Rustam222

258-301 betlar Rustam
Рис. 8.2. Схема следящего электропривода релейного действия с двигате­лем постоянного тока

число. Питание потенциометров П1 и П2 осуществляется напря­жением постоянного тока Un.

Сигнал рассогласования UA снимается с движков потенциомет­ров П1 и П2. При их одинаковом угловом положении, что соответ­ствует нулевому углу рассогласования (ошибке) Дер = срвх - срвых, сигнал U'A = 0. При этом равен нулю и сигнал UA на выходе усили­теля У, оба транзистора закрыты и двигатель неподвижен.
При возникновении рассогласования между угловыми поло­жениями движков потенциометров П1 и П2, вызванного поворо­том рукоятки ЗУ, сигналы U'A и UA становятся отличными от нуля. В зависимости от полярности сигнала UA, которая определяется знаком угла рассогласования (ошибки) Дер, сигнал UA подается на транзистор VT1 (по цепи диод VD10 - стабилитрон VD5 - ре­зистор R3 -диод VD7) или VT2 (по цепи диод КОР -стабилит­рон VD6 - резистор R4 -диод VD8). Если этот сигнал превышает порог срабатывания стабилитронов VD5 или VD6, то соответству­ющий транзистор откроется, подключая двигатель к источнику питания с напряжением U. Двигатель начнет вращаться, повора­чивая вал рабочей машины РМ и ось движка потенциометра П2 в направлении, при котором возникшее рассогласование в системе будет уменьшаться и стремиться к нулю. Когда сигнал UA станет меньше напряжения открывания стабилитронов VD5 или VD6, работающий транзистор (VT1 или VT2) закроется и отключит двигатель от источника питания.
Таким образом, ЭП в данной схеме отрабатывает заданное пе­ремещение срвх с некоторой погрешностью, обусловленной нечув­ствительностью системы из-за порога срабатывания стабилитро­нов VD5, VD6. Зону нечувствительности системы стараются де­лать возможно меньшей в пределах 2...3° угла рассогласования. Однако снижение зоны нечувствительности может привести к воз­никновению нежелательного колебательного режима работы ЭП около положения равновесия.
Эффективным средством устранения такого режима является введение в систему дополнительных сигналов по первой и второй производным сигнала рассогласования, а также использование электрического торможения после отключения двигателя.
Достоинствами следящих ЭП релейного принципа действия являются их простота, надежность и возможность получения оп­тимальных траекторий движения исполнительных органов рабо­чих машин. К недостаткам таких систем следует отнести их склон­ность к колебаниям и наличие определенной нечувствительности (неточности) при слежении.
Следящий ЭП переменного тока пропорционального действия. В следящем ЭП применение находят асинхронные двигатели, ко­торые отличаются надежностью в работе и долговечностью. При создании маломощных (до 1 кВт) следящих ЭП в них могут ис-

пользоваться двухфазные двигатели, в том числе и с полым рото­ром. Пример схемы с таким двигателем приведен на рис. 8.3.

Двигатель М имеет обмотки возбуждения ОВ и управления ОУ, которые питаются сдвинутым по фазе на 90° напряжением. Регу­лирование скорости двигателя осуществляется изменением дей­ствующего значения напряжения на ОУ, которое получает пита­ние от фазы А трехфазной сети переменного тока через тиристо­ры VS1... VS4. Обмотка возбуждения ОВ связана с фазами В, С че­рез тиристоры KW... VS6. Тиристоры VS1... VS6 образуют стандар­тные схемы регуляторов напряжения переменного тока. Они по­парно включены по встречно-параллельной схеме, что обеспечи­вает протекание тока по обмоткам в оба полупериода питающего напряжения.
Рассогласование между задающей осью и валом ЭП измеря­ется с помощью сельсинной пары, состоящей из сельсина-дат­чика СД и сельсина-приемника СП. Положение ротора СД зада­ет входной сигнал срвх, а положение ротора СП определяет угол поворота вала ЭП срвых. Сигнал рассогласования U'A, снимаемый с обмотки статора СП, пропорционален разности углов фвх и Фвых1 а фаза этого напряжения определяется знаком этой разно­сти (ошибки).
Сигнал рассогласования £/д подается на вход фазочувствитель­ного усилителя У1. После прохождения через корректирующее звено, состоящее из резисторов Rl, R2 и конденсатора С7, сиг­нал рассогласования усиливается усилителем У2 и в виде напря­жений C4i и ^д2 поступает на блок управления тиристорами.
Схема работает следующим образом. При появлении сигнала рассогласования Щ в зависимости от его фазы на выходе усилите­ля У2 появляются напряжения UM или U&2. При возникновении, например, напряжения UAl СИФУ подает импульсы управления на тиристоры VS1, VS2, VS5, VS6. Тиристоры открываются, и на ОУ и ОВ подаются напряжения UQу и UQв, которые пропорци­ональны сигналу рассогласования UAl. Двигатель М начинает вра­щаться, уменьшая угол рассогласования Дер = срвх - срвых между ося­ми сельсинов СД и СП.
При другой фазе сигнала U'A, что имеет место при изменении знака угла рассогласования Дер, на выходе усилителя У2 появля­ется напряжение UA2. Этот сигнал вызывает включение тиристо­ров VS3, VS4, и на обмотку управления ОУ будет подано напря­жение U0у, сдвинутое по фазе на 180° по сравнению с предыду­щим случаем. Поскольку одновременно с этим откроются тири­сторы VS5 и VS6 и ОВ также получит питание, двигатель М на­чнет вращаться, но уже в другом направлении. Таким образом, за счет изменения фазы напряжения Uoy осуществляется реверс двигателя М, что обеспечивает отработку угла рассогласования любого знака.
Конденсаторы С2... С5 и резисторы R3, R4 предназначены для сглаживания пульсаций напряжения на обмотках двигателя.
Цифроаналоговый позиционный следящий ЭП постоянного тока.
При необходимости получения высокой точности слежения в со­временном ЭП применяются цифровые датчики координат, ко­торые вместе с другими цифровыми устройствами управления (за­датчиками, сумматорами, счетчиками и т.д.) образуют измери­тельную часть следящего ЭП. Цифровая измерительная часть со­четается с аналоговой частью, выполненной по принципу подчи­ненного регулирования координат. В результате такого соедине­ния образуются так называемые цифроаналоговые схемы ЭП, со­четающие в себе положительные свойства цифровых и аналого­вых систем.
Аналоговая часть ЭП (рис. 8.4) выполнена по структуре под­чиненного регулирования координат, в которой внешний кон­тур регулирования положения выполнен цифровым, а внутрен­ние контуры регулирования тока и скорости - аналоговыми. Ана­логовая часть содержит регулятор тока РТ, на который поступа­ют сигналы задания по току U3T и обратной связи по току Uor, подаваемые соответственно с регулятора скорости PC и датчика тока ДТ.
Выходной сигнал регулятора тока Uy является управляющим для реверсивного преобразователя ПУ, питающего якорь двигате-

Рис. 8.4. Схема цифроаналогового следящего электропривода

ля постоянного тока независимого возбуждения М. Регулятор ско­рости PC в свою очередь получает сигналы обратной связи по скорости U0с от датчика скорости (тахогенератора) BR и сигнал задания скорости U3C от задатчика интенсивности ЗИ, входным сигналом которого является выходной сигнал U'3C аналогового регулятора положения РП.

В состав цифровой измерительной части ЭП, формирующей сигнал рассогласования UA, входят датчики входного ДП1 и вы­ходного ДП2 положения ЭП, арифметическое суммирующее уст­ройство АСУ, преобразователь кода в напряжение ПКН (преоб­разователь код -аналог) и преобразователь кода положения вала ДПТ в двоичный код ПК.
Работа цифровой части следящего ЭП происходит следующим образом. Требуемое перемещение исполнительного органа рабо­чей машины вырабатывается задатчиком ДП1 в виде числа N3 n в двоичном коде. Этот сигнал подается на вход сумматора АСУ вме­сте с числовым сигналом Nn (также в двоичном коде), соответ­ствующим действительному положению исполнительного органа рабочей машины.
Сумматор АСУ обеспечивает суммирование этих двух цифро­вых сигналов и выделение сигнала рассогласования (ошибки) в цифровом коде NA. Далее цифровой сигнал NA с помощью преоб­разователя ПКН преобразуется в аналоговый сигнал UA (напря­жение постоянного тока), который поступает на вход регулятора положения РП.
Развитие микропроцессорных средств управления сделало воз­можным реализацию регуляторов переменных ЭП на их основе, что позволяет унифицировать системы управления следящих ЭП и расширять их функциональные возможности.

Электропривод с программным управлением
Электропривод с программным управлением обеспечивает дви­жение исполнительного органа рабочей машины по определен­ной, заранее заданной программе.
Чаще всего ЭП с таким управлением применяется при обра­ботке деталей на металлообрабатывающих станках. Например, партия деталей должна пройти обработку на многооперационном станке, позволяющем осуществлять сверление, фрезерование, точение и другие технологические операции. При использовании программного управления перед обработкой детали соответству­ющим образом составляется программа, в которой задаются по­рядок смены инструмента, необходимые перемещения стола, на котором крепится деталь, режимы работы инструментов и другие технологические данные. После этого ЭП исполнительных орга­нов станка реализуют выполнение этой программы.
Наибольшее распространение получило числовое программное управление станков, что позволило увеличить их производитель­ность, сократить сроки подготовки производства и технологичес­кой оснастки при смене детали, уменьшить брак, перейти к мно­гостаночному обслуживанию и тем самым получить значитель­ный экономический эффект. Использование ЧПУ особенно эф­фективно при мелкосерийном производстве и частой смене номенклатуры обрабатываемых деталей.
Обобщенная структура ЭП с ЧПУ приведена на рис. 8.5. От программного устройства ПУ сигнал управления Un поступает на ЭП, который обеспечивает отработку этого сигнала управления, перемещая соответствующим образом исполнительный орган ИО станка. Совокупность программного устройства ПУ и ЭП называ­ют системой программного управления (СПУ).
В СПУ могут использоваться все рассмотренные ранее виды ЭП постоянного и переменного тока, которые выполняются ра­зомкнутыми и замкнутыми, с аналоговым и цифровыми элемен­тами управления и т.д.
Вся совокупность существующих программных устройств де­лится на нечисловые (цикловые) и числовые программные уст­ройства.
Электропривод с нечисловыми (цикловыми) программными ус­тройствами. Эти приводы используются для обеспечения повторя-
СПУ

Рис. 8.5. Схема электропривода с числовым про­граммным управлением

ющихся одинаковых циклов движения исполнительных органов. Программные устройства таких ЭП выполняются с применением различных контактных и бесконтактных аппаратов релейного дей­ствия: конечных и путевых выключателей, шаговых искателей, счетчиков, средств программируемой логики, программируемых контроллеров. К ЭП с нечисловыми программными устройствами относятся также системы с использованием шаблонов и копиров, которые нашли применение в различных копировальных станках и автоматах. В таких системах обычно используется следящий ЭП релейного действия.
В нечисловой СПУ (рис. 8.6) электродвигатель М приводит в движение исполнительный орган ИО, которым может быть, на­пример, суппорт строгального станка, рука манипулятора и т.д. В крайних положениях исполнительного органа ИО установлены конечные выключатели SQ1 и SQ2, которые вместе с контактора­ми К1 и К2 и кнопками управления SB1 и SB2 образуют схему управления двигателем.
При включенном контакторе К1 двигатель М обеспечивает дви­жение ИО в условном направлении «Вперед», а при включенном контакторе К2 -ъ условном направлении «Назад». Предположим, что в исходном положении исполнительный орган ИО находится в промежуточном положении и ни один из конечных выключате­лей не нажат. Для начала работы ЭП нажимается кнопка SB1, в результате чего включается контактор К1 и двигатель М, будучи подключенным к питающей сети, обеспечивает движение ИО в направлении «Вперед».

