Энергетические показатели работы привода и методы их повышения

Энергетические показатели работы привода и методы их повышения

Условия работы электродвигателей оценивают посредством эксплуатационных коэффициентов включения и загрузки. Коэффициент включения станка

где ∑tр — суммарное время работы за смену; Т — время смены; ∑t0 — суммарное вспомогательное время и время перерывов в работе.

Большинство современных станков останавливают путем отключения электродвигателя от сети. В этих условиях коэффициенты включения станка и электродвигателя совпадают. У станков с фрикционной муфтой в цепи главного движения электродвигатель обычно непрерывно вращается. Его отключают только при длительных перерывах в работе.

Если считать, что при различных условиях работы универсального станка ∑tр может принимать любые значения (от 0 до T) и что все значения ∑tр в указанных пределах равновероятны, то

Степень загрузки станков характеризуется коэффициентом загрузки

где Рср — средняя мощность на валу электродвигателя; Рн — номинальная мощность электродвигателя.

Если все нагрузки универсальных станков, работающих в различных условиях, равновероятны, средняя мощность

Например, при часто встречающемся соотношении Рх.х = 0,2Рн имеем γср = 0,6.

Произведение коэффициента включения на коэффициент загрузки называют коэффициентом использования электродвигателя:

где Aраб — механическая энергия, фактически отданная электродвигателем станку; Ан — энергия, которая была бы отдана при непрерывной работе электродвигателя с номинальной мощностью.

При приведенных выше средних значениях коэффициентов включения и загрузки получим бср = 0,3.

Отношение энергии, использованной на обработку деталей, к той энергии, которую станок мог бы использовать в случае непрерывной работы его с номинальной нагрузкой, называют коэффициентом использования станка :

Действительные средние значения коэффициентов включения и загрузки электродвигателей, приводящих в движение металлорежущие станки, меньше указанных. Это говорит о преобладании работы с малыми нагрузками и значительным вспомогательным временем.

Значения эксплуатационных коэффициентов, близкие к действительным, могут быть получены путем анализа нагрузок электрической сети питания промышленных предприятий. Нагрузку электрической магистрали, питающей тот или иной цех, выбирают значительно меньшей, чем сумма номинальных мощностей электродвигателей, работающих в этом цехе.

Во избежание излишнего расхода меди при определении сечения проводов, подводящих электроэнергию в цех, учитывают неодновременность нагрузки потребителей, а также их недогрузку. Анализ нагрузок электрической сети питания заводов позволяет установить, что среднее значение коэффициента включения составляет

0,3, а коэффициента загрузки

0,37. Среднее значение коэффициента использования станка составляет

12%. Все изложенное указывает на наличие больших ресурсов в области использования парка металлорежущих станков.

Отношение энергии Aрез, затраченной на процесс резания, к энергии A, потребляемой электродвигателем за время цикла, называют цикловым к. п. д. системы:

Он характеризует не только конструктивное совершенство станка и электродвигателя, но и рациональность выбранного технологического процесса с точки зрения расхода энергии и использования установленной мощности. Значения цикловых к. п. д. многих станков, работающих с продолжительными периодами холостого хода и значительной недогрузкой, малы (5—10%).

Недогрузка электродвигателей приводит к тому, что недостаточно возмещаются средства, вложенные в электродвигатели, электрическую силовую сеть и заводские подстанции. Вследствие недогрузки электродвигателей понижаются их к. п. д. и cosφ. Понижение к. п. д. приводит к непроизводительному расходу энергии. Понижение cosφ при потреблении неизменной активной мощности приводит к увеличению силы тока. При возрастании силы тока увеличиваются потери в сети и не полностью используется установленная мощность трансформаторов и генераторов.

Если на предприятии имеется много электродвигателей, работающих, с неполной нагрузкой, возрастает плата за электроэнергию, так как за каждый киловольт-ампер установленной на предприятии мощности трансформаторов взимается определенная плата, не зависящая от фактического потребления энергии. Кроме того, при пониженных значениях cosφ стоимость единицы израсходованной энергии возрастает.

По эксплуатационным коэффициентам включения и загрузки электродвигателей можно судить также об использовании оборудования и организации производства. Знание коэффициентов, характеризующих работу станка, способствует выявлению неиспользованных ресурсов станочного парка и организации рациональной эксплуатации станков.

Для контроля работы станков разработаны специальные приборы, одни из которых пристраивают к станкам, другие применяют для централизованного контроля цехов и производства в целом.

При всяком видоизменении процесса обработки в целях повышения производительности энергетические показатели станка и электропривода, как правило, повышают. Это относится к повышению скоростей резания, увеличению подач, совмещению переходов обработки, сокращению вспомогательного времени и пр. Эффективным средством увеличения энергетических показателей электропривода главного движения станков является автоматизация подвода и отвода инструмента, зажима заготовки, измерений и т. д.

Однако часто возможности такой рационализации технологических процессов ограничены. При обработке детали на станке должны быть обеспечены требуемая точность, чистота обработки и высокая производительность труда, что определяет вид обработки и режимы резания и заставляет производить черновые и чистовые операции с одной установки заготовки.

У станков, имеющих фрикционную муфту в цепи главного движения, часто используют так называемые ограничители холостого хода. Ограничителем холостого хода называют выключатель, который отключает электродвигатель, когда выключается фрикционная муфта. Такое отключение электродвигателя влечет за собой экономию активной и реактивной энергии. Однако при этом возрастает число пусков электродвигателя, что связано с некоторой дополнительной затратой энергии.

Кроме того, вследствие ухудшения охлаждения двигателя во время пауз, в некоторых случаях возможен его перегрев. И, наконец, при использовании ограничителя холостого хода, в связи с повышением числа включений электродвигателя, увеличивается износ аппаратуры. Указанные обстоятельства могут быть учтены посредством специальных расчетов. Удовлетворительные результаты дает автоматическое отключение электродвигателя при паузах больше определенной заданной длительности.

Существуют многочисленные специальные технические средства повышения cosφ электрических приводов. К ним относятся применение статических конденсаторов, включаемых параллельно двигателю, синхронизация асинхронных двигателей, замена асинхронных двигателей синхронными. Мероприятия по повышению энергетических показателей станков не получили широкого распространения.

Так как в большинстве случаев электроприводы станков общего назначения работают с длительными паузами, то сложная и дорогостоящая установка будет использоваться недостаточно, а поэтому и затраченные на нее средства будут возмещаться слишком долго. Наиболее распространена компенсация реактивной мощности в общецеховом или общезаводском масштабе. Для этих целей применяют батареи статических конденсаторов.

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Ранее на эту тему: Электропривод

Подписывайтесь на наш канал в Telegram!

Просто пройдите по ссылке и подключитесь к каналу.

Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:

Энергетические показатели двигателя

