Энергетика электромеханического преобразователя (двигателя)

Строится модель двигателя, в которой в качестве переменных фигурируют потоки энергии, и вводится классификация режимов электромеханического преобразователя с позиции энергетики.

Р_эл – электрическая энергия;

Р_мех – механическая энергия;

DР_потерь – энергия потерь.

для ДПТ.

, где m – число фаз (чаще всего 3).

С энергетической точки зрения существуют два режима работы двигателя:

1. двигательный режим Р_мех>0

2. тормозной режим Р_мех<0

2.1. режим рекуперативного торможения (РТ)

Р_эл–DР_потерь=Р_мех, Р_мех<0 и Р_эл<0. Последнее является основным признаком режима, это режим с возвратом энергии в сеть. Для реализации в ДПТ необходимо изменить знак тока или напряжения. Чаще всего изменяют знак тока, так как напряжение ответственно за направление вращения. Этот режим наиболее экономичен.

2.2. режим динамического торможения (ДТ)

Основным признаком режима является нулевое взаимодействие с сетью Р_эл=0. DР_потерь=Р_мех. Условием реализации этого режима является U=0 и I_я¹0 (иначе не будет момента). Этот режим также называют автономным или автогенераторным торможением.

2.3. режим торможения противовключением (ТПВ)

Р_эл>0, Р_мех<0 Þ DР_потерь=Р_эл–Р_мех>>0. Режим ТПВ возникает, если двигатель подготовлен для вращения в одну сторону, а силами нагрузки или по инерции – вращается в противоположную.

Для реверсирования АД необходимо поменять местами две фазы. Это переключение можно провести почти мгновенно, путем контактного реверсера, тогда изменится направление вращения магнитного поля статора и произойдет торможение противовключением.

Геометрическая интерпретация режимов:

 

 

В качестве примера рассмотрим лебедку с грузом:

w₀ – точка идеального холостого хода.

При добавлении нагрузки уменьшается w и увеличивается М_с; М_с3 и w₃ получают при максимальной нагрузке, при этом двигатель сначала остановится, а затем начнет вращаться в другую сторону.

 

1.7. Понятие номинальных режимов и ограничения электромеханических преобразований.

Двигатель, являясь преобразователем энергии рассеивает электроэнергию в электрической конструкции и разработчик вынужден ограничивать переменные, характеризующие состояние двигателя, чтобы не допустить его выхода из строя. Данные, содержащиеся в паспорте электрической машины, относятся к определенному нормальному режиму и называются номинальными данными двигателя. Заводы – изготовители гарантируют при работе двигателя в номинальном режиме при номинальной нагрузке полное использование его в тепловом отношении.

Номинальные режимы – расчетные параметры, характеризующие физические ограничения двигателя.

Допустимая по нагреву нагрузка двигателя называется его номинальной нагрузкой и указывается в паспортных и каталожных данных. Таким образом, номинальная нагрузка – это такая нагрузка двигателя, при которой двигатель работая в номинальном режиме, нагревается до допустимой температуры.

Угловая скорость двигателя n_ном (w_ном) – характеристика расчетной скорости. При двух-, трехкратной скорости двигатель рассыплется, так как в обмотке возникают слишком большие центробежные усилия (обмотка на это не рассчитана).

Прежде всего, возможности двигателя ограничиваются током якоря I_яном. Самый страшный враг двигателя – нагревание DР_потерь=Р_я∙I²_я – которое происходит внутри обмотки (очень сложно выводить тепло). С ростом температуры связано форсированное старение изоляции.

I_ном – предельный по нагреванию ток для оговоренного режима двигателя.

Режимы пронумерованы S1…S7. Они отличаются условиями охлаждения, то есть у каждого режима свой номинальный ток.

Ограничивается также номинальный момент М_ном. Это момент, создаваемый двигателем при номинальном токе. Возможности двигателя и рост момента ограничивает нагревание двигателя; сам двигатель может вынести и десятикратный момент.

Номинальная мощность Р_ном=w_ном∙М_ном – это механическая отдаваемая мощность, мощность на валу.

Эффективность преобразования характеризуется номинальным КПД:

Р_пот – потребляемая мощность.

Вследствие тепловой инерции кратковременные нагрузки не могут вызвать заметного изменения температуры частей двигателя, поэтому ограничения, накладываемые нагревом, не исключают возможности кратковременного значительного превышения номинальной нагрузки двигателя. Допустимое ограничение на кратковременную нагрузку называется перегрузочной способностью двигателя:

где М_доп – максимально допустимый момент двигателя при допустимой нагрузке.

Перегрузочная способность двигателя входит в паспортные характеристики двигателя.

Пути повышения эффективности двигателя:

1. поднять температуру (более терпеливая изоляция)

классы изоляции A, B, H, F, С (по возрастанию температуры); А - до 105° (бумага, х/б ткань, пряжа); С – до 350° (керамика).

2. поиск путей эффективного охлаждения обмотки

различные способы охлаждения, вплоть до вывода тепла, путем создания внутри двигателя водородной среды.

 

Обозначения.

Номинальные значения всех параметров по ГОСТ необходимо записывать следующим образом: Р_ном или Р_N.

Угловая скорость обозначается как w [рад/с] или n [об/мин]. Связь между ними следующая