КМ

КМ

КТ

Jt

SQ1
□

К
К2^1К1

З

к

-JC^—rsh—□

SB2

I—^—I
-О —D

(4.67)

= COq - Aco,

(4.68)

		/г?
	У	СОбтс
УОС ^-<84 t'

Назад
Вперед

При подходе ИО к конечному выключателю SQ2 и воздействии на него происходит разрыв цепи катушки контактора К1 и под­ключение к источнику питания контактора К2. За счет переклю­чения этих аппаратов изменится на противоположную полярность напряжение на якоре двигателя М и он начнет вращаться в обрат­ную сторону, обеспечивая движение ИО в направлении «Назад».
При подходе ИО к конечному выключателю SQ1 и воздействии на него произойдет обратное переключение в схеме - отключит­ся контактор К2 и включится контактор К1, после чего исполни­тельный орган вновь начнет двигаться в направлении «Вперед». Такое цикловое возвратно-поступательное движение будет про­исходить до тех пор, пока не будет нажата кнопка SB2.
Схема рис. 8.6 может быть дополнена счетчиком, с помощью которого можно обеспечить определенное число циклов движе­ния ИО и его останов после этого.
В последнее время широкое применение в схемах программно­го управления электропривода находят программируемые контрол­леры, представляющие собой специализированные ЭВМ для ав­томатизации цикловых и последовательных производственных и технологических процессов. Они позволяют реализовывать как простые схемы управления цикловым движением электроприво­дов, так и сложные системы комплексной автоматизации про­мышленного оборудования. Их применение оказывается эконо­мически целесообразным при реализации схем управления, тре­бующих использования нескольких десятков или сотен обычных электрических аппаратов - реле, логических элементов, счетчи­ков и т.д.
Рассмотрим работу цикловой системы программного управле­ния с применением ПК (рис. 8.7, а), считая что в программиру­емое запоминающее устройство (ПЗУ) с помощью устройства вво­да программ (УВП) введена программа, определяющая порядок функционирования системы.
Рабочий цикл работы схемы включает в себя три этапа. На пер­вом этапе с помощью сканатора (генератора тактовых импуль­сов) обеспечиваются циклический и последовательный опросы всех входов ПК, на которые подаются сигналы от командных ус­тройств и элементов системы: кнопок и ключей управления, ко­нечных и путевых выключателей, других ЭВМ. Получаемая ин­формация загружается в запоминающее устройство.
На втором этапе процессор ПК в соответствии с введенной в ПЗУ программой осуществляет логические операции, преобразу­ющие состояние входных сигналов в заданное состояние выход­ных сигналов. Если состояние входов не изменилось по сравне­нию с предыдущим циклом сканирования, процессор сохраняет неизменным состояние выходов, в противном случае процессор изменяет их состояние в соответствии с заданной программой.

^з

/г?

У

С

	бтс

УОС

^-<84

t'

^з.м! ^з

т двигате

Рис. 8.7. Схема (а), символы языка РКС (б) и преобразованная схема электропривода с программируемым контроллером (в)
Опрос участков программы осуществляется циклично, один за другим, в порядке их расположения с возращением к началу про­граммы после окончания полного цикла опроса.
На третьем этапе осуществляется вывод выходных сигналов на исполнительные устройства электроавтоматики станка - элект­роприводы исполнительных органов, электромагниты и электро­магнитные муфты, реле, контакторы и т.д.
Программа может записываться в ПК с помощью различных языков, например в виде уравнений булевой алгебры, мнемокода и стандартных описаний релейных схем, а также языков высокого уровня - ПЛ/М, Фортран IV и др. Рассмотрим в качестве приме­ра использование языка релейно-контактных символов (РКС), который прост, нагляден и не требует специальных знаний пер­сонала при программировании.
Язык РКС имеет пять основных логических компонентов (сим­волов) (рис. 8.7, б): аргумент (замыкающий контакт), инверсный (обратный) аргумент (размыкающий контакт), начало и конец ветвления параллельной цепи и функцию (выход), например ка­тушка электрического аппарата или электромеханического уст­ройства. К дополнительным компонентам языка относятся счет импульсов (счетчик), выдержка времени (таймер) и запомина­ние (память).
Основу для программирования на языке РКС составляют прин­ципиальные релейно-контакторные схемы управления, которые перед программированием должны быть преобразованы по следу­ющим правилам.
Каждая цепь преобразованной схемы должна иметь одинако­вое число (например, четыре) последовательно или параллельно включенных контактов, каждый из которых располагается в од­ной из четырех зон: А, В, С, D. Пятая позиция цепи отводится функции (выходу). Если контактов в цепи меньше, чем четыре, их дублируют, если их больше, в схему ПК вводится промежуточное (фиктивное) реле (память), не нарушающее логики работы ис­ходной цепи. Контакты (входы) и функции (выходы, катушки) нумеруются.
Для примера на рис. 8.7, в приведена преобразованная таким образом схема циклового управления (см. рис. 8.6). В эту схему в соответствии с указанными правилами введено промежуточное реле 1, а контакт конечного выключателя SQ1 сдублирован.
Ввод программы после составления такой схемы осуществля­ется с клавишной панели ПК (см. блок УВП на рис. 8.7, а), клави­ши которой соответствуют тому или иному логическому символу языка. Кроме того, на панели располагаются декадные переклю­чатели набора номеров цепей и контактов, а также клавиши вы­бора типа функции (логической, счетной, временной или запо­минания).
Вводимая программа записывается в ПЗУ, после чего ПК мо­жет выполнять функции, предусмотренные принципиальной схе­мой. Выполнение программы будет производиться последователь­но по цепям цикловым образом, при этом каждая цепь обрабаты­вается слева направо.
Электропривод с числовым программным управлением. Такой ЭП представляет собой универсальную СПУ. Применительно к обработке различных изделий на станках, где она находит основ­ное применение, эта система обеспечивает существенное повы­шение производительности труда и качества обработки деталей.
При использовании ЭП с ЧПУ все технологические данные по обработке изделий - скорости и перемещения изделий или обра­батывающего инструмента, их направления, последовательность операций при обработке - задаются в виде чисел. Совокупность всех чисел образует программу обработки данного изделия, кото­рая предварительно соответствующим образом рассчитывается, кодируется, записывается на тот или иной программоноситель.
Перед обработкой изделия программа вводится в программное устройство ЭП, который в дальнейшем обеспечивает обработку изделия без непосредственного участия рабочего. Для обработки другого изделия требуется лишь сменить программу, что значи­тельно сокращает время обработки за счет исключения вспомога­тельных операций (подвод и отвод инструмента, измерение дета­ли, установка величин подачи и скорости резания и т.д.).
Таким образом, СПУ с ЧПУ представляет собой разновидность цифрового ЭП с программным управлением.
Системы ЧПУ бывают аналоговые (непрерывные) и дискрет­ные (импульсные). В аналоговых системах ЧПУ совокупность чи­сел, образующих программу обработки изделия, преобразуется в какую-либо непрерывно изменяющуюся аналоговую физическую величину (напряжение постоянного тока, фазу или амплитуду синусоидального напряжения и т.д.), которая и является вход­ным управляющим воздействием на ЭП.
В дискретных системах ЧПУ программа в конечном итоге пред­ставляется последовательностью управляющих импульсов, каж­дому из которых соответствует определенное перемещение инст­румента или изделия. Число импульсов определяет величину пе­ремещения, а их частота - скорость перемещения.
Системы ЧПУ работают в одном из двух режимов: режиме по­зиционирования или режиме контурной обработки. Позици­онные (координатные) системы ЧПУ обеспечивают точную ус­тановку инструмента относительно изделия или их прямолиней­ное перемещение. Такие режимы необходимы при фрезеровании, сверлении или расточке нескольких отверстий, а также при точе­нии и строгании изделий. Инструмент или изделие при этом пе­ремещаются по кратчайшим, прямолинейным путям между то­чками установки (позициями) инструмента.
Контурные (функциональные) системы ЧПУ обеспечива­ют перемещение инструмента или изделия по произвольным тра­екториям, что требуется при контурной обработке изделий раз­личной конфигурации.
Системы ЧПУ могут быть замкнутыми и разомкнутыми. В замк­нутых системах с помощью датчиков измеряется действитель­ное положение инструмента или изделия и эта информация в виде сигнала обратной связи подается в сравнивающее устройство, в котором она сопоставляется с сигналами программного устрой­ства.
При отличии действительного положения от заданного в си­стему управления ЭП поступают дополнительные управляющие сигналы, обеспечивающие необходимую коррекцию положения инструмента или изделия. Тем самым замкнутые системы ЧПУ обеспечивают большую точность обработки изделий.
В разомкнутых системах ЧПУ движение инструмента или изделия не контролируется и непосредственно не сопоставляется с заданным. Поэтому случайное изменение параметров системы или каких-либо внешних возмущений, например момента сопро­тивления на валу привода, вызывает снижение точности отработ­ки программы. Вместе с тем разомкнутые системы оказываются проще замкнутых в наладке и эксплуатации.
Процессу обработки изделия на станке с системой ЧПУ пред­шествует подготовка программоносителя, которая состоит из не­скольких этапов.
Исходными данными для составления программы обработки изделия являются технологические данные: размеры заготовки и чертеж изделия, материал заготовки, характеристика инструмен­та, степень точности изготовления изделия, характер и вид обра­ботки.
По своим техническим возможностям и особенностям струк­туры системы ЧПУ подразделяются на четыре группы, имеющие в соответствии с международной классификацией обозначения HNC, SNC, CNC и DNC.
Система HNC (Hand numerical control) обеспечивает опера­тивное управление с ручным заданием программы с пульта уп­равления. Система SNC (Stored numerical control) содержит уст­ройство памяти для хранения программ и обеспечивает обработку партии одинаковых заготовок с однократным считыванием про­граммы перед обработкой. Система CNC (Computer numerical control) базируется на применении микроЭВМ, позволяющей программировать свою работу и вырабатывать требуемый алгоритм управления. Система DNC (Direct numerical control) позволяет осуществлять прямое цифровое управление группой станков с ЧПУ систем SNC и CNC. Система DNC также предусматривает исполь­зование в своей структуре ЭВМ.
В настоящее время наибольшее развитие получили системы ЧПУ с применением микропроцессоров и микроЭВМ (рис. 8.8).
Управляющая программа вводится в ЭВМ с программоносите­ля ПН (или пульта управления ПУ) через блок ввода программы ВВП и устройства ввода -вывода УВВ1. Далее она поступает в устройство памяти микроЭВМ. В постоянном запоминающем уст­ройстве ПЗУ хранятся постоянные части программы, данные для декодирования, интерполирования и необходимых вычислений.
В оперативное запоминающее устройство ОЗУ поступает кроме данных управляющей программы текущая информация от датчи­ков обратной связи ДОС о ходе технологического процесса, со­стоянии защит и блокировок, на основании чего вырабатывается управляющее воздействие на ЭП и устройства электроавтоматики

Рис. 8.8. Схема электропривода с ЧПУ

ЭА станка. Связь микроЭВМ с электрооборудованием станка осу­ществляется через устройства ввода -вывода УВВ2... УВВ4. Кроме указанных блоков ЭВМ включает в себя микропроцессор МП и таймер Т.

