Структурная схема электромеханического каскада.

Рис.124

 

Управляющее воздействия вносится в преобразующий элемент и соответственно транспортируется через в виде добавочной ЭДС

Технические средства, с помощью которых происходит реализация каскадного регулирования.

По этому признаку различают:

1. вентильные каскады. В этом случае преобразователи и представляют из себя статические полупроводниковые устройства.

-выпрямитель

- инвертор

2. вентильно -машинные каскады. В этом случае один из преобразователей является статическим, а 2-й либо электрошинным, либо сочетанием статического преобразователя с электромашинным либо сочетанием 2-х электрических машин.

Т.о. классификация каскадных схем регулирования может быть представлена следующим образом:

1. электрический вентильный каскад

электрический вентильно-машинный каскад

3. электромеханический вентильно-машинный каскад.

4. комбинированный вентильно-машинный каскад

Для того чтобы представить себе вид регулировочных механических характеристик при каскадном регулировании, запишем уравнение для тока на выходе преобразователя (выпрямителя).

где -ЭДС наведенная в фазе обмотки ротора при (ротор неподвижен).

- добавочное, ЭДС вводимая на кольца ротора со стороны каскада

- потери напряжения в каскаде.

- эквивалентное, активное сопротивление каскада. Если пренебречь потерями напряжения в каскаде , а так же учесть, что ЭДС на кольцах неподвижного ротора практически равно напряжению на обмотках ротора , то для режима идеализированного Х.Х.двигателя, т.е. при отсутствии нагрузки на его валу, когда ток в ОР , а следовательно и , получим:

В этом выражении: - так называемое скольжение каскада в режиме идеализированного х.х. Отсюда получим выражение для угловой скорости при каскадном регулировании:

- угловая скорость идеального Х.Х. каскада

- угловая скорость идеального Х.Х. двигателя – угловая скорость ВМП – (синхронная скорость).

С учётом этого семейства регулировочных характеристик при каскадном регулировании будет иметь вид:

Рис.125

Показатели качества:

1. напряжение: однозонное вниз

2. плавность: зависит от вида каскада, в любом случае высокая

3. допустимая нагрузка на валу: регулирование при постоянном моменте

4. стабильность: высокая, но ниже при частотном регулировании

5. энергетические показатели:

КПД всегда высокое: зависит от вида каскада, но в целом не высокий

6. диапазон регулирования: теоретически может быть любым, но практически не превышает 2:1 Т.к. в дальнейшем при увеличении диапазона существенно ухудшаются массогабаритные показатели.

Т.о. главным преимуществом каскадного регулирования является экономия электрической энергии, поэтому целесообразность использования таких ЭП определяется мощностью. Поэтому каскадное регулирование применяют в ЭП менее 1,5 МВт.

 

Энергетическая эффективность ЭП.

Одна и та же алгоритм функционирования имеющий одинаковые технологические параметры, а также технические показатели можно реализовать с различными энергетическими затратами.

Если учесть, что ЭП в настоящее время потребляет около 70% всей вырабатываемой электроэнергии, становится, очевидно, что цена неоправданных потерь эл.энергии весьма велика. К основным энергетическим показателям ЭП относятся: КПД, коэффициент мощности, обобщенный критерий электрической эффективности - .

 

КПД ЭП.

 

Функционирование ЭП в процессе преобразования или передачи энергии неизбежно сопровождается потерями . Весьма важно – соотношение между и , которое в общем, виде носит название КПД:

(117*)

 

В частном случае, если ЭП работает в режиме , т.е. в режиме с , который может быть представлен в виде нагрузочной диаграмм, рис.126.

В этом случае:

(118)

В частном случае, если :

(119)

 

Рис.126

 

Такое выражение для КПД обычно применяют при паспортизации различного типа устройств, где используется понятие номинального КПД:

(120)

 

 

При этом обычно составляются графические зависимости:

- коэффициент загрузки

 

Рис.127

 

Выражение 118, 119,120 представлены для мгновенных мощностей и как, следствие не учитывают различные режимы работы ЭП, а также их длительности.

Обычно переход от соотношения 118, 119 и 120 к выражению 117* осуществляется с помощью интегрирования выражений 118,119,120. В частности для циклических процессов наиболее универсальным и точным значением КПД является циклический КПД:

(121)

где - переданная (преобразованная) энергия за цикл

- потери энергии за цикл

(122)

(123)

 

Но, чтобы иметь точное графическое представление о цикловом КПД необходимо ввести понятие о так называемом, использований КПД. Для одного и того же циклического процесса КПД, рассчитанный по выражениям 121 и 118 могут существенно отличаться. В этой связи не имеет смысла и зачастую приводит к ошибке применяемые на практике сравнение различных режимов КПД без учёта режима их работы. Например: «Реостатное регулирование не экономично, а регулирование по системе преобразователь- двигатель экономично» есть ничто иное, как некомпетентный штамп. Фактическая оценка эффективности может быть сделана только с учётом особенностей режимов работы ЭП, а также их продолжительности. Чтобы проиллюстрировать это выражение рассмотрим следующий пример:

Пусть ЭП, обеспечивающий регулирование скорости в диапазоне , , работает в циклическом режиме со скоростями вращения , на каждой ступени цикла привод работает одинаковое время:

В этом случае:

, где - диапазон регулирования.

 

Рис.128

 

Рассмотрим 2 варианта регулирования скорости:

1. реостатное – изменение активного сопротивления цепи ротора.

2. регулирование по системе П-Д.

 

Чтобы найти выражение, соответствующее цикловому КПД по формуле (121) для обоих вариантов найдём выражение для потерь мощности .

В случае реостатного регулирования (АД):

Потери мощности для того же двигателя для системы ПД:

- при одинаковой продолжительности ступеней цикла

где - коэффициент, учитывающий дополнительные потери в преобразовательном устройстве (ПУ):

тогда, подставляя эти значения в уравнения (4) и (5) получим:

1. Реостатное регулирование:

2. П-Д:

Если для обоих представленных выражений рассчитаем функцию, выраженную зависимость отношения циклового КПД к паспортному от величины диапазона регулирования для различных вариантов, то получим следующие графические зависимости, рис.129:

Рис.129

 

По построенным зависимостям видно, что даже при очень хороших условиях и ( - характерен на упрощающей системе УСП-Д).

Система П-Д имеет преимущества по перед реостатным, лишь при условии что .

При малых диапазонах реостатное регулирование более энергетически эффективно.

Если же (система Г-Д, то регулирование по системе П-Д предпочтительнее, только при диапазонах боде 3:1). Естественно при этом нельзя забывать и о других преимуществах системы П-Д.