременный режим с частыми пусками и электрическим торможением Этот режим также характеризуется тем же, что и режим S3, но в этом режиме на нагреве двигателя сильно сказываются потери при пуске и торможении. . Нормируемы значения ПВ% и числа пусков такие же, что и для режима S4. Значения коэффициента инерции Fу 1,2; 1,6; 2,0; 2,5; 4. Идеализированная нагрузочная диаграммы и кривая τ(t) приведена на рис. 6.2.5. S6. Номинальный перемежающийся режим Характеризуется тем, что за время работы с номинальной нагрузкой температура перегрева двигателя не достигает установившегося значения, а за время холостого хода он не охлаждается до температуры окружающей среды. Для обозначения этого режима используется символ ПН% (продолжительность нагрузки) . Продолжительность цикла не должна превышать 10 минут. Нормированные значения ПН% = 15, 25, 40, 60%. Соответствующий график P=f(t) и τ=f(t) изображены на рис. 6.2.6. S7. Номинальный перемежающийся режим с частыми реверсами Характеризуется тем, что периоды неизменной номинальной нагрузки чередуются с периодами реверса, причем периоды нагрузки не настолько длительны, чтобы температура перегрева могли достигнуть установившихся значений. В этом режиме потери при реверсе оказывают существенное влияние на нагрев двигателя, работающего без остановки. Числом реверсов в час 30, 60, 120, 240. Коэффициентом инерции такой же, что и в режиме S5. Идеализированная нагрузочная диаграммы и кривая τ=f(t) приведена на рис. 6.2.7. S8. Номинальный перемежающийся режим с двумя и более скоростями Это режим, при котором периоды с одной нагрузкой и соответствующей ей угловой скорости чередуются с периодами работы с другой нагрузкой и соответствующей ей угловой скорости. Потери энергии при переходе с одной скорости на другую в этом случае оказывают существенное влияние на нагрев двигателя, но периоды нагрузки на каждой из угловых скоростей не настолько длительны, чтобы температура перегрева двигателя могла достичь установившегося значения. Данный режим характеризуется числом циклов в час, коэффициентом инерции и продолжительностью нагрузки на отдельных участках работы Нормированные значения числа циклов в час: 30, 60; 120, 240. Коэффициент инерции: 1,2; 1,6; 2,0; 2,5; 4. 6.3 Нагревание и охлаждение двигателей при длительном режиме работы с постоянной нагрузкой Условия нагревания отдельных частей машины, несущих на себе изоляцию, различны. Большему нагреву подвергаются те части обмотки, которые находятся во внутренних областях машины. Выделение тепла и направление тепловых потоков внутри ее меняется при переходе от режима нагрузки к режиму холостого хода, поскольку двигатель является неоднородным телом. Эти обстоятельства весьма усложняют тепловые расчеты, если не принять некоторых допущений. Поэтому двигатель считают телом однородным с бесконечной теплопроводностью, передача тепла в нем и окружающую среду происходит главным образом путем теплопроводности. Для получения закона изменения температуры перегрева двигателя, составим уравнением теплового баланса. Обозначим: Q – количество тепла, выделяемое в двигателе в единицу времени; A – теплоотдача в окружающую среду, т.е. количество тепла, отдаваемого двигателем окружающую среду; C – теплоемкость двигателя как однородного тела, т.е. количество тепла, необходимое для повышения его температуры на 1°С. Уравнение теплового баланса имеет вид Разделив переменные, находим: При t=0 в общем случае двигатель мог иметь перегрев 0, ; отсюда ; или , где - установившаяся температура перегрева, которое достигается через t=∞. - постоянная нагрева, т.е. время, в течение которого двигатель нагрелся бы до установившейся температуры у, если бы не было теплоотдачи в окружающую среду. Действительно, при А=0 уравнение теплового баланса принимает вид: , откуда . Если двигатель нагревается от температуры окружающей среды, т.е. 0=0, то закон изменения τ такой: . На основе этого и предыдущего уравнений на рис. 6.3.1 построены соответствующие кривые. В реальных условиях, т.е. при наличии теплоотдачи температура перегрева двигателя за время ТH достигнет лишь значения =0.632у. Для определения ТH, если известна кривая =f(t), на этой кривой находится точка, соответствующая =0.632у, из которой проводится перпендикуляр на ось абсцисс (см. рис. 6.3.2). Величину ТH можно найти графически проведя касательную к экспоненте =f(t) в любой точке, например, из начала координат, что так же показано на рис. 6.3.2. Реальная кривая нагрева отличается от теоретической, т.е. экспоненты, тем, что в начале процесса нагрева двигатель нгагревается быстрее, чем по закону экспоненты. И лишь начиная с =(0,50,6)у действительная кривая приближается к теоретической. Поэтому при необходимости определения ТH по реальной кривой проводятся касательные к ней в начале координат, при =0,5у и =(0,80,9)у. ТH находится как среднее значение из трех, полученных методом касательных. Для получения зависимости =f(t) при охлаждении двигателя от у1 до у2, можно воспользоваться ранее полученным уравнением, подставив в него вместо у - у2, а вместо 0-у1. Тогда закон изменения τ при охлаждении двигателя запишется в виде . При охлаждении до температуры окружающей среды у2=0 и уравнение приобретает вид . Приведенные уравнения справедливы лишь в случае, если двигатель охлаждается посторонним вентилятором, т.е. имеет независимое охлаждение. Если же он охлаждается естественным путем в уравнения необходимо подставлять вместо ТН величину Т0, которая в 2–3 раза больше ТН. Численное значении постоянной ТН 15-20 мин для двигателей небольшой мощности. Для крупных двигателей ТН может быть значительно больше 1 часа. Следует отметить, что ТН не зависит от нагрузки двигателя. При различных нагрузках его нагрев будет происходить по разным кривым (см. рис. 6.3.4). Установившееся же температура перегрева будет тем выше, чем больше загружен двигатель, т.к. большей нагрузке соответствуют и большие потери. 6.4 Нагревание двигателей при кратковременном режиме работы с постоянной нагрузкой Механизмов, работающих в кратковременном режиме, в промышленности мало и двигателей, специально предназначенных для этого режима выпускается мало. Поэтому, зачастую для работы в кратковременном режиме приходится использовать двигатели режима S1. Но если такой двигатель нагрузить номинальной мощностью, то максимальная температура, которую он будет иметь в конце рабочего периода, т.