Применение микроЭВМ в системах ЧПУ расширяет их функ­циональные возможности, а именно: позволяет воздействовать программным путем на функционирование станка, осуществлять диалоговый режим общения оператора со станком, вводить диаг­ностику работы станка и системы ЧПУ, реализовывать универ­сальный - как позиционный, так и контурный - режим обра­ботки деталей.
Кроме того, микроЭВМ позволяет осуществлять управление несколькими электроприводами, обеспечивающими движение инструмента (детали) по различным координатам.
Электропривод с адаптивным управлением
Работа некоторых рабочих машин и производственных меха­низмов характеризуется изменением в широких пределах и слу­чайным образом условий технологических процессов и различных возмущающих воздействий. Для обеспечения наилучшего хода та­ких технологических процессов ЭП должен обладать свойствами изменять соответствующим образом характер своей работы.
Электропривод, в котором способ функционирования его си­стемы управления автоматически и целенаправленным образом изменяется для осуществления наилучшего протекания техноло­гического процесса рабочей машины, называется ЭП с адаптив­ным или самоприспосабливающимся управлением. Другими сло­вами, ЭП с адаптивным управлением обеспечивает наилучший ход технологического процесса по заданному показателю каче­ства при изменяющихся возмущениях и условиях работы. Автома­тическое изменение способа функционирования системы управ­ления ЭП называют адаптацией, или самоприспособлением.
ЭП с адаптивным управлением, в котором целенаправленно изменяются параметры системы управления, называется самона­страивающимся. Если изменяются параметры и структура системы управления, то ЭП называется самоорганизующимся, если изме­няются параметры, структура и закон управления с использова­нием опыта функционирования ЭП, то он называется самообуча­ющимся.
Для осуществления адаптивного управления в структуру ЭП вводится устройство адаптивного управления (УАУ), в задачу ко­торого входит формирование сигналов управления, обеспечива­ющих заданный показатель качества технологических процессов, например наивысшей производительности рабочей машины, ми­нимальной стоимости обрабатываемой детали и т.д.
В общем случае УАУ должно обеспечивать или поддержание этого показателя качества на заданном уровне (системы стабили­зации), или получение экстремального его значения (экстремаль­ные системы).
Системы стабилизации чаще всего выполняются с исполь­зованием модели технологического процесса. Целью их работы яв­ляется обеспечение близости характеристик реального технологи­ческого процесса и целесообразного (оптимального) процесса, который воспроизводится с помощью модели этого технологи­ческого процесса.
В экстремальных адаптивных системах настройка парамет­ров системы управления осуществляется так, чтобы заданный по­казатель качества технологического процесса достигал экстремаль­ного значения.
По способу получения информации о текущем значении пока­зателя качества экстремальные системы бывают поисковые и бес- поисковые. В поисковых системах нахождение показателя ка­чества достигается за счет введения в систему дополнительных поисковых сигналов. В беспоисковых (аналитических) систе­мах этот показатель рассчитывается аналитически с помощью спе­циального вычислительного устройства.
Поисковые системы по способу поиска, в свою очередь, подразделяются на системы с автоколебательным и принудитель­ным поиском экстремума. Если поисковые сигналы генерируются самой системой, то она относится к экстремальным системам с автоколебательным поиском экстремума. При использовании спе­циального дополнительного источника поисковых сигналов экст­ремальная система относится к системам с принудительным по­иском экстремума.
По количеству переменных, от которых зависит показатель качества, экстремальные системы бывают одномерные и много­

мерные. Классификация экстремальных систем выполняется так­же по виду метода поиска алгоритма нахождения экстремума, среди которых применение нашли методы Гаусса -Зейделя, градиента, наискорейшего спуска и ряд других.
Примером поисковой адаптивной системы управления ЭП может служить система поиска минимального значения тока ста­тора асинхронного двигателя в системе ТРН -АД (см. подразд. 9.5), при котором потери в двигателе оказываются минимальными. Ре­гулируемой координатой двигателя как объекта управления в этом случае является ток статора, управляющей - напряжение пита­ния двигателя, а возмущающим воздействием - момент нагрузки на валу двигателя.
Контрольные вопросы
Какой ЭП называется следящим?
По каким признакам классифицируется следящий ЭП?
Каким основным показателем характеризуется работа следящего ЭП?
Охарактеризуйте ЭП с программным управлением.
В чем особенности работы ЭП с ЧПУ?
Что называется адаптивным ЭП?

ГЛАВА 9 ЭНЕРГЕТИКА ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ
Потери мощности и энергии в установившемся режиме работы электропривода
Назначение ЭП заключается в обеспечении движения испол­нительных органов рабочих машин и механизмов и управлении этим движением. Однако при этом совсем не безразлично, какой ценой это достигается, т.е. какое потребление электроэнергии и какие ее потери имеют место, как ЭП влияет на сеть и другие электроустановки. Оценка этих свойств ЭП осуществляется с по­мощью так называемых энергетических показателей, к числу ко­торых относятся коэффициент полезного действия (КПД), коэф­фициент мощности (costp), потери мощности АР и энергии А А. Иногда к этим показателям относят потребляемые из сети полез­ные мощность и энергию.
Эти показатели широко используются как при создании но­вых, так и оценке работы уже действующих ЭП. Очевидно, что предпочтение должно быть отдано такому ЭП, который, обеспе­чивая заданный технологический процесс рабочей машины или механизма, имеет более высокие по сравнению с другими вари­антами энергетические показатели.
Эти же показатели позволяют оценить и эффективность уже работающих ЭП. В том случае, когда они оказываются существен­но худшими по сравнению с номинальными, целесообразна по­становка вопроса о модернизации ЭП с целью их повышения. Отметим, что решение о модернизации ЭП должно приниматься только на основании экономического расчета, предусматрива­ющего сопоставление дополнительных капитальных затрат на мо­дернизацию с сокращением эксплуатационных расходов за счет повышения КПД и cos ф.
Подчеркнем, что обеспечение высоких энергетических показа­телей работы ЭП весьма актуально в настоящее время, когда эко­номия энергетических и материальных ресурсов превратилась в задачу первостепенной важности.
В общем случае потери мощности и энергии в ЭП складывают­ся из потерь в электродвигателе, механической передаче, сило­вом преобразователе и системе управления (см. рис. 1.2). Основная доля потерь при этом выделяется в силовом канале электроприво­да - электродвигателе, силовом преобразователе и механической передаче.
Потери мощности и энергии в двигателе. Потребляемая двигате­лем электрическая мощность расходуется на выработку полезной механической мощности и на покрытие потерь, к которым отно­сятся потери в обмотках двигателя, магнитопроводе и механиче­ские потери.
Потери в обмотках двигателя, называемые также электри­ческими потерями или потерями в меди, определяются протека­ющими по ним токами и активным сопротивлением электриче­ских цепей.
Потери в магнитопроводе, называемые также потерями в стали, включают в себя потери на гистерезис и вихревые токи, вызванные перемагничиванием сердечников. К ним относятся и добавочные потери, вызванные зубчатой конструкцией серде­чников.
Механические потери состоят из потерь в подшипниках, потерь на трение щеток о коллектор или контактные кольца и ветиляционные потери, определяемые трением частей двигателя о воздух или охлаждающую жидкость.
Точное определение потерь мощности в двигателях представ­ляет собой трудно разрешимую задачу, так как заводы-изгото­вители не сообщают в справочниках необходимую информацию.
В связи с этим потери мощности АР в практических расче­тах представляют суммой двух составляющих: постоянных К и пе­ременных V потерь:
АР = К + V (9.1)
При этом к постоянным относятся потери мощности, которые принимают не зависящими от нагрузки двигателя, а именно: по­тери в магнитопроводе, механические потери и вентиляционные потери. Для синхронных двигателей с электромагнитным возбуж­дением и двигателей постоянного тока с независимым возбужде­нием к постоянным потерям обычно относят и потери в обмотках возбуждения.
Постоянные потери в действительности не являются неизмен­ными, а зависят от скорости двигателя, амплитуды и частоты питающего его напряжения и ряда других факторов. Однако, по­скольку постоянные потери изменяются мало, они обычно при­нимаются неизменными и равными номинальным постоянным потерям.
Под переменными подразумеваются потери, выделяемые в об­мотках двигателей при протекании по ним токов, определяемых механической нагрузкой ЭП. Переменные потери мощности в дви­гателе могут быть в общем случае определены через электриче­ские или механические переменные и параметры.
Для двигателя постоянного тока переменные потери мощно­сти V в цепи якоря определяются по формуле
V= I2R, (9.2)
где I, R - соответственно ток и сопротивление цепи якоря двига­теля.
Для трехфазных асинхронных двигателей
V = V\+ V2- 3/?Д, + 3l'iR'2, (9.3)
где V\, V2 - потери мощности соответственно в цепях обмоток статора и ротора. При использовании П-образной схемы замеще­ния (см. рис. 5.2), когда по резистору Rx протекает ток I2, потери в статоре составляют

^^ном - ^номО Лном)/Л НОМ'

