Режимы преобразования энергии

Режимы преобразования энергии.

Электродвигательное устройство электропривода осуществляет электромеханическое преобразование электрической энергии и с точки зрения направления ее потоков возможны следующие режимы работы этого устройства, рис. 19. Двигательный режим работы электропривода – это основной режим, режим преобразования электрической энергии в механическую, поток которой направлен к исполнительному органу, рис. 19,а. При этом    преобразовании поступающая из питающей сети электрическая мощность Р_эл преобразуется в механическую Р_мех и частично теряется в виде теплоты в активных сопротивлениях и в стали электродвигателя – Δр= Δр₁ + Δр₂, где Δр₁ – часть теплоты (потерь), отводящаяся поверхностью электромеханического преобразователя (электродвигателя) в окружающую среду, Δр₂ – часть  теплоты, идущая на нагрев самого электромеханического преобразователя.

В силу своей обратимости электрическая машина может перейти в генераторный режим работы, если на ее вал будет поступать избыточная механическая мощность, рис. 19,б. Она работает генератором электрической энергии параллельно с сетью, отдавая в сеть мощность – Р_эл. При этом часть поступающей механической мощности теряется в виде тепловых потерь Δр в двигателе. В некоторых случаях этот режим носит название – рекуперативное торможение.

Если создается такой режим работы электромеханического преобразователя, когда он потребляет и электрическую мощность из сети и механическую мощность со  своего вала,  причем  вся потребляемая  мощность преобразуется в нем в теплоту, то получается режим торможения двигателя противовключением или его работа в генераторном режиме последовательно с сетью, рис. 19,в.

Электромеханический преобразователь может работать автономным генератором (не связанным с сетью). В этом режиме за счет механической энергии, присутствующей на его валу, вырабатывается электрическая энергия, которая затем выделяется в виде теплоты в сопротивлениях силовых цепей и в стали электрической машины. Это режим принято называть динамическим торможением, рис. 19,г.

а)                                                     б)

в)                                                       г)

Рис. 19

Рассмотренным режимам соответствует свои области расположения механической характеристик в ортогональных осях  ω – М, рис. 20. В первом и третьем квадрантах механическая мощность Р_мех=М.ω положительна, что соответствует двигательному режиму работы электромеханического преобразователя. Во втором и четвертом квадрантах механическая мощность

Рис. 20

Р_мех отрицательная, она определяет области тормозных режимов работы электромеханического преобразователя.

Электромеханическое преобразование энергии сопровождается потерями энергии в активных сопротивлениях обмоток электрических машин, а также механическими потерями. Энергия потерь выделяется в виде теплоты в соответствующих элементах двигателя и вызывает его потерь. Эти потери представляются в виде суммы постоянных и переменных потерь. Считается, что постоянные потери Δр_с практически не зависят от момента, развиваемого двигателем, а, следовательно, от токов, протекающих по его силовым цепям. Переменные потери Δр_v представляют собой потери в активных сопротивлениях силовых цепей и пропорциональны квадрату тока, протекающего по этим сопротивлениям. Таким образом, выражение для определения общих потерь запишется

∆р = ∆р_с + ∆р_v = ∆р_с + кI².

При увеличении полезной нагрузки на валу двигателя, а значит и тока, протекающего по его силовым цепям, приводит к увеличению переменных и, следовательно, общих потерь. Это приводит к увеличению количества теплоты, выделяемое в его массе за единицу времени, что повышает температуру всех частей  двигателя. Максимально допустимая температура двигателя ограничивается максимально допустимой температурой его элемента, наиболее чувствительного к превышению температуры. Этим элементом в электромеханическом преобразователе является изоляция. Превышение температурой допустимого значения вызывает ускоренное старения изоляции. Это обстоятельство накладывает самое важное ограничение на процессы электромеханического преобразования энергии – ограничение по нагреву двигателя. Полезная мощность, развиваемая двигателем, потребляемый из сети (от источника питания) ток не должны достигать значений, при которых рабочая температура двигателя может превысить допустимую температуру. Допустимая по нагреву нагрузка двигателя называется его номинальной нагрузкой – это такая нагрузка, при которой двигатель, работая в номинальном режиме, нагреется до допустимой температуры. Данными, характеризующими номинальный режим работы двигателя, являются:

номинальная мощность на его валу – Р_ном, номинальное напряжение – U_ном, подаваемое на силовые цепи двигателя, номинальный ток – I_ном, номинальная скорость – ω_ном, частота номинального напряжения – f_ном, номинальный коэффициент полезного действия – η_ном, номинальный коэффициент мощности – cos φ_ном.

Три последних параметра относятся к двигателям переменного тока.

Как объект нагрева двигатель обладает тепловой инерцией. При достаточно малой продолжительности выделения потерь мощности теплота не сможет вызвать заметного изменения температуры всех частей двигателя. Поэтому ограничения, накладываемые нагревом, не исключают возможности кратковременного превышения номинальной нагрузки двигателя. Допустимое значение этого превышения определяет перегрузочную способность двигателя. Она может быть по моменту – λ_М = М_макс / М_ном , где  М_макс  – максимальное допустимое значение момента двигателя при кратковременной перегрузки, и по току – λ_I = I_макс / I_ном , где  I_макс  – максимальное значение тока при тех же условиях. Перегрузочная способность двигателя ограничивается различными причинами. Для двигателя постоянного тока этой причиной является условия коммутации тока якоря коллектором. При перегрузки по току возрастает искрение под щетками, переходящее при недопустимо больших токах в искрение больших размеров, способное перекрыть коллектор по окружности сплошной дугой. Этот процесс носит название кругового огня на коллекторе, что обычно выводит двигатель из строя. Искрения на якоре зависит не только от значения тока, но и от скорости его изменения во времени. При очень быстром изменении тока имеет место отставание потока дополнительных полюсов от тока якоря вследствие электромагнитной инерции и наличия вихревых токов. Указанные процессы формируют дополнительное  условие – di_Я /dt ≤ (di_Я /dt )_доп , где  (di_Я /dt )_доп  – максимальное допустимое по условиям коммутации скорость изменения тока якоря,  значение которой находится на уровне 25 А/с. Этот уровень изменения тока обеспечивает удовлетворительную коммутацию и ограничивает предельно допустимое значение момента двигателя. Силовые цепи бесколлекторных машин переменного тока допускают большие перегрузки по току, чем машины постоянного тока. У них значение допустимого момента ограничивается наибольшим моментом, который способна развить машина при номинальном напряжении питания и номинальном возбуждении, если таковое имеется.