е. в конце времени tк, будет меньше доп. Следовательно, двигатель будет недоиспользован по нагреву. Для того, чтобы он в тепловом отношении был использован полностью, его нужно перегрузить так, чтобы за время tк он был нагрет до доп. Иначе говоря, можно взять двигатель меньшей мощности, чем требуется для кратковременной работы (например, мощностью 10 кВт вместо 15 кВт, а нагрузить мощностью 15 кВт). Для количественной оценки перегрузки используются коэффициенты термической (тепловой) и механической перегрузки. В длительном режиме с номинальной нагрузкой температура перегрева асимптотически приближается к предельно допустимой для данного класса изоляции , где Q=∆P - потери в длительном режиме с номинальной нагрузкой. При кратковременной работе двигателя режима S1 с перегрузкой эта же температура будет достигнута за время tк (см. рис. 6.4.1). Поскольку за это время нагрузка остается постоянной, то tк и коэффициент термической перегрузки  можно найти из уравнения нагрева , где ∆Pк - допустимые потери при кратковременном режиме двигателя режима S1, при кратковременной работе с перегрузкой. Приравняв эти равенства и преобразуя, находим ; отсюда , где - коэффициент термической перегрузки. По величине  может быть определен и коэффициент механической перегрузки двигателя X, представляющий отношение допустимого по условиям нагрева момента М(к) при кратковременной нагрузке Рк к номинальному моменту М(н) при продолжительной работе с номинальной нагрузкой Рн, а также степень перегрузки двигателя по току ( или ). Для этого в выражении для  разделим потери на постоянные К и переменные V , где - коэффициент потерь; VН - номинальные переменные потери. Отсюда можно найти допустимую длительность кратковременной работы двигателя режима S1 при заданной степени перегрузки двигателя по току или мощности и допустимую перегрузку двигателя по току при заданной длительности tк. ; или . Если пренебречь постоянными потерями, то . При необходимости определения ТН, и зная каталожные данные двигателя кратковременного режима ее можно найти из выражения для tк: , где к и н - КПД двигателя при работе в кратковременном режиме с перегрузкой и номинальный КПД. Определим, теперь, допустимую нагрузку двигателя кратковременного режима по моменту или мощности если действительное время кратковременной работы tк.дейс отличается от каталожного tк.кат. При этом считаем, что за время tк.кат и нагрузке отличной от номинальной, двигатель нагреется до такой же допустимой температуры, что и за время tк.кат и номинальной нагрузке. , откуда . Т.к. , и то или . Отметим, что использовать двигатели длительного режима для работы в кратковременном режиме нецелесообразно. Объясняется это тем, что если стремиться полностью использовать их по нагреву в кратковременном режиме, то их нагрузка должна быть больше номинальной. Однако, перегрузочная способность, определяемая электрическими и механическими свойствами машины, уменьшается, т.к. эти свойства не зависят от теплового режима двигателя. Кроме того, если время tк невелико, то для полного использования двигателя по нагреву необходимо значительно перегрузить его по моменту. Иначе говоря, поскольку в режиме S2 двигатель, предназначенный для длительного режима, может работать с большей нагрузкой, чем в режиме S1, то можно считать, что его мощность в кратковременном режиме повышается, т.е. Рк.номРосн.ном. Максимальное же значение тока и момента при кратковременной перегрузке не зависят от теплового режима. Поэтому перегрузочная способность двигателя режима S1 при работе в режиме S2 будет ниже, чем в режиме S1, т.е. . Если изобразить кривые зависимости коэффициента перегрузки х по мощности (моменту) от отношения , то оказывается, что уже при 0,35 х>2,5 (см. рис. 6.4.2), т.е. для того, чтобы двигатель длительного режима полностью использовался в тепловом отношении при 0,35, его нужно перегрузить по мощности (моменту) более, чем в 2,5. Однако не все двигатели нормального исполнения, предназначенные для длительного режима, допускают такую перегрузку. Поэтому мощность двигателя пришлось бы выбирать не из условий нагрева, а по условиям допустимой перегрузки по моменту (мощности), что ведет к его недоиспользованию по нагреву. Кроме того, не все части двигателя имеют одинаковые ТН. При длительном режиме это не существенно. В кратковременном режиме в случае двигателя постоянного тока коллектор и обмотки возбуждения ограничивают нагрузку, в то время как якорь допускает дальнейшее ее повышение. В двигателях длительного режима температура всех частей достигает установившегося значения в течение времени >(4–5)ТН. При работе такого двигателя в режиме S2 температура перегрева не достигнет установившего значения, причем к концу рабочего периода нагрев отдельных частей машины может быть различным. Например, на рис. 6.4.3 приведены кривые нагрева обмотки возбуждения (1), коллектора (2) и обмотки якоря (3). Видно, что допустимая длительность кратковременной работы определяется условиями нагрева элемента машины, имеющего наименьшую ТН (в данном случае обмотки возбуждения). По этой причине в двигателях, предназначенных для кратковременной работы, при их расчетах потери в отдельных элементах перераспределяют таким образом, чтобы к концу времени tк температура перегрева всех элементов машины достигала предельно-допустимого значения. Нецелесообразность использования двигателей режима S1 в режиме S2 определяется еще и энергетическими соображениями. Двигатели режима S1 рассчитываются и конструируются таким образом, чтобы максимальный КПД был при номинальном режиме. Известно, что максимальному КПД отвечает условие равенства переменных и постоянных потерь. При работе же этих двигателей в режиме S2 с перегрузкой переменные потери будут больше постоянных и КПД будет меньше. Нецелесообразно также использовать двигатели режима S2 для работы в длительном режиме, т.к. они имеют повышенные постоянные потери и будут сильно греться. В отдельных случаях при наличии больших постоянных потерь они не могут работать длительно даже вхолостую. Двигатели, предназначенные для кратковременной работы, рассчитываются иначе, чем двигатели режима S1. Для них характерна повышенная перегрузочная способность, а если это машины постоянного тока, то они имеют усиленную конструкцию коллектора и обмотки возбуждения. 