(9.8)
Эти же потери мощности могут быть найдены как разность между потребляемой электрической мощностью и мощностью на валу двигателя в номинальном режиме.
За время работы tp двигателя с постоянной нагрузкой полные потери энергии составят
АЛ = APtp. (9.9)
При работе двигателя с циклически изменяющейся нагрузкой полные потери энергии за весь цикл могут быть определены как
*и т
АА = jAP(t)dt~'2tAPit„ (9.10)
0
т
где tn - время цикла, /ц = /,; т - число отдельных участков
/=1
цикла; APh /,• - соответственно потери мощности и время работы на /-ом участке цикла.
Приведенные ранее формулы позволяют выполнить расчет по­терь мощности и энергии при известных токах и сопротивлениях электрических цепей двигателей. Эти же потери могут быть рас­считаны по механическим переменным и параметрам двигателей.
Переменные потери мощности, выделяющиеся в якоре двига­теля постоянного тока и роторе асинхронного двигателя, могут быть также определены с помощью выражения (4.11) или (5.5) через механические переменные и параметры как
V= V2 = Мо)08 = M(aQs, (9.11)
где 5, s - относительная скорость двигателя постоянного тока и скольжение асинхронного двигателя, 8 = s - (со0 - со)/соо -
Переменные потери в статоре асинхронного двигателя в соот­ветствии с формулой (9.4) в этом случае составят
V\ = V2 Ri/R2 = Моо5Л,/Д2. (9.12)
Полные переменные потери в асинхронном двигателе
V=VX+V2 = Mi1005(1 + R\/R2). (9.13)
Формула (9.13) позволяет рассчитывать потери мощности в асинхронном двигателе по известным моменту, скорости идеаль­ного холостого хода (скорости вращения магнитного поля), сколь­жению и отношению сопротивлений Rt и R2.
Потери энергии в двигателях рассчитываются по (9.9) или (9.10).
Потери мощности и энергии в преобразователе. Эти потери яв­ляются электрическими и могут определяться по их КПД и фор­мулам (9.2) и (9.9). При использовании для управления двигате­лями полупроводниковых преобразователей эти потери складыва­ются из потерь в вентилях, трансформаторах, сглаживающих и уравнительных реакторах, фильтрах и элементах устройств искус­ственной коммутации, а также в системе вентиляции, если они предусмотрены. Потери в полупроводниковых элементах преобра­зователей обычно относительно малы (несколько процентов от номинальной мощности).
При расчете потерь в трансформаторах и реакторах берется со­противление их обмоток или используется эквивалентное сопро­тивление преобразователя, определяемое формулой (4.34).
При использовании электромашинных преобразователей поте­ри в них определяются рассмотренными в этом разделе способа­ми.
Потери мощности в механической передаче. Эти потери опреде­ляются главным образом трением в движущихся частях и суще­ственно зависят от передаваемого момента.
Потери в механической передаче обычно оцениваются с помо­щью КПД, значение которого для разных ее видов и нагрузок приводятся в справочной литературе по деталям машин и меха­низмов. На рис. 9.1, а для примера приведены зависимости КПД зубчатых передач от коэффициента их загрузки по моменту к3 = = Мс/Мс расч, а на рис. 9.1, б - зависимости КПД червячной пере­дачи от угла подъема винтовой линии червяка.
Потери мощности в элементах системы управления. Эти потери обычно не превышают нескольких десятков ватт и принимаются

я чрасч -'
О 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 Мс/Д/с.расч


Рис. 9.1. Зависимости КПД:
а - зубчатой передачи от коэффициента нагрузки; 6 - червячной передачи от угла подъема нарезки; 1 - червяк и колеса чугунные необработанные смазан­ные; 2 - фрезерованный стальной червяк по бронзе, масляная ванна; 3 - тща­тельно выполненная конструкция в масляной ванне

во внимание только при выполнении точных энергетических рас­четов.

Задача 9.1*. Асинхронный двигатель типа 4AH160S4 имеет сле­дующие номинальные данные: мощность Риом = 18,5 кВт; скорость «ном = 1 450 об/мин; ток статора /1ном = 36,5 А; КПД Лном = 88 %; cos Фном = 0,87; кратность пускового момента Мпуск/Мном = 1,3; крат­ность максимального момента Л/тах/Л/мом = 2,1; момент инерции ротора J = 0,37 кг • м2.
Рассчитать потери мощности в асинхронном двигателе при его работе с моментом Л/с = 0,9Мном на естественной характеристике, если соотношение R\/R2 = 0,6.
Так как режим работы задан величиной момента нагрузки, используем формулы расчета через механические переменные и параметры.
Определяем скорости асинхронного двигателя в номиналь­ном режиме и при холостом ходе:
С0ном = 2яиНОм/60 = 2-3,14-1 450/60 = 152 рад/с;
а>о = 2nf/p = 2 • 3,14 • 50/2 = 157 рад/с.
Определяем номинальные скольжение и момент асинхрон­ного двигателя:
«ном = (ю0 - (Оном)М = (157 - 152)/157 = 0,033;
Мном = Лом/С0ном = 18 500/152 = 122 Н • м.
Принимая рабочий участок механической характеристики дви­гателя линейным, из (5.16) при Мс = 0,9Мном = 0,9 • 122 = 110 Н ■ м находим
sc = shomMJMhom = 0,033 • 0,9 = 0,03.
По формуле (9.13) определяем переменные потери мощно­сти в заданной точке
V= К, + V2 = Mo0s(l + R\/R2) = 110 157 0,03 (1 + 0,6) = 829 Вт.
Для получения постоянных потерь мощности находим по (9.6) полные потери в асинхронном двигателе в номинальном режиме
А^ном = ^ном(1 - а.ном)Лном = 18 500(1 - 0,88)/0,88 = 2 523 Вт.
Переменные потери в номинальном режиме также находим по формуле (9.13)
Гном = Мномcoo-Уном (1 + Rx/Ri) = 122-157 -0,033 (1 + 0,6) = 1011 Вт.
Постоянные потери мощности в асинхронном двигателе
К= АРном - Кном = 2 523 - 1 011 = 1 512 Вт.

Задача 9.2*. Двигатель постоянного тока независимого воз­буждения типа 2ПН -132 имеет следующие номинальные дан­ные: Риом = 5,5 кВт; UH0M = 110 В; /ном - 59 А; ином = 1 500 об/мин; Лном = 80 %; Ля = 0,146 Ом; J = 0,05 кг- м2.
Определить потери энергии в якоре (переменные потери энер­гии) двигателя за цикл работы, в котором он в течение времени /, = 10 мин работает с моментом нагрузки Мс1 = 0,6Мном, в тече­ние времени t2 = 3 мин работает с номинальной нагрузкой Мс2 = = Мном и в течение времени /3 = 15 мин работает с моментом Мс3 = = 0,8 Мном. Ток возбуждения двигателя в цикле не изменяется и равен номинальному.
Поскольку магнитный поток двигателя не изменяется, по известным кратностям момента с помощью формулы (4.3) мож­но найти токи в цепи якоря на отдельных участках цикла:
/с. = Аюм1 /Мном = ^9 • 0,6 = 35,4 А, /с2 = /ном = ^9 А, hi = 0>8/ном = 47,2 А.
Потери энергии в обмотке якоря в соответствии с формулой
(9.9)
1 1
= 0,146 • (35,42 • 600 + 59М80 + 47,22 • 900) = 493,8 кДж.
Задача 9.3. Для условий задачи 9.1 * определить количество энер­гии, потребляемой из сети асинхронным двигателем в номиналь­ном режиме и при Мс - 0,9Мном за время 1 ч.
Задача 9.4. Для условий задачи 9.2* определить количество по­требляемой из сети электроэнергии за время цикла.
Потери энергии в переходных режимах электропривода
Возникающие при пуске, реверсе, торможении и изменении нагрузки токи, как правило, превышают номинальный уровень. По этой причине выделяющиеся в двигателе и других элементах ЭП потери могут быть весьма значительными и существенно вли­ять на энергетические показатели работы ЭП. Отметим также, что выделяющиеся в двигателе повышенные потери вызывают его дополнительный нагрев, что подчеркивает важность правильной их оценки.
Особенно большое значение имеет определение потерь элект­роэнергии в переходных процессах для ЭП, у которых динамиче­ский режим является основным. К ним относятся, например, ЭП прокатных станов, подъемных кранов, строгальных станков, лиф­тов и т.д.
В общем случае потери энергии в двигателе за время tn n пере­ходного процесса могут быть определены с помощью следующего выражения:
АА = J APdt- | Kdt + J V&t = ААК +AAV, (9.14) о оо
где ААК и AAV - потери энергии, обусловленные соответственно постоянными и переменными потерями мощности.
Потери энергии ААК могут быть найдены в соответствии с фор­мулой (9.9) как
AAK=KtnM. (9.15)
Потери энергии АА v могут быть определены при использова­нии формул (9.2) -(9.4), выражающих переменные потери мощ­ности через ток и сопротивление:
AAV= "\i2(t)Rdt. (9.16)
о
Использование выражения (9.16) для определения ААуво мно­гих случаях оказывается затруднительным из-за того, что необхо­димо знать закон изменения тока двигателя в переходном процес­се /(/) и сопротивление R. В связи с этим более удобные расчет­ные соотношения получаются в том случае, если переменные потери мощности выражаются через механические переменные и параметры в соответствии с формулами (9.11) и (9.12).
Потери энергии при работе ЭП без нагрузки (Мс = 0). Потери мощности в якоре двигателя постоянного тока и роторе асинх­ронного двигателя определяются формулой (9.11), и поэтому пе­ременные потери энергии в этих частях двигателей определяются идентичным выражением
Ai.n *п.п
ААУ0 = АА20= J Af(Oosd/= J Л/(coo-co)d/, (9.17)
о о
где s - скольжение или относительный перепад скорости двига­телей, s = 8 = (©о - (о)/(о0.
Исключим из выражения (9.17) время как переменную, вос­пользовавшись для этого уравнением механического движения
. При Мс = 0 с учетом (5.4) получим
dt = Jdco/M = -J(o0ds/M. (9.18)
Заменим в выражении (9.17) dt согласно формуле (9.18) и из­меним одновременно пределы интегрирования. Начальному мо­менту времени t = 0 будет соответствовать скольжение s = 5нач, а конечному времени переходного процесса tn n - скольжение s = = 5К0Н. Тогда выражение (9.17) перепишется как
•^кон
АЛ20 = J Mw0s(-Ja)0ds/M)=
•$нач
•$кон
= -J(X$ | 5d5 = /{og(52a4 -52он)/2. (9.19)
^нач
Полученное выражение (9.19) удобно для определения потерь энергии, так как при пользовании им не требуются зависимости изменения переменных ЭП во времени, а необходимо лишь зна­ние параметров J, ю0 и значений 5нач и sK0H.
Определим, например, с помощью формулы (9.19) потери энергии в якоре двигателя постоянного тока и роторе асинхрон­ного двигателя при их пуске, торможении и реверсе вхолостую.
При пуске двигателей юнач = 0 и юкон = ю0, поэтому 5нач = 1, 5кон = 0, в соответствии с этим
ДЛ2"0 = /юо/2. (9.20)
Отметим, что потери энергии оказались равными кинетиче­ской энергии, которая будет запасена к концу пуска в движущих­ся механических частях ЭП.
При динамическом торможении потери энергии, по­скольку 5нач = 1 и 5К0Н = 0, оказываются равными потерям энергии при пуске, т. е. АА20 - AAJ2Q. В этом режиме весь запас кинетической энергии превращается в потери энергии, выделяемые в двигателе в виде тепла.
При торможении противовключением 5нач = 2, sK0H = 1, при этом потери энергии
ААт20 = ЗМ20/2, (9.21)
т.е. они равны тройному запасу кинетической энергии ЭП. Поте­ри энергии при торможении противовключением в 3 раза превы­шают потери при динамическом торможении.
При реверсе 5нач = 2, sK0H = 0 и потери энергии
ААр20 = 4М20/2, (9.22)
т. е. будут равны сумме потерь при торможении противовключени­ем и пуске.
Выражение (9.19) определяет полные переменные потери энер­гии в двигателе постоянного тока, т.е. АА20 - AAvo. Для определе­ния полных переменных потерь энергии в асинхронном двигателе необходимо найти еще потери в цепи статора.
Для их определения воспользуемся выражением (9.12), из ко­торого следует, что
ААЮ = AA20R\/ R2. (9.23)
Полные потери энергии в асинхронном двигателе составят AAV0 = ААщ + АА20 = Уш2о(1 + /?i/^2)(sHa4 ~ skoh)/2- (9.24)
Важно отметить, что потери энергии в роторе асинхронного двигателя не зависят от его сопротивления, в то время как потери в статоре асинхронного двигателя обратно пропорциональны его величине.
Потери энергии при работе ЭП с нагрузкой (Мс ф 0). Для опре­деления потерь энергии при работе двигателей под нагрузкой спра­ведлива формула (9.17).
Как видно из этой формулы, для определения потерь энергии в якоре двигателя постоянного тока и роторе асинхронного дви­гателя необходимо знать, каким образом в переходных процессах изменяются скорость двигателя и момент его нагрузки, т. е. распо­лагать зависимостями ю(0 и M(t). Подстановка этих зависимо­стей в формулу (9.17) и взятие интеграла позволяет решить по­ставленную задачу.
Для оценочных расчетов энергетических показателей выпол­няют упрощенный расчет потерь энергии. Считают, что момент двигателя в переходных процессах не изменяется и равен некото­рому среднему моменту Мср, при котором продолжительность пе­реходных процессов остается примерно той же самой, что и при реальном изменении момента двигателя. Для получения расчет­ной формулы используется исходная формула (8.17), в которой дифференциал времени определяется выражением
dt = -Ja>0ds/(M ± Мс),
где знак «-» соответствует пуску; а знак «+» - торможению двига­теля.
Подстановка dt в (9.17) с одновременной заменой пределов интегрирования и момента двигателя М на Мср = const приводит к следующему итоговому выражению:
АА2н = АА20Мср/(Мср ± Мс), (9.25)
где Мср - средний, неизменный за время переходного процесса момент двигателя.
Выражение (9.25) определяет потери энергии под нагрузкой в переходных процессах в роторе асинхронного двигателя и якоре двигателя постоянного тока. Для определения потерь в статоре ААХн и полных потерь в асинхронном двигателе ААН используются фор­мулы (9.23) и (9.24).
Отметим, что в соответствии с выражением (9.25) выделяе­мые в двигателе потери энергии при его работе под нагрузкой по сравнению с потерями при работе вхолостую увеличиваются в режиме пуска и уменьшаются в режиме торможения. Последнее объясняется тем, что при торможении часть запасенной кине­тической энергии расходуется на преодоление момента нагруз­ки. В результате, в двигателе в виде потерь выделится уже только оставшаяся часть кинетической энергии.
Потери энергии в системе «преобразователь -двигатель». Поло­жительным свойством системы «преобразователь -двигатель» (П - Д) является возможность существенного сокращения потерь энер­гии в переходных процессах. Это достигается путем плавного из­менения в переходных процессах напряжения с помощью управ­ляемого выпрямителя (преобразователя) для двигателя постоян­ного тока или частоты с помощью преобразователей частоты для асинхронного двигателя, за счет чего происходит постепенное изменение задаваемой ими скорости идеального холостого хода двигателей.
При этом разность между скоростью ю0 и скоростью якоря или ротора со оказывается меньше, чем при скачкообразном измене­нии напряжения или частоты, что определяет работу двигателя с меньшими перепадами скорости и ведет тем самым к сокраще­нию потерь энергии в двигателе. В пределе, когда Мс = 0 и ско­рость ю0 изменяется бесконечно медленно, отдаваемая источни­ком энергия идет только на сообщение двигателю кинетической энергии, а потери энергии отсутствуют.
Рассмотрим, чему будут равны потери энергии в двигателе при линейном изменении во времени напряжения или частоты и тем самым скорости идеального холостого хода. Переходные процессы для этого случая, рассмотренные в подразд. 4.8, разбиваются на два этапа. На первом из них в пределах отрезка времени 0 < t < t0 скорость идеального холостого хода ю0 меняется по линейному закону:
Юо = ±е/ + СОонач, (9.26)
где е - темп (производная) изменения скорости ю0, е = dco0(O/d?-
Скорость и момент двигателя изменяются в соответствии с вы­ражениями (4.49) и (4.50). На втором этапе при t > t0, ю0 = const скорость и момент изменяются согласно (2.30) и (2.32).
Соответственно этому потери энергии во время переходного процесса могут быть найдены в виде суммы двух составляющих для каждого из этапов.
Потери энергии в якоре двигателя постоянного тока и роторе асинхронного двигателя на первом этапе переходного процесса
могут быть получены с помощью исходной формулы (9.17) при подстановке в нее выражения ю(0 (см. формулу (4.49)) и зависи­мости M{t) (см. формулу (4.50)). На втором этапе переходного про­цесса потери энергии определяются также с помощью формулы
, но при подстановке в нее выражений со(t) и M(t) из (2.30) и (2.32).
В общем случае расчет потерь энергии в системе «преобразова­тель-двигатель» представляет собой непростую задачу. Для част­ного случая, когда осуществляется пуск двигателя вхолостую, ито­говое выражение для потерь энергии имеет вид
АА20 = AA202TM/tn0, (9.27)
где АА20 - потери энергии при ступенчатом изменении скорости (о0, определяемые по формуле (9.19); Тм - электромеханическая постоянная времени; /п0 - время линейного нарастания скорости Юо от нуля до установившейся скорости.
Как видно из выражения (9.27), увеличение времени tn0 при­водит к снижению потерь энергии в двигателе. Эффект снижения потерь энергии в переходных процессах в двигателе постоянного тока происходит при его питании от генератора (система «гене­ратор-двигатель»), В этой системе ЭДС генератора вследствие инер­ционности его цепи возбуждения изменяются в переходных ре­жимах по экспоненциальной характеристике. Для режима пуска вхолостую потери энергии в двигателе определятся как
АА20 = AAV0 = /юо/[2(/я + 1)], (9.28)
где m - отношение постоянных времени, m - Тв/Тм (Тв - посто­янная времени цепи возбуждения генератора).
Из формулы (9.28) видно, что потери энергии в двигателе уменьшаются в (m + 1) раз по сравнению с соответствующими потерями в нем при скачкообразном изменении напряжения на якоре. Другими словами, чем больше инерция цепи возбуждения генератора и чем медленнее изменяется напряжение на якоре дви­гателя постоянного тока, тем меньше будут в нем потери энергии в переходных процессах.
Способы снижения потерь электроэнергии в переходных процес­сах. Уменьшение потерь электроэнергии в переходных процессах имеет важное значение, поскольку позволяет улучшить энергети­ческие показатели работы ЭП.
Анализ полученных формул, в частности (9.19), определяет следующие основные способы снижения потерь электроэнергии в переходных процессах: уменьшение момента инерции ЭП J и по­степенное изменение в переходных процессах скорости идеально­го холостого хода двигателей ю0.
Уменьшение момента инерции ЭП J возможно за счет снижения момента инерции применяемых электродвигате­лей. Это реализуется за счет использования малоинерционных дви­гателей, имеющих пониженный момент инерции якоря (двигате­ли с повышенным отношением длины якоря к его диаметру, по­лым или дисковым якорем), рационального конструирования ме­ханической передачи путем выбора оптимального передаточного числа редуктора, рациональных размеров и форм элементов меха­нической передачи и замены одного двигателя двумя, имеющими половинную номинальную мощность заменяемого двигателя.
Расчеты показывают, что суммарный момент инерции двух двигателей половинной мощности оказывается меньше момента инерции одного двигателя на полную мощность. Например, два двигателя типа 4АН200 мощностью по 45 кВт имеют суммарный момент инерции 2-1,38 = 2,76 кг - м2. Двигатель 4АН250 мощно­стью 90 кВт на ту же скорость имеет момент инерции 3,53 кг • м2, т. е. почти на 30 % больше.
Плавное изменение скорости идеального холос­того хода может обеспечиваться для двигателей постоянного тока при изменении напряжения на якоре в системе «управля­емый выпрямитель -двигатель», а для асинхронного двигателя - изменением частоты питающего напряжения в системе «преобра­зователь частоты -асинхронный двигатель» или числа пар полю­сов многоскоростного асинхронного двигателя. Эффект снижения потерь энергии в переходных процессах в указанных системах уже рассмотрен, поэтому остановимся на снижении потерь в ЭП с многоскоростным асинхронным двигателем.
В качестве примера определим потери электроэнергии в роторе двухскоростного асинхронного двигателя при разбеге до высокой скорости (характеристика 7) и торможении с высокой скорости при отсутствии нагрузки (рис. 9.2).
Пуск асинхронного двигателя на высокую скорость возможен двумя способами: включением обмотки статора сразу на число
Рис. 9.2. К способам торможения и реверса асинхронного двигателя:
- исходная механическая характеристика; 2 - характеристика при увеличенном числе пар по­люсов; 3, 4 - характеристики при изменении чередования фаз питающего напряжения
пар полюсов рх (прямой пуск, характеристика 1) или включени­ем обмотки статора вначале на число полюсов р2 = 2рх (характери­стика 2), а затем переключением обмотки статора на число по­люсов р\ (ступенчатый пуск).
Потери энергии в роторе асинхронного двигателя при прямом пуске по характеристике 1 в соответствии с (9.19) с учетом того, что 5нач = 1, а 5К0Н = 0, составят АА1п = J(n}n/2.
Потери энергии при ступенчатом пуске при разбеге асинх­ронного двигателя по характеристике 2 (первая ступень пуска) АА 2с| с учетом того, что 5нач = 1, 5К0Н = 0 и % = (о01/2, составляют АА2ci = /Ю02/2 = /rooi/8, а при разбеге асинхронного двигателя по характеристике 1 (вторая ступень пуска) с учетом того, что 5нач = 0,5, 5кон = 0, составляют АА2с2 = /cooi/8.
Суммарные потери при ступенчатом пуске
АА2с = АА2с\ + АА2с2 = /со oi/4.
Сопоставление потерь при прямом и ступенчатом пусках пока­зывает, что при ступенчатом пуске произошло снижение потерь электроэнергии в 2 раза. Таким образом, за счет изменения в пе­реходном процессе скорости холостого хода произошло сниже­ние потерь энергии в роторе асинхронного двигателя. Уменьше­ние потерь энергии в роторе вызовет снижение потерь в статоре и полных потерь в двигателе.
В общем случае, если скорость идеального холостого хода в переходном процессе имеет п ступеней регулирования, потери энергии в роторе уменьшатся в п раз:
АА2 = J(t>l„/2n,
где со0« - максимальная скорость идеального холостого хода дви­гателя, соответствующая последней ступени.
Торможение многоскоростного асинхронного двигателя на интервале скорости ooqi - (о02 может быть осуществлено с рекупе­рацией (отдачей) энергии в сеть, для чего обмотка статора пере­ключается на число пар полюсов р2. Этот способ торможения яв­ляется наиболее целесообразным с позиции энергосбережения.
Задача 9.5*. Для асинхронного двигателя типа 4AH160S4, пас­портные данные которого приведены в задаче 9.1*, определить переменные потери энергии при пуске вхолостую и при номи­нальном моменте нагрузки.
При пуске вхолостую sHa4 = 1, 5К0Н = 0. По формуле (9.24) определяем переменные потери в двигателе
ААу0 = Ло?(1 + ^/ЛгН^нач ~ 5кон)/2 =
= 0,37 • 1572 - (1 + 0,6)(12 - 02)/2 = 7 296 Дж.
Для расчета потерь энергии при пуске под нагрузкой вос­пользуемся приближенной формулой (9.25). Средний момент дви­гателя при пуске примем равным полусумме пускового и макси­мального (критического) моментов
Мср = (Мпуск + М тах)/2 = (1,3 Л/ном + 2,ШН0М)/2 =
= 122(1,3 + 2,1)/2 = 207 Н м.
Потери при пуске с номинальной нагрузкой Мс = Мном
ААунОМ ~ А А Мср / (Л/Ср - л/с) -
= 7 296 • 207/(207 - 122) = 17 685 Дж.
Задача 9.6*. Для двигателя постоянного тока с независимым возбуждением типа 2ПН -132 (см. задачу 9.2*) сопоставить поте­ри энергии в якоре при его пуске вхолостую от сети и от управ­ляемого преобразователя со временем нарастания его выходного напряжения (напряжения на якоре) tn0 = 1 с. Суммарный приве­денный к валу двигателя момент инерции составляет 0,1 кг • м2.
Потери энергии в якоре при пуске двигателя вхолостую на­ходим по формуле (9.19), предварительно определив:
номинальную скорость
Юном = п«ном/30 = 3,14 - 1 500/30 = 157 рад/с;
произведение £ФН0М, используя формулу электромеханической характеристики (4.4) для точки номинального режима:
£Фном - ( ^ном - Аюм^я)/®ном ~
= (110- 59 • 0,146)/157 = 0,65 В с;
скорость холостого хода
= ^номДФном = 110/0,65 = 169 рад/с.
Определим потери энергии в якоре при пуске двигателя от сети (ступенчатая подача напряжения)
ААУ0 = М («нач - siон)/2 = 0,1 • 1692 (I2 - О2) = 1 428 Дж.
Определим номинальный момент двигателя и электромеха­ническую постоянную времени ЭП:
Мном = ЛюмМюм = 5 500/157 = 35 Н м;
Тм = /юо/Л/к.з = /(Юо - С0ном)/Мном = 0,1 • (169 - 157)/35 = 0,03 с.
По формуле (9.31) вычисляем потери энергии в якоре при линейном нарастании напряжения в течение 1 с
АЛ "о = 2AAv0TM/tn0 = 1 428 • 2 - 0,03/1,0 = 86 Дж.
При плавном нарастании напряжения потери снизились в tn0/2TM = 1/2 0,03 = 16,7 раза.
Задача 9.7. Для асинхронного двигателя из задачи 9.5 опреде­лить переменные потери энергии в двигателе при динамическом торможении и реверсе вхолостую и при номинальном моменте нагрузки Мс = Мном. Принять, что при торможении и реверсе дви­гатель развивает момент Мср = 207 Н м = const.
Задача 9.8. Двухскоростной асинхронный двигатель типа 4A180S4/2 имеет следующие паспортные данные: Риш = 22/26,5 кВт; «1ном = 2 920 об/мин; я2ном = 1 470 об/мин; J - 0,21 кг - м2.
Сопоставить переменные потери в его роторе при прямом и ступенчатом пуске вхолостую.
Коэффициент полезного действия электропривода