6.5 Нагревание двигателей при повторно-кратковременном режиме работы Процесс установления температуры в этом режиме при идеализированной нагрузочной диаграмме можно представить в виде рис. 6.5.1. Температура обмоток двигателя изменяется по экспоненциальным кривым и достигает установившихся колебаний с небольшой амплитудой. При правильном выборе двигателя, наибольшая температура не достигнет уст, а будет стремиться к величине уст=доп. Если в этом режиме использовать двигатель длительного режима, то за счет охлаждения во время пауз он может работать в повторно-кратковременном режиме с коэффициентом термической перегрузки , где уст - наибольшая температура, которая имела бы место при длительной работе с потерями ∆Рпк повторно-кратковременного режима. Величина  может быть найдена на том основании, что для цикла работы, достаточно удаленного от начала, температура перегрева колеблется от 0 до уст. При этом для периода работы, tр можно написать . Температура перегрева в конце паузы понизится до , если считать, что двигатель имеет независимую вентиляцию, т.е. Т0=ТН. Подставив значение 0 и разделив обе части равенства на у, получим . Отсюда . Но поскольку во время паузы Т0ТН (если охлаждение двигателя естественное), то , отсюда , где - приведенный коэффициент продолжительности включения. На основании выражения для  на рис. 5.6.2 построены кривые зависимости  от  и ε при различных значениях . Точки, лежащие на оси ординат, где =0 и =0, соответствуют кратковременному режиму работы. Все кривые сходятся в точке с координатами =1, =1. Она отвечает длительному режиму работы. Из графика видно, что при 0,6 допустимая тепловая перегрузка незначительна, а коэффициент механической перегрузки будет еще меньше. Поэтому при 0,6 практически можно выбирать для повторного кратковременного режима двигатель режима S1. Для повторно-кратковременного режима выпускается специальная серия машин – крановые и краново-металлургические двигатели (постоянного тока серии Д и переменного тока с к.з. ротором серии MTKF, MTKH, 4АС, с фазным ротором серии МТF, MTH, 4MT). Двигатели, предназначенные для повторно-кратковременного режима конструктивно отличаются от двигателей длительного режима тем, что при одинаковой мощности с последними они имеют меньший момент инерции, что достигается уменьшением диаметра якоря (ротора) при увеличенной длине. Это позволяет уменьшить потери энергии в переходных режимах (уменьшается запас энергии во вращающихся элементах), увеличивается быстродействие, т.к. сокращается время пуска и торможения. В справочниках и каталогах указывается, какую мощность они могут развивать при каждой стандартной ПВ. Для двигателей постоянного тока серии Д и краново-металлургических двигателей переменного тока основной (номинальной) ПВ% является ПВ 40%. Все величины, характеризующие двигатель при основной ПВ% являются номинальными (мощность, ток, момент, скорость), а эти же величины при других ПВ% являются допустимыми по условиям нагрева. 6.6 Предварительный выбор двигателей по мощности Для правильного выбора двигателя необходимо иметь его нагрузочную диаграмму. Но в начальной стадии проектирования электропривода проектировщику известна лишь нагрузочная диаграмма рабочей машины и ее тахограмма. Для расчета и построения нагрузочной диаграммы двигателя необходимо сделать расчет его переходных процессов, что требует знания суммарного приведенного момента инерции всей системы привод – рабочая машина. Момент инерции системы в основном определяется моментом инерции самого двигателя. Поэтому, пока двигатель не известен, нельзя приступить к расчету переходных процессов, следовательно, нельзя построить и нагрузочную диаграмму электропривода. В связи с этим приходится выбирать двигатель, предварительно исходя из нагрузочной диаграммы рабочей машины. Двигателю в процессе работы приходится преодолевать в переходных режимах не только статическую, но и динамическую нагрузку, т.к. статическая нагрузка при работе рабочей машины не остается постоянной. Поэтому среднеквадратичное значение момента двигателя получается больше, чем среднее значение статического момента сопротивления, и при предварительном выборе его номинальный момент принимается большим, чем среднее значение Мс. Обычно рекомендуется принимать , где , где длительность цикла. Могут быть использованы и такие формулы для ориентированного определения МН двигателя. или , где Мс.кв – среднеквадратичное значение статического момента сопротивления, определяемое по нагрузочной диаграмме рабочей машины. По найденному ориентированному значению МН и основной скорости, которая должна быть задана, определяется требуемая номинальная мощность двигателя по каталогу выбирается двигатель и рассчитывается момент инерции системы . Далее проводится расчет переходных процессов и строится нагрузочная диаграмма электропривода M=f(t) или I=f(t). Затем делается проверка выбранного двигателя по перегрузочной способности , где Мс.макс - приведенный максимальный статический момент сопротивления; М – каталожная перегрузочная способность двигателя. После всего этого делается проверка двигателя по нагреву (определяется Мдоп или Рдоп). 6.7 Проверка допустимой нагрузки двигателя по методу средних потерь Сущность этого метода заключается в определении средних потерь ∆Pср в двигателе при заданном графике нагрузки и сравнении их с номинальными потерями предварительно выбранного двигателя. При этом предполагается, что при равенстве ∆Pср=∆Pн двигатель будет работать с допустимой для него температурой, т.к. . Рассмотрим процесс нагрева двигателя, работающего по некоторому циклическому графику (рис. 6.7.1). Этот график и подобные ему соответствует перемежающемуся режиму S6. По истечение большого числа циклов двигатель достигнет установившегося теплового состояния. При этом температура нагрева изоляции будет одинаковой как в начале, так и в конце цикла, а в промежутке будет изменяться по установившемуся экспоненциальному закону. При небольшой длительности цикла по сравнению с ТН отклонение температуры за tц от начального и конечного значений будет невелико. Это дает основание максимальным значением температуры перегрева считать ее значение в начале и в конце цикла. Температура перегрева в конце последнего участка цикла может быть получена на основе записи ряда последовательных значений температур перегрева в конце отдельных участков цикла работы: Если в этой системе исключить значения температур перегрева в конце каждого промежуточного участка при in, то температура перегрева в конце последнего участка цикла будет Принимая во внимание равенство температур перегрева в начале и конце цикла , можно записать Выразив n через средние потери , получим Это выражение говорит, что процесс нагрева двигателя при меняющейся нагрузке, можно заменить некоторым режимом с постоянной нагрузкой, создающим тот же нагрев. Для определения ∆Pср, соответствующих длительному режиму с постоянной нагрузкой, разложим все экспоненциальные функции в ряд Маклорена (). Пренебрегая всеми членами ряда кроме первых двух, получим . Предполагая, что двигатель работает с постоянной скоростью, следовательно, неизменными А и ТН, получим . Критерием правильности выбора является ∆Pср∆Pн. В случае существенного расхождения в величинах ∆Pср и ∆Pн, необходимо выбрать двигатель больший по мощности и выполнить все расчеты заново. Условие ∆Pср∆Pн справедливо лишь в случае, когда двигатель должен работать при температуре окружающей среды +40°С. Если она отличается от +40°С, условие правильности выбранного двигателя будет таким: . Выражение для ∆Pср справедливо для проверки правильности выбора двигателей, имеющих независимую вентиляцию и с самовентиляцией, работающих с постоянной скоростью. Для двигателей с самовентиляцией и охлаждаемых естественным путем, работающих с переменной скоростью, в выражение для ∆Pср необходимо внести поправки, учитывающие ухудшение условий охлаждения при изменении скорости и во время пауз. Внесение поправок удобно рассмотреть на примере работы двигателя по трехпериодной тахограмме (рис. 6.7.2). При работе с установившейся скоростью количество тепла, отдаваемого в окружающую среду . Во время паузы где - коэффициент, учитывающий ухудшение условий охлаждения во время паузы. Во время переходных процессов (пуск, торможение, изменение скорости) теплоотдача в окружающую среду принимается равной , где Для ДПТ =0,75; для АД =0,5. Выражение для определения средних потерь (применительно к трехпериодной тахограмме) принимает вид: . Метод средних потерь хотя и является одним из наиболее точных, основанных на учете среднего нагрева двигателя, не учитывает, однако, максимальную температуру при переменном графике нагрузки и не дает возможности выбрать двигатель по нагрузочной диаграмме, т.к. для определения потерь необходимо знать параметры двигателя. Кроме того, этот метод не всегда удобен вследствие трудности расчета потерь мощности. Поэтому на практике чаще применяются другие методы, хоть и менее точные. 6.8 Определение потерь и КПД двигателя при номинальной и неноминальной нагрузке Полные номинальные потри мощности , где - коэффициент потерь. Постоянные потери Полные потери при неноминальной нагрузке . Здесь х – коэффициент загрузки двигателя по току или мощности. КПД двигателя при нагрузке, отличающейся от номинальной: 6.9 Проверка допустимой нагрузки двигателя по методу эквивалентного (среднеквадратичного) тока Суть этого метода основана на том, что действительно протекающий в двигателе и изменяющийся по величине ток заменяется в расчетах некоторым постоянным по величине эквивалентным током IЭ, вызывающим в двигателе те же потери, что и действительный ток. Величина Iэ определяется на основе следующего: При работе двигателя по некоторому графику нагрузки потери на каждом отдельном участке можно выразить в виде суммы постоянных и переменных потерь, если сделать допущение, что ток и потери изменяются ступенями, оставаясь неизменными в пределах каждой ступени (в действительности кривая тока I=f(t) не имеет ступенчатого характера). Переменные потери пропорциональны квадрату тока главной цепи – тока якоря для машин постоянного тока и тока ротора для АД (для СД – тока статора). Т.о. , где R – учитывает сопротивление обмоток главной цепи. Подставляя значения отдельных составляющих потерь в выражение для ∆Pср и представляя средние потери в двигателе как , получим Отсюда после сокращений и преобразований находим IЭ . Здесь в знаменателе время всего рабочего цикла с учетом пауз. Условие проверки сводится к сравнению Iэ с номинальным током предварительно выбранного двигателя, т.е. Iэ Iн. Двигатель дополнительно нужно проверить по условию допустимой перегрузки, т.е. убедиться, что . Если это последнее условие не выполняется, необходимо выбрать двигатель большей мощности, руководствуясь при этом уже не условиями нагрева, а перегрузочной способностью двигателя. Следует иметь в виду, что при выводе выражения для IЭ переменные потери принимались пропорциональными квадрату главного тока двигателя. Это положение справедливо лишь в том случае, если в течение рабочего цикла нет подключения главной цепи, а АД с к.з. ротором, имеющие двойную беличью клетку либо глубокие пазы, работают примерно при постоянной скорости. Кроме того этот метод не учитывает возможные изменения постоянных потерь при изменении скорости в широких пределах. Тем не менее, это метод может использоваться для проверки по условиям нагрева всех типов предварительно выбранных двигателей с достаточной точностью. В случаях, когда постоянная нагрева двигателя ТН не постоянна и цикл содержит периоды работы с переменной скоростью (пониженной), а также паузы, необходимо учитывать влияние ухудшенных условий охлаждения. Эквивалентный ток в этом случае (применительно к трехпериодной тахограмме) определяется по формуле . При резких изменениях тока кривая I=f(t) при расчетах заменяется не ступенчатой, как рассмотрено выше, во избежание значительных погрешностей, а ломанной линией, близко совпадающей с реальной кривой изменения тока, и вычисляются эквивалентные токи отдельных участков. В этом случае площадь графика, ограниченная такой ломаной линией, разбивается на ряд фигур (см. рис. 6.9.1), имеющих форму треугольника, прямоугольника и трапеции. Найдем, например, эквивалентное значение тока на линейном участке длительностью t1 (площадь участка имеет форму треугольника). На нем ток изменяется по закону , где . Эквивалентный ток на этом участке: - расчет выполняется для треугольника. На участке длительностью, например, t3 имеющем форму трапеции аналогично можно получить выражение - расчет выполняется для трапеции. На участках, имеющих форму прямоугольника (длительностью t4, t6), эквивалентный ток равен действительному току. Используя полученные зависимости, определяется результирующий эквивалентный ток, который затем сравнивается с номинальным током предварительно выбранного двигателя и делается заключение о возможности его применения, т.е. IЭ≤IН - расчет выполняется для результирующего эквивалентного тока. Метод эквивалентного тока является предпочтительным при проверке мощности ДПТ с изменяющимся потоком, а также для АД со значительным током холостого хода (доходящим до (40÷60)% номинального тока). Его нельзя применять для проверки мощности предварительно выбранных к.