я

а

Л

КПД электропривода как электромеханической системы опре­деляется произведением КПД силового канала, а именно: произ­ведением КПД преобразователя г|п, двигателя т|д и механической передачи г|м.п
Л - ЛпЛдЛм.п-
В общем случае, когда ЭП работает в некотором цикле с раз­личными скоростями или нагрузками на валу как в установив­шемся, так и переходном режимах, КПД двигателя определяется
(9.30)
где Апол, Апотр - полезная механическая и потребленная электри­ческая энергии двигателя; А А - потери энергии; Рп ол/ - полезная механическая мощность на i-м участке цикла; APt - потери мощ­ности на /-м участке цикла; п - число участков работы ЭП.

З КМ1_
Рассчитанный по формуле (9.30) КПД называют цикловым, или средневзвешенным. Если ЭП работает в установившемся ре­жиме, то формула (9.30) упрощается и принимает вид
Л = ДолДДол + А Р).
Л НОМ’% 1001 -
75
50
Рис. 9.3. Зависимости номинального КПД двигателя от номинальной мощ­ности (а) и КПД двигателя от коэффициента нагрузки (б)
Закономерность изменения номинального КПД двигателей в зависимости от их номинальной мощности Рном иллюстрирует рис. 9.3, а.
С ростом уровня номинальной мощности номинальный КПД растет, что объясняется уменьшением потерь мощности относи­тельно полезной мощности двигателя.
КПД работающего двигателя зависит от развиваемой им по­лезной механической мощности на валу. При малых нагрузках КПД двигателя небольшой (рис. 9.3, б), по мере увеличения нагрузки он растет.
Отметим, что своего максимального значения r|max КПД боль­шинства двигателей достигает при нагрузке, которая меньше но­минальной.
Существует условие, при котором двигатель будет работать с максимальным КПД при данном коэффициенте нагрузки двига­теля:
- Рс/РноМ!
где Рс - механическая мощность нагрузки. КПД двигателя г| мож­но записать следующим образом:
Л = Рс/(Рс + АР) ~ ^Н^НОМ /(Лионом + к + k2HVH0M). (9.32)
Найдем условие работы двигателя с максимальным КПД при данном коэффициенте нагрузки, взяв производную dr| /dkH и при­равняв ее нулю. Максимальное значение КПД будет иметь место при оптимальной нагрузке, определяемой следующим соотноше­нием постоянных А"и номинальных переменных Кном потерь мощ­ности:
^н.опт = K/VHOM. (9.33)
Из формулы (9.33) следует, что при К > Кном максимальный КПД может быть получен при нагрузке двигателя, превышающей номинальную, что неприемлемо. Максимальный КПД кн опт при К < Ком имеет следующие значения:
K/VH0H 0,1 0,3 0,5 0,7 0,9
кнлт 0,32 0,55 0,71 0,84 0,95
Анализируя работу электропривода с конкретным двигателем, можно с помощью соотношения (9.33) определить нагрузку дви­гателя, при которой он будет работать с наименьшими потерями мощности, т. е. при данной нагрузке с максимальным КПД.
Анализ работы действующих электроприводов показывает, что большинство двигателей имеют завышенную номинальную мощ­ность по сравнению с той, которая требуется от электропривода для реализации заданного технологического процесса. В европей­ских странах коэффициент нагрузки (коэффициент использова­ния) двигателей ки составляет величину порядка 0,6, а в нашей стране наиболее вероятное значение этого коэффициента лежит в пределах 0,3...0,5.
Другая типичная ситуация характеризуется тем, что электро­приводы ряда рабочих машин и производственных механизмов часть своего цикла работают с малыми механическими нагрузка­ми или на холостом ходу. К ним относятся, например, электро­приводы обрабатывающих станков, кузнечно-прессового обору­дования, подъемно-транспортных механизмов.
Исходя из этого можно назвать следующие способы повыше­ния КПД двигателей при их эксплуатации:
замена малозагруженных двигателей двигателями меньшей мощности. Такая замена целесообразна в тех случаях, когда это приведет к снижению потерь энергии в электроприводе и системе электроснабжения, что позволит окупить капитальные затраты при такой модернизации за приемлемый срок. Расчеты показывают, что при коэффициенте нагрузки к„< 0,4 в большинстве случаев замена малозагруженных двигателей оказывается экономически целесообразной, при кн > 0,7 - нецелесообразной, а при соотно­шении 0,4 < кн < 0,7 требуется выполнение технико-экономиче- ских расчетов;
ограничение времени работы двигателей при их холостом ходе. Отключение двигателей при их холостом ходе оправдано в том случае, когда потери энергии при новом пуске двигателя оказы­ваются меньше, чем за время работы на холостом ходу. Отключе­ние двигателя целесообразно проводить при времени холостого хода в пределах 10 с и более. Электротехническая промышлен­ность выпускает устройства, позволяющие автоматически отклю­чать двигатели при их переходе в режим холостого хода.
Задача 9.9*. Для условий задачи 9.2* рассчитать КПД двигателя 2ПН -132 при его работе в заданном цикле.
Поскольку двигатель работает с переменной нагрузкой на валу, КПД должен рассчитываться по формуле (9.30).
Определим по формуле (9.7) полные потери мощности в но­минальном режиме
ЛЛюм = Люм(1 -Пном)/Пном = 5 500(1 -0,8)/0,8 = 1 375 Вт
и постоянные потери мощности
К = АРном - VHOM = 1 375 - 508 = 867 Вт.
Определим скорости двигателя, соответствующие моментам нагрузки на отдельных участках цикла, используя для этого фор­мулу (4.5). Для этого предварительно определим:
номинальный момент двигателя
Мном = Лом/Юном = 5 500/157 = 35 Н • м;
произведение кФном
кФном = Мном//ном = 35/59 = 0,6 В • с;
скорость холостого хода
ю0 = ином/кФноы = 110/0,6 = 183 рад/с.
Тогда скорости двигателя на участках цикла составят: юС1 = coo - ММкФти = 183 - 0,6 • 35 • 0,146 = 167 рад/с;
юС2 = юном = 157 рад/с, сос3 = 162 рад/с.
Учитывая, что Рпол = Рмех = Мссос и АР = К + V, находим