з. АД с двойной беличьей клеткой или глубокими пазами ротора, т.к. сопротивление обмоток ротора у них сильно изменяется в пусковых и тормозных режимах, а также при значительных изменениях скорости. 6.10 Проверка допустимой нагрузки двигателя по методам эквивалентного момента и эквивалентной мощности Метод эквивалентного момента основан на том, что в двигателях, работающих при Ф=const момент пропорционален току. Так, в случае двигателей постоянного тока с независимым возбуждением . С некоторыми допущениями он может быть использован и для проверки мощности предварительно выбранного АД, когда он должен работать при нагрузках, близких к номинальной. Момент АД . При тех реальных нагрузках, при которых обычно работает АД, cos2 изменяется не столь значительно, и с некоторой погрешностью его можно считать постоянным. Т.к. при U1=const и f1=const поток АД постоянен, можно ститать, что и MI2. Умножая обе части выражения для Iэ на некоторый коэффициент пропорциональности, получим . Условие правильности предварительно выбранного двигателя: МэМн. В случае, когда Фconst (например, при ослаблении его у ДНВ), этим методом непосредственно пользоваться нельзя, но если внести поправки в нагрузочную диаграмму электропривода, то ординаты графика момента можно сделать пропорциональными току и методом эквивалентного момента можно будет пользоваться. Внесение поправок рассмотрим на примере трехпериодного графика (рис. 6.10.1). В установившемся режиме двигатель должен работать с ослабленным потоком Фосл со скоростью максосн. На участках диаграммы, где двигатель работает с Ф=Фн, ординаты графика момента пропорциональны току (до точки А). При осн эти ординаты не пропорциональны току (от точки А до точки В). Если при Ф=Фн двигатель, развивая момент М, потребляет из сети ток Iя, то при ослабленном потоке Фосл, развивая тот же момент, он будет потреблять больший ток Iя. Таким образом на участках работы с Фосл график момента не отражает картины нагрева двигателя. Исходя из равенства моментов, при работе Фн и Фосл, можно определить величину поправки, которую нужно ввести в график момента, чтобы его ординаты были пропорциональны току Отношение потоков можно заменить отношением скоростей. Пренебрегая падением напряжения в цепи якоря, можно считать . Следовательно, и Умножив ординаты графика момента на участке работы двигателя с ослабленным потоком (от точки А до точки В) на отношение , где  - фактическая скорость при ослабленном потоке, получим новый график, ординаты которого пропорциональны току. Следовательно, имея новый график зависимости M=f(t) для проверки мощности предварительно выбранного двигателя можно использовать метод Мэ. В электроприводах, работающих с постоянной или мало меняющейся скоростью, мощность Р=М· будет пропорциональна моменту. В этом случае для проверки правильности выбора мощности двигателя можно находить значение эквивалентной мощности Рэ, пользуясь зависимостью P=f(t), полученной расчетным или экспериментальным путем. При этом должно соблюдаться условие: . Область применения этого метода ограничивается случаями работы ДНВ, АД и СД при =const. 6.11 Выбор мощности двигателя для работы с длительной неизменной нагрузкой К механизмам, работающим длительно с практически неизменной нагрузкой, относятся многие вентиляторы, компрессоры, центробежные насосы, дымососы, транспортеры и т.п. Поскольку эти механизмы пускаются редко, влияние пускового режима на процесс нагрева двигателя ничтожно. Лишь в некоторых случаях приходится проверять достаточность развиваемого двигателем пускового момента, имея в виду, что некоторые механизмы имеют повышенное сопротивление трения и момент трогания. В таком режиме температура перегрева двигателя достигает установившегося значения уст и двигатель, выбранный правильно, может работать сколь угодно долго без перегрева сверх допустимого предела, при условии правильности эксплуатации и температуре окружающей среды не превышающей 40°С. Выбор двигателя при этом режиме сводится к тому, что если известна мощность статической нагрузки Рc, то нет необходимости проверять двигатель по нагреву или перегрузке во время работы. Достаточно выбрать двигатель с номинальной мощностью . При этом можно быть уверенным, что она является наибольшей допустимой, т.к. завод-изготовитель произвел уже все расчеты и испытания, исходя из максимального использования материалов при номинальной мощности двигателя. В тех случаях, когда нагрузка (Рc механизма) заранее неизвестна, она определяется по формулам с использованием коэффициентов, полученных из многочисленных опытов, а в некоторых случаях, например, для малоизученных или новых механизмов, ее приходится определять, прибегая к снятию нагрузочных диаграмм самопишущими приборами на имеющихся в эксплуатации аналогичных установках. Так, расчетная мощность для насосов, вентиляторов, компрессоров, конвейеров (транспортеров), тележек может быть вычислена по следующим формулам: , где V – производительность м3/с; Н – для насосов – высота напора, равная высоте всасывания и нагнетания, м; для вентиляторов и компрессоров – давление газа кгс/м2 и кгс/см2; н, в, к, пер - КПД насоса, вентилятора, компрессора, передачи (редуктора); Аи, Аа – соответственно удельная работа изотермического и адиабатического сжатия (дается в справочниках) F – тяговое усилие, кгс; G – вес тележки с грузом, т; V - скорость, м/с; KT – коэффициент, равный 4–6 для подшипников качения и 68 для подшипников скольжения; 7,5 – удельное тяговое усилие, кгс/тс. Мощность выбираемого двигателя должна содержать запас по сравнению с расчетными величинами не менее (510)% с увеличением до (3040)% для двигателей мощностью до 5кВт и (70100)% до 1кВт. В тех случаях, когда температура окружающей среды ниже 40°С, двигатель может быть загружен выше своей номинальной мощности, а если выше 40°С – его следует недогружать. Двигатель правильно выбранной мощности при номинальной нагрузке и t°о.ср=40°С в двигательном режиме должен быть нагрет до доп , где . Если tок.ср отличается от 40°С на ∆, то для сохранения той же предельно допустимой температуры перегрева доп, допустимое ее превышение должно быть уменьшено или увеличено на ∆. Для этого ток двигателя должен иметь значение и переменные потери будут . Выражение для установившейся температуры уст при этом будет таким: , где ∆ будет со знаком ''+'' при t°о.ср >40°С и со знаком ''-'' при t°о.ср <40°С. Разделив это выражение на первое, получим , откуда допустимая степень загрузки двигателя при t°о.ср 40°С , т.е. Рдоп=Рн·х. При х=0, т.е. двигатель не может нести никакой нагрузки, а может работать лишь вхолостую. 6.12 Выбор мощности двигателя для кратковременного режиме работы В реальных условиях при кратковременном режиме работы нагрузка на валу двигателя в течение рабочего периода обычно изменяется. Поэтому если известен реальный график нагрузки, т.е. зависимость M=f(t), он заменяется эквивалентным ему по нагреву прямоугольным при том же времени tк, и, используя метод эквивалентного тока или момента, определяется Iэ или Мэ. В виде примера на рис. 6.12.1 показаны реальный график переменной нагрузки и эквивалентный прямоугольный. Эквивалентный момент в данном случае будет равен . Но поскольку точная нагрузочная диаграмма электропривода обычно неизвестна и может быть построена только в том случае, если двигатель уже выбран и рассчитаны переходные процессы, при проектировании электропривода с кратковременным режимом работы двигатель выбирается предварительно по условию перегрузки , или на основании данных опыта проектирования и эксплуатации аналогичных электроприводов. Затем можно рассчитать переходные процессы и построить реальную нагрузочную прямую, определить Mэкв или Iэкв и сравнить с Мн или Iн. Если предполагается выбрать специальный двигатель из серии, специально предназначенной для кратковременного режима работы, то заданными должны быть нагрузочная диаграмма механизма и время tк. По этим данным двигатель выбирается предварительно, как указано выше. Для выбранного двигателя определяются ТН и коэффициент потерь «а»: , где - для ДПТ, а для АД ; . Далее рассчитываются необходимые статические характеристики, переходные процессы и строится нагрузочная диаграмма, по которой определяется Мэ или Iэ или Рэ и действительное время tк. После этого определяется допустимый по нагреву момент Мдоп за действительно время tк.действ . Двигатель будет удовлетворять условиям нагрева, если выполняется условие Мдоп Мэ. Если для кратковременной работы предполагается выбрать двигатель, нормально предназначенный для длительной работы, т.е. режима S1, то он выбирается предварительно по тем же критериям, что и двигатель режима S2. Заданными должны быть нагрузочная диаграмма механизма и время tк. Далее вычисляются те же величины и параметры, что и в предыдущем случае, рассчитываются переходные процессы, строится нагрузочная диаграмма электропривода и определяется Мэ. Затем определяется момент, который может развивать выбранный двигатель не перегреваясь в течение времени tк.действ при кратковременном режиме работы . Если выполняется условие , то выбранный двигатель по нагреву проходит. Если оно не выполняется, необходимо выбрать двигатель ближайшей большей мощности. После проверки по условиям нагрева двигатель стоит проверить по условию перегрузки, а для к.з. АД проверяется еще условие достаточности пускового момента. Как уже говорилось ранее, для кратковременного режима работы нецелесообразно использовать двигатели длительного режима. Поэтому при отсутствии специальных двигателей режима S2 можно использовать двигатели повторно-кратковременного режима S3. Считается, что двигателю со стандартной длительностью tк=30 мин, соответствует двигатель с ПВ% = 15%, 60 минутному двигателю – двигатель с ПВ% = 25% и 90 минутному двигателю – двигатель с ПВ% = 40%. 6.13 Выбор мощности двигателя для повторно-кратковременного режима работы Если при повторно-кратковременном режиме нагрузка двигателя, время работы tр и время паузы t0 не меняются, и относительная продолжительность включения равна одному из стандартных значений, то по справочнику или каталогу выбирается двигатель с номинальной мощностью РнРнагрузки при соответствующей . Если нагрузка Р1 при переходе от цикла к циклу остается неизменной, но не равной Рн, а  отличается от стандартного значения, то, на основании метода средних потерь, можно утверждать, что средняя температура перегрева двигателя не будет превышать допустимого значения, если средние потери мощности за цикл при кат не будут превышать средние потери за тот же цикл при =с=кат и Рн, т.е. если или . Выбор двигателя по мощности в этом случае сводится к проверке согласно написанному условию предварительно выбранного двигателя с ближайшими к Р1 и 1 значениями Рн и кат (εс). Если в написанном выражении потери мощности выразить через постоянные «К» и переменные «V», то после преобразований получим следующую формулу для проверки предварительно выбранного двигателя . Для ДПТ независимого возбуждения, работающих с Ф=const, а также для АД, работающих в пределах линейной части механической характеристики можно получить аналогичное соотношение между моментами, а при работе этих двигателей на естественных характеристиках – соотношение между мощностями , . На практике чаще всего нагрузка в пределах цикла не остается постоянной. Поэтому, если известен реальный график М=f(t), его заменяют эквивалентным прямоугольным (рис. 6.13.1) и определяется Мэкв или Iэкв. Применительно к изображенной диаграмме: или . Здесь время паузы t0 (в знаменателе под корнем) не входит, поскольку оно учитывается величиной ПВ%. Да и во время паузы двигатель момента не не развивает, т.к. ток =0. Если расчетная величина продолжительности включения отличается от стандартной, двигатель выбирается по ближайшему стандартному значению ε, пересчитывая мощность двигателя на стандартное значение. При переходе от одной  к другой эквивалентная мощность двигателя, должна оставаться неизменной. Поэтому в соответствие с выражением для Рэ в случае работы двигателя на естественной характеристике можно написать: ; или . Отсюда Пример пересчета мощности Рх=Р1 от действительной х=1, на стандартное значение (каталожное) 2=кат=с, выполняются так: и т.д. Может быть сделан пересчет на εс не только мощности, но и эквивалентного тока, определенного из нагрузочной диаграмме, а также эквивалентного момента, если двигатель независимого возбуждения должен работать с Ф=const, а АД – в пределах линейной части механической характеристики . Для более точного пересчета мощности следует исходить не из равенства эквивалентных мощностей, а из равенства потерь, т.е. исходя из соотношений: , где ∆Рпк1 и ∆Рпк2 - потери в двигателе при повторно-кратковременном режиме соответственно с 1 и 2; τу – время цикла. Выражая потери через постоянные и переменные, учитывая изменение условий охлаждения, т.