М2
+
3 3 я Л

КМ
ХМс/Ю/// / '£Me,(oiti + K'£t, + '£AP,tl

I I

= (21•176•600 + 35■157•180 + 28•162•900)/
/(7167 -ь 867 ■ 1680 + 0,146((0,6 • 59)2 • 600 +
+592 1 80+ (0,8 - 59)2 - 900)) = 0,83.
Задача 9.10. Для данных задачи 9.1* рассчитать КПД двигателя 4AH160S4 при его работе в заданной точке.
Коэффициент мощности электропривода
ЭП, подключенный к сети переменного тока, потребляет из нее активную Ра и реактивную Q мощности. Активная мощность
расходуется на полезную работу ЭП и покрытие потерь в нем, а реактивная мощность обеспечивает создание электромагнитных полей двигателя и других его элементов и непосредственно полез­ной работы не совершает. Отметим, что в отношении реактивной мощности лучше говорить не о потреблении, а об обмене (цирку­ляции) мощности между сетью и двигателем.
ЭП, потребляя реактивную мощность, нагружает ею систему электроснабжения, вызывая дополнительные потери напряжения и энергии в ее элементах. По этой причине всегда следует стре­миться к обеспечению максимально возможного coscp ЭП.
Работа ЭП в цикле характеризуется средневзвешенным, или цикловым, коэффициентом мощности, который определяется от­ношением потребленной активной энергии за цикл Аа к полной или кажущейся энергии Ап в соответствии с формулой
(9.34)
где S,- - полная или кажущаяся мощность на i-м участке цикла,
s, = \/P'ti + Qi (Pal, Qi - соответственно активная и реактивная мощности на i-м участке цикла).
При работе ЭП в установившемся режиме с постоянной ско­ростью коэффициент мощности рассчитывается как

SB1 КМ
сейф = PJS = pjyjp? + Q2.
Угол ф, как известно из электротехники, определяет сдвиг фаз между напряжением сети и потребляемым током электропривода: если привод потребляет реактивную мощность, то существует сдвиг фаз ф * 0 и совф * 1. Если реактивная мощность ЭП не потребляет­ся, то ф = 0 и СОвф = 1.
Коэффициентом мощности характеризуется работа ЭП с дви­гателями переменного тока, а также ЭП постоянного тока, вы­полненного по системе «управляемый выпрямитель -двигатель постоянного тока».
Коэффициент мощности асинхронного двигателя. Входящие в формулы (9.34) и (9.35) активная Ря и реактивная Q мощности применительно к трехфазному асинхронному двигателю могут быть рассчитаны для установившегося режима его работы по следу­ющим формулам:
Ра = Рх = 3Ux
КМ
КМ

Q=3Ilxll + 3/fjc, + ЗГ22х'2.

Т

J

.

К
COS фном

S'				/
S			/
			/ 2

0,75
50 100 150 200 250 Рном,
а

Рис. 9.4. Зависимости номинального коэффициента мощности асинхрон­ных двигателей серии 4А от номинальной мощности и скорости враще­ния (а) и коэффициента мощности асинхронных двигателей от коэффи­циента нагрузки (б):
1 - /0 = 2; 2 - р = 4; 3 - cosq>HOM = 0,6; 4 - cos
Для П-образной схемы замещения асинхронного двигателя (см. рис. 5.2) при R^~ 0 ток намагничивания равен /д = С/ф/хц и выра­жение (9.35) можно записать в следующем виде:
0=3 £/ф/ц + 3/22хк = 3 г/ф/ц + M(OoSXk/R'2. (9.38)
На рис. 9.4, а приведены зависимости номинального коэффи­циента мощности для асинхронных двигателей различных номи­нальных мощностей Рном и чисел пар полюсов р (кривая / для р- 2, кривая 2 для р = 4). Характерным для них является более высокое значение coscpHOM для двигателей больших номинальных мощнос­тей и скоростей вращения.
Для большинства асинхронных двигателей coscpHOM = 0,8...0,9. Для этих значений Q= (0,5...0,75)/,), т.е. асинхронный двигатель на каждый киловатт активной мощности потребляет из сети (0,5...0,75) квар реактивной мощности. Чем ниже coscp, тем боль­шую реактивную мощность потребляет асинхронный двигатель из сети, загружая ее дополнительным током и вызывая в ней допол­нительные потери.
Коэффициент мощности асинхронного двигателя зависит от его нагрузки. При холостом ходе коэффициент мощности двигате­ля невелик, так как относительно велика доля реактивной мощ­ности по сравнению с активной. По мере увеличения нагрузки возрастает и coscp, достигая своего максимального значения примерно в области номинальной нагрузки асинхронного двига­теля. В качестве примера на рис. 9.4, б приведены зависимости coscp от кратности механической нагрузки Рс/Р1кт для двигателей серии 4А при различных уровнях номинальных coscpHOM = 0,9 (кри­вая 5), 0,8 (кривая 4) и 0,6 (кривая 3).
Асинхронные двигатели являются основными потребителями реактивной мощности в системах электроснабжения, поэтому

Рис. 9.5. Зависимости токов ротора и намагничивания асинхронного дви­гателя от напряжения на его статоре
повышение коэффициента их мощности представляет собой важ­ную технико-экономическую задачу. Перечислим основные ме­роприятия по повышению coscp асинхронных двигателей.
Замена малозагруженных двигателей двигателями меньшей мощности.
Ограничение времени работы двигателей на холостом ходу. Эти возможности объясняются характером зависимости coscp от нагрузки двигателя, приведенной на рис. 9.4, б.
Снижение подводимого к двигателю напряжения, которое можно показать с помощью зависимостей на рис. 9.5. Из их рас­смотрения следует, что при снижении напряжения U{ уменьша­ется ток намагничивания /ц, что приводит к снижению потреб­ляемой двигателем реактивной мощности и тем самым к умень­шению потерь мощности в двигателе и элементах системы элек­троснабжения.
Вместе с тем при неизменном моменте нагрузки Мс происхо­дит увеличение тока ротора Г2, что может привести к дополни­тельному нагреву двигателя. Поэтому такой способ энергосбере­жения может использоваться при пониженных нагрузках двигате­ля, не превышающих 40...50% от номинальной.
Практически этот способ повышения coscp может быть реали­зован двумя способами: переключением обмоток двигателя со схе­мы треугольника на схему звезды и с использованием тиристор­ных регуляторов напряжения.
Первый способ снижения напряжения возможен при равен­стве номинального фазного напряжения обмотки статора двига­теля и линейного напряжения сети. При нагрузках двигателя, близ­ких к номинальному уровню, обмотки статора включены по схе­ме треугольника «А» и двигатель работает при номинальном на­пряжении обмоток статора с полным магнитным потоком.
При снижении нагрузки обмотки статора двигателя переклю­чаются на схему звезды «Y», к ним подводится пониженное в 1,73 раза напряжение, за счет чего снижаются ток намагничивания и
реактивная мощность. Важно отметить, что при этом потери мощ­ности в двигателе в зависимости от коэффициента его нагрузки кн могут как уменьшаться, так и увеличиваться.
Анализ показывает, что при коэффициенте нагрузки кн < 0,7 потребляемая двигателем реактивная мощность в схеме звезды все­гда меньше, чем в схеме треугольника. Снижение потерь мощно­сти в двигателе при переходе на схему звезды будет иметь место начиная со значений коэффициента нагрузки двигателя кн < 0,4.
Способ снижения напряжения с использованием тиристорных регуляторов напряжения рассмотрен в подразд. 9.5.
Применение устройств компенсации реактивной мощности. Для компенсации реактивной мощности и повышения тем самым coscp электроприводов могут использоваться различные средства компенсации. К их числу относятся:
фильтрокомпенсирующие и фильтросимметрирующие устрой­ства, обеспечивающие одновременно компенсацию реактивной мощности, фильтрацию высших гармоник и уменьшение откло­нений напряжения по фазам;
синхронные двигатели, использование которых в качестве ком­пенсаторов реактивной мощности рассмотрено в подразд. 6.4;
синхронные компенсаторы, представляющие собой синхрон­ные двигатели, работающие без нагрузки; конденсаторные установки; тиристорные источники реактивной мощности.
Реактивная мощность компенсирующей установки QK y опре­деляется как
0ку= ^(tg
где Р - потребляемая электроприводом активная мощность; tgcp,, tgcp2 - тангенсы угла ф до и после компенсации.
Коэффициент мощности системы «управляемый выпрямитель - двигатель постоянного тока» (УВ -ДПТ). Система УВ -ДПТ пита­ется от сети переменного тока и потребляет при этом реактивную мощность. Это определяется тем, что регулирование напряжения на якоре двигателя происходит за счет задержки открытия тири­сторов управляемого выпрямителя. Вследствие этого происходит сдвиг фазы потребляемого ЭП тока по отношению к напряжению сети и ЭП начинает потреблять реактивную мощность из сети. Кроме того, работа системы У В -ДПТ вызывает искажение си­нусоидальной формы напряжения системы электроснабжения. Это оказывает вредное воздействие на другие ЭП, что выражается в повышенном нагреве электродвигателей, снижении их мощности и КПД, усилении вибрации и шума при их работе.
Искажение синусоидальной формы напряжения приводит к появлению высших гармоник напряжения, которые нарушают нормальную работу других потребителей электроэнергии, устройств
автоматики, защиты и сигнализации, создает помехи в линиях связи. Несинусоидальность напряжений и токов приводит к до­полнительным погрешностям измерительных приборов, а также оказывает отрицательное воздействие на батареи конденсаторов, применяемых для компенсации реактивной мощности, вызывая их перегрузку по току и напряжению.
Коэффициент мощности системы УВ -ДПТ определяется двумя факторами: углом сдвига ф| основной первой гармоники потреб­ляемого из сети тока относительно напряжения сети и коэффи­циентом искажения v этого тока
coscp = vcoscpi, (9.40)
где coscp! = cos(a + у/2).
В этих выражениях v - коэффициент искажения, v = /| //; /j - действующее значение первой гармоники этого тока; / - дей­ствующее значение потребляемого из сети тока; а, у - соответ­ственно углы управления и коммутации вентилей.
Из приведенного выражения следует, что коэффициент мощ­ности вентильного ЭП постоянного тока определяется углом уп­равления тиристоров УВ а и его нагрузкой, от которой зависит угол коммутации у. Снижение скорости (увеличение диапазона регулирования) приводит к уменьшению коэффициента мощно­сти ЭП. Анализ зависимости cos ср от относительной скорости со* = = со/соое при номинальной нагрузке на валу двигателя (рис. 9.6, а) показывает, что уменьшение коэффициента мощности происхо­дит пропорционально снижению скорости, т.е. увеличению диа­пазона регулирования. Это видно также и из следующего прибли­женного выражения для коэффициента мощности при регулиро­вании скорости, получаемого из (9.40) при v = 1 и у = 0:
cos срр = cos a = Ed/Edmax = co0/co0e, (9.41)
где Ed - ЭДС преобразователя; co0 - скорость идеального холо­стого хода, соответствующая Ed.

а б
Рис. 9.6. Зависимости коэффициента мощности системы «преобразова­тель -двигатель» от относительной скорости (а) и диапазона регулиро­вания (б)

При регулировании скорости с одинаковым временем работы двигателя на каждой скорости при Мс = const зависимость сред­невзвешенного циклового коэффициента мощности cos срсв от ди­апазона регулирования D показана на рис. 9.6, б.