е. имея в виду, что и обозначая через x отношение можно написать, приняв режим с Р1 за исходный . Отсюда и . При =1 , а при пренебрежении постоянными потерями и . В случае различных значений tр и t0, входящих в график нагрузки, за относительную  принимается величина, подсчитанная для большого числа циклов работы. . При расчетах следует пользоваться этой средней или эквивалентной величиной, во всех приведенных выше формулах. При проверке мощности предварительно выбранного двигателя по методу средних потерь в случае повторно-кратковременного режима работы, они вычисляются по формуле , где ∆Рп, ∆Рт, ∆Ру, ∆Р0 – потери (средние) мощности за время пуска tп, торможения tm, установившейся работы и за время паузы при неподвижном двигателе (в обмотке возбуждения двигателя ДНВ и СД). 6.14 Выбор двигателей для работы в режимах S4  S8 и выбор преобразователей для регулируемых электроприводов Для электроприводов, предназначенных для работы в режимах S4 и S5, выбираются двигатели, нормально предназначенные для режима S3. Мощность двигателей определяется предварительно на основе нагрузочной диаграммы механизма как и для режима S3. Для выбранного двигателя строится нагрузочная диаграмма электропривода, по которой производится проверка правильности выбора. Для работы в режимах S6 и S7 обычно выбираются двигатели, предназначенные для работы в режиме S1. Если известна нагрузочная диаграмма электропривода M=f(t) или I=f(t), расчет Мэ или Рэ позволяет выбрать двигатель для режима S6, а для режима S7 формулы Мэ и Рэ используются для проверки предварительно выбранного двигателя, т.к. для этого режима расчет и построение достаточно точной нагрузочной диаграммы до выбора двигателя представляет трудности. Для обоих этих режимов обязательна проверка двигателя по условиям пуска и перегрузочной способности. Для работы в режиме S8 как правило выбираются двигатели режима S1. Двигатель выбирается предварительно по нагрузочной диаграмме механизма и затем рассчитывается и строится нагрузочная диаграмма электропривода, M=f(t) или I=f(t) из которой находится Iэ или Мэ за цикл работы и сравнивается с Iн или Мн. Рассмотрим, теперь, как выбираются преобразователи для регулируемых электроприводов. Мощность генератора для системы Г-Д , где Рнд и нд - номинальная мощность и номинальный КПД двигателя. По каталогу (справочнику) выбирается генератор с РнгРг.расч, обеспечивающий требуемое напряжение двигателя. Мощность гонного (сетевого) двигателя генератора - где Рнг и нг - номинальная мощность и номинальный КПД генератора. По каталогу (справочнику) выбирается асинхронный к.з АД или синхронный двигатель СД с номинальной мощностью Рн.г.дРгон.расч и скоростью, соответствующей скорости генератора, указанной в паспорте генератора. Тиристорный преобразователь для системы ТП-Д выбирается по номинальному выпрямленному току, номинальному выпрямленному напряжению и мощности с учетом необходимости реверса двигателя, т.е. Idн≥ Iн двигателя Udн=Uн двигателя и Sн преобразователя ≥Рн двигателя. Преобразователь частоты для системы ТПЧ-АД выбирается по номинальному напряжению, номинальному току, номинальной мощности и требуемому диапазону изменения частот. Необходимо, также решить вопрос о типе преобразователя – со звеном постоянного тока или с непосредственной связью. 6.15 Особенности выбора мощности АД с к.з. ротором и определение допустимого числа включений их в час при повторно-кратковременном режиме работы В приводах значительного числа металлообрабатывающих станков, кузнечно-прессовых механизмов, вспомогательных механизмов металлургических прокатных станов, и т.п. механизмов, работающих в весьма напряженном режиме и, требующих подчас 1000–1500 и даже более 2000 включений в час, широко применяются к.з. асинхронные двигатели. Условия работы АД с к.з. ротором в таких режимах частых включений более тяжелые, чем двигателей постоянного тока или АД с фазным ротором, т.к. тепло, выделяемое во время переходных процессов пуска, торможения, рассеивается в самом двигателе, а не выносится за пределы двигателя в пусковых и тормозных сопротивлениях. Использование методов эквивалентных величин для проверки мощности предварительно выбранного двигателя не дает правильных результатов, поскольку в пуско-тормозных режимах меняются потери в стали, из-за значительного нагревания ротора растет сопротивление его обмоток, вследствие чего соотношение потерь в обмотках статора и ротора не может быть связано с каким-либо постоянным коэффициентом. Поэтому приходится применять метод, основанный на непосредственном учете потерь, возникающих в двигателе. Практически расчет при этом сводится к проверке предварительно выбранного двигателя на допустимое число включений в час. Под допустимым числом включений в час понимается такое число включений, при котором средняя температура после большого числа циклов будет равна максимально допустимой. Его можно определить, также, как отношение количества тепла, отдаваемого двигателем окружающей среде за час к количеству тепла, выделяемого в нем за один цикл работы. Цикл состоит из разгона двигателя, работы при установившейся скорости, торможения и паузы. Потери энергии, выделяемые в двигателе и отдаваемые в окружающую среду в установившемся режиме с номинальной нагрузкой и номинальной скоростью, равны ∆Рн·tу. При пуске и торможении теплоотдача в окружающую среду меняется в пределах от А0 до А, где А0 – теплоотдача при неподвижном двигателе, т.е. во время паузы, а А – теплоотдача при работе с установившейся скоростью. Учитывая ухудшение условий охлаждения неподвижного самовентилируемого двигателя коэффициентом , и пренебрегая незначительным изменением температуры, потери тепла во время паузы можно представить как . При пуске и торможении теплоотдачу можно принять равной средней из ее значений при неподвижном состоянии и при установившейся скорости, т.