Повышение коэффициента мощности и уменьшение несину- соидальности напряжения сети при работе системы УВ -ДПТ может быть достигнуто рассмотренными ранее средствами ком­пенсации реактивной мощности. Кроме того, повышение коэф­фициента мощности можно получить путем использования спе­циальных законов управления УВ и способов коммутации их вен­тилей. К их числу относятся поочередное и несимметричное уп­равление преобразователями, а также искусственная коммутация вентилей преобразователей.
Задача 9.11*. Асинхронный двигатель типа МТКН 412 - 6 име­ет следующие паспортные данные: Рном = 36 кВт при продолжи­тельности включения ПВ = 25 %; пном = 920 об/мин; /|Н0М = 81 А; l\i = Лх.х = 41,5 А; /?, = 0,13 Ом; х, = 0,2 Ом; R2 = 0,24 Ом; х'2 = 0,25 Ом.
Определить коэффициент мощности при его работе на есте­ственной характеристике с моментом нагрузки Л/с = 0,5Л/ном.
Определяем скорости в режимах идеального холостого хода и при номинальной нагрузке двигателя:
со0 = 2nf/p = 2-3,14- 50/3 = 105 рад/с;
©ном = ляном/30 = 3,14 • 920/30 = 96,3 рад/с.
Находим номинальные скольжение и момент двигателя:
*ном = (®о - Юном)/Wo = (105 - 96,3)/Ю5 = 0,08;
Мноы = ЛомМом = 36 000/96,3 = 374 Н • м.
Рассчитываем скольжение на естественной характеристике, со­ответствующее моменту нагрузки Мс = 0,5Л/НОМ = 0,5 • 374 = 187 Н • м, принимая рабочий участок характеристики линейным:
яс = shomMc/Mhom = 0,08 • 0,5 = 0,04.
По формуле (5.7) определяем приведенный ток в роторе дви­гателя при моменте нагрузки Мс = 187 Н м
[2 = Щ = Ф 87 105 0,04/(3 0,24) = 33 А.
Определяем по формуле (9.36) номинальную активную по­требляемую мощность из сети
Лном = 3 £/]ф /] ном cos Фном = 3 • 220 81 0,82 = 43 873 кВт.
Вычисляем полные номинальные потери мощности
ДЛ.ОМ = Р\ном - Л*ом = 43 873 - 36 000 = 7 837 Вт.

Пи ом = ЛомМ^ион/З/г; = V374 105 0,08/(3 0,24) = 66 А.
Определяем постоянные потери мощности
К - АРН0М - И|ном - У2ном -
= 7 837- 3 -812-0,13 - 3 - 662 0,24 = 2 142 Вт.
Потребляемая активная мощность при заданном моменте нагрузки равна
Р,л = А/ссос + К + V\c + К2с =
= 187 - 105(1 -0,04) + 2 142 + 3 332(0,13 + 0,24) = 22 200 Вт.
Находим по формуле (9.37) реактивную мощность
Q = 3 иф /1х.х + 3Г22хк = 3 • 220 • 41,5 + 3 • ЗЗ2• 0,45 = 28 860 вар.
Определяем по формуле (9.34) искомый коэффициент мощ­ности при работе двигателя в заданной точке
coscp= Pj^P2+Q2 = 22 200/^22 2002 + 28 8602 = 0,57. •
Задача 9.12*. Определить мощность и емкость конденсаторной батареи, которую необходимо использовать для повышения ко­эффициента мощности трехфазного асинхронного электроприво­да от cos
Требуемая мощность конденсаторной батареи находится по формуле (9.34) как
Оку = ^(tgcpi - tgcp2) = 220(0,75 - 0,29) = 101 квар.
Емкость конденсаторной батареи на одну фазу составит
С = QK.y/(3 • 2я/| U2noy) =
= 101 1 000/(3 2 3,14 - 50 3802) = 744 мкф.
Задача 9.13. Двигатель МТКН 412 - 6 (данные двигателя приве­дены в задаче 9.11) работает в течение 7 мин о моментом нагрузки Л/с| = 0,9Л/ном, в течение 12 мин - с моментом Л/с2 = 0,4Л/ном и в течение 4 мин - с моментом Л/с3 = Мном. Определить средневзве­шенный коэффициент мощности двигателя за этот цикл работы.

Энергосбережение в электроприводе и средствами электропривода
Эффективное использование энергии является одной из важ­нейших проблем народного хозяйства. Ее решение позволит сни­зить потребление энергетических и материальных ресурсов при производстве промышленной и сельскохозяйственной продукции, уменьшить большие непроизводительные расходы государства и населения в сфере жилищно-коммунального хозяйства, улучшить экологическую обстановку в стране. Наибольший эффект в реше­нии проблемы энергосбережения может быть достигнут в элект­роприводах, которые являются основными потребителями элект­рической энергии.
Энергосбережение может осуществляться как в самом ЭП, так и в обслуживаемых им технологических процессах, где использу­ется вырабатываемая им механическая энергия. При этом приме­нение регулируемого ЭП позволяет обеспечить энергосбережение при реализации многих технологических процессов, иногда во много раз превосходящее экономию энергии в самом ЭП.
Например, регулирование скорости ленты транспортера за счет ЭП, подающего детали в закалочную печь, позволяет минимизи­ровать количество тепловой энергии на их закалку в зависимости от их сортамента, технологии закалки и других факторов. Весьма эффективно регулируемый по скорости ЭП может обеспечить энер­госбережение в таких рабочих машинах, как насосы, вентилято­ры и компрессоры. Поскольку эти рабочие машины широко ис­пользуются в промышленности, на транспорте, в сельском и жи­лищно-коммунальном хозяйствах, потребляя по различным оцен­кам 30...40 % вырабатываемой электроэнергии, энергосбережение в этой сфере средствами ЭП оказывается очень эффективным.
Энергосбережение в ЭП может быть достигнуто как на стадии его проектирования и конструирования, так и при эксплуата­ции ЭП.
Проектирование и конструирование ЭП должно со­ответствовать современному уровню развития теории и практики ЭП и смежных областей науки и техники: электромеханики, элек­троники, автоматики, механики и вычислительной техники. Энер­госбережение при этом может осуществляться следующими мето­дами и средствами.
Обоснованный расчет требуемой мощности двигателя испол­нительного органа рабочей машины или производственного ме­ханизма с учетом всех условий его работы. В подразд. 9.3 и 9.4 было показано, что двигатель завышенной мощности имеет низкие энер­гетические показатели работы и при этом также имеет место не­доиспользование заложенных в него материальных ресурсов.
С другой стороны, применение двигателя недостаточной мощ­ности снижает производительность технологического оборудова­ния, приводит к перегрузке двигателя и преждевременному выхо­ду его из строя. Подробно процедура расчета мощности и выбора двигателя рассмотрена в гл. 10.
Выбор силовых элементов ЭП, характеризующихся при сво­ей работе минимальными потерями энергии. Это'относится к вы­бору двигателей, в отношении которых можно назвать следующие возможности энергосберегающих решений:
применение энергосберегающих двигателей, в которых за счет увеличенных объемов активных материалов (меди и стали) поте­ри мощности снижены не менее чем на 15...20%. В российских каталогах такие двигатели имеют в обозначении букву «е»;
применение двигателей с уменьшенным моментом инерции ротора (якоря), в которых в соответствии с формулой (9.25) име­ет место пониженный уровень потери энергии в переходных про­цессах. К таким двигателям относятся двигатели с удлиненным ротором (например, асинхронные двигатели краново-металлур­гической серии 4МТ и 4МТК) и двигатели с полым ротором (яко­рем). Снижение момента инерции ЭП можно получить при ис­пользовании вместо одного двигателя двух двигателей половин­ной мощности на ту же скорость вращения.
Задачу энергосбережения решают с помощью имеющих высо­кий КПД полупроводниковых преобразователей и механических передач с небольшими потерями мощности.
Ориентирование на применение регулируемого ЭП по систе­ме «преобразователь -двигатель», что позволяет реализовывать экономичные способы регулирования переменных ЭП в устано­вившихся и переходных режимах. В количественном отношении получаемый эффект энергосбережения в переходных процессах рассмотрен в подразд. 9.2.
Выбор рациональных способов и технических средств регу­лирования переменных ЭП, использование которых не вызывает дополнительных потерь энергии при его работе. К таким способам относится, например, регулирование скорости двигателей пере­менного тока с помощью полупроводниковых преобразователей частоты (см. подразд. 5.4 и 6.2).
При эксплуатации электроприводов энергосбережение мо­жет быть достигнуто за счет правильного технического обслужи­вания и проведения мероприятий по их модернизации.
Техническое обслуживание ЭП должно проводиться персона­лом в соответствии с правилами устройства и эксплуатации элект­роустановок и предусматривать периодические осмотры и профи­лактические мероприятия по элементам ЭП - смазку подшипни­ков и других движущихся механических частей двигателя и меха­нической передачи, очистку коллекторов и контактных колец дви­
гателей и контактов электрической аппаратуры, затяжку болто­вых электрических соединений и т.д.
Энергосбережение в эксплуатируемых ЭП может достигаться их модернизацией, возможные способы и средства которой были рассмотрены в подразд. 9.3 и 9.4.
Наибольшие возможности по энерго- и ресурсосбережению как при проектировании новых, так и при модернизации действу­ющих электроприводов предоставляют регулируемые электропри­воды. Рассмотрим возможности энерго- и ресурсосбережения при использовании электроприводов переменного тока по системе «тиристорный регулятор напряжения -асинхронный двигатель» и «преобразователь частоты -асинхронный двигатель».
В системе «тиристорный регулятор напряжения -асинхронный двигатель» возможность энергосбережения при использовании тиристорных регуляторов напряжения иллюстрируют графики на рис. 9.7, а, представляющие собой зависимости тока статора асин­хронного двигателя 1\ от напряжения Ut при разных моментах нагрузки Мс. При каждой нагрузке имеется такое напряжение, при котором потребляемый двигателем ток минимален.
При этом важно отметить два обстоятельства: точка минимума соответствует напряжениям, меньше номинального, а миними­зация тока происходит за счет снижения реактивной составля­ющей тока.
Штриховая линия на рис. 9.7, а, проведенная через точки ми­нимумов тока для каждой нагрузки, определяет закон регулиро­вания напряжения в функции тока, при реализации которого при любом Ме из сети потребляется минимальный ток.
Схема ЭП с минимизацией потребляемого двигателем тока приведена на рис. 9.7, б. В его состав входят асинхронный двига­тель АД, тиристорный регулятор напряжения ТРН с системой управления СУ ТРН, датчики тока ДТ и напряжения ДН, функ­циональный преобразователь ФП и инерционное звено ИЗ.

Рис. 9.7. fZ-образные характеристики (а) и схема асинхронного ЭП (б) при минимизации потребляемого тока