е . Тогда потери в окружающую среду будут соответственно равны и . Энергия, выделяемая в двигателе за цикл становится , где - - потери в установившемся режиме, которые в общем случае могут отличаться от номинальных, поскольку зависят от нагрузки двигателя Рх. Теперь, учитывая всё сказанное, уравнение теплового баланса будет иметь вид: . Время цикла, выраженное через число включений в час z . Время работы с установившейся скоростью . Время паузы . Подставляя значения tу, t0 в уравнение теплового баланса, получим формулу для определения допустимого числа включений: . Величина, стоящая в скобках в знаменателе, составляет (24)% от суммы ∆Aп+∆Aт. Принимая ее равной 3%, получим . Если в установившемся режиме двигатель работает с номинальной нагрузкой, то ∆Рх=∆Рн и . Из этого выражения следует, что для увеличения zдоп, необходимо применять двигатели с более теплостойкой изоляцией, позволяющей увеличить ∆Рн, применять независимую вентиляцию (охлаждать двигатель вентилятром) и уменьшать потери ∆Aт, используя вместо торможения противовключением динамическое торможение. Полученное выражение для zдоп может быть использовано для проверки по нагреву предварительно выбранного двигателя путем сравнения zдоп с действительным числом включений, определяемым характером работы приводимого двигателем механизма. Должно выполнятся условие zдопzдейств. 7. Энергетика электроприводов 7.1 Потери энергии при установившемся режиме работы нерегулируемого электропривода Понятие «энергетика электроприводов» включает в себя вопросы потребления и расхода электроэнергии, потерь ее при электромеханическом преобразовании, вопросы эффективности использования активной и реактивной энергии. Эти вопросы определяют такие важные энергетические показатели работы электропривода, как КПД и коэффициент мощности. Эти показатели существенно зависят от режимов работы электропривода, Мс, ω, напряжения и частоты сети. Рассмотрим потери при работе двигателя на естественной характеристике. Мощность потерь в нерегулируемом электроприводе при складывается из мощности потерь в механических передачах от двигателя к рабочему органу механизма, т.е. К постоянным потерям «К» относятся потери в стали, механические, а для двигателей постоянного тока независимого возбуждения и синхронных двигателей – еще и потери на возбуждение. Постоянные потери в действительности изменяются при изменении скорости, напряжения и частоты сети. Однако при работе на естественной характеристике скорость двигателя изменяется незначительно. Это позволяет считать постоянные потери неизменными. Переменные потери – это потери в обмотках, зависящие от тока нагрузки. Для двигателей постоянного тока . Для АД . При небольшом диапазоне изменения токов АД, когда намагничивающий ток Iconst, при малых скольжениях S (что характерно для работы на естественной характеристике), для которых cos21, можно считать потери от тока намагничивания I2r1, постоянными и отнести их к постоянным потерям «К», а переменные потери выразить только через ток ротора, т.к. при Iconst . Для синхронных двигателей . Таким образом, переменные потери для различных двигателей , а суммарные потери в двигателе , где - коэффициент потерь. Для двигателей постоянного тока с независимым возбуждением и АД переменные потери можно выразить через электромагнитный момент и относительный перепад скорости (скольжение). Для ДПТ . Для АД переменные потери в роторе . Полные переменные потери в АД . КПД нерегулируемого электропривода , где Рр0 – мощность на рабочем органе механизма; Р1 – мощность, потребляемая из сети. Коэффициент мощности АД , где , . Выразив Q через Ра, получим . Для большинства АД . Тогда , т.е. АД на 1кВт активной мощности потребляет из сети (0,50,75) кВАр реактивной мощности. 7.2 Потери мощности и энергии в установившемся режиме регулируемого электропривода Выбор того или иного способа регулирования скорости электропривода определяется в конечном счете его экономичностью. И хотя понятие экономичности включает в себя такие факторы, как капитальные затраты, эксплуатационные расходы, надежность работы и т.п., показатели расхода электроэнергии и регулировочных потерь являются основной для сопоставления регулируемых электроприводов по экономичности. При прочих равных условиях большей экономичностью обладает электропривод с меньшими потерями и расходом электроэнергии. С энергетической точки зрения регулирование скорости или момента означает изменение мощности механической энергии на рабочем органе механизма. Изменить эту мощность можно путем рассеяния ее части в виде тепла в добавочном рабочем сопротивлении якоря МПТ или ротора АД. Такой же результат можно получить увеличив потери в самом двигателе, например, при несимметричном питании, когда в двигателе протекают несинусоидальные токи. Такие способы параметрического регулирования скорости (реостатный, несимметричного включения АД и др.) при длительном снижении механической мощности с энергетической точки зрения неэкономичны. Экономичнее отводя часть энергии (без изменения основного потока энергии) возвратить ее в сеть. Это реализуется в каскадных схемах включения АД – в электрических каскадах, или эту часть энергии дополнительно направить к рабочему органу механизма, что реализуется в электромеханических каскадах. Существенно экономичнее регулировать поток механической мощности не за счет дополнительных потерь, а так, что бы мощность потребляемой механической энергии определялась мощностью, необходимой в данный момент времени механизму и потерями. Такие возможности имеют системы УП-Д, позволяющие регулировать параметры U, I, f на входе двигателя. В таких системах управление механической мощностью осуществляется за счет снижения потребляемой двигателем электроэнергии. Здесь источник (УП) выделяет такую электрическую мощность, которая требуется в данный момент времени механизму. Чтобы сделать вывод об экономической целесообразности конкретного регулируемого электропривода необходимо прежде всего определить полные потери во всех его элемента. У ДПТ с независимым возбуждением без большой ошибки можно принять, что механические потери Км и потери в стали Кс равны , где (Км+Кс)н – потери при номинальной скорости. Переменные потери в якорной цепи , где 0р - скорость идеального холостого хода двигателя, соответствующая регулировочной характеристике. Суммарные потери в регулируемом приводе с ДНВ с учетом потерь Кв на возбуждение . При реостатном регулировании скорости переменные потери изменяются пропорционально относительному перепаду скорости , а постоянные при уменьшении скорости уменьшаются. При регулировании скорости изменением напряжения (0=var) с Мc=Мн=const ток якоря неизменен и равен номинальному, т.к. . Неизменны и переменные потери . При регулировании скорости ослаблением магнитного потока при Рс=Мс·с=const ток возбуждения из-за нелинейности кривой намагничивания изменяется в большей степени, чем поток. Кривую намагничивания в пределах изменения тока возбуждения от 0 до Iвн можно аппроксимировать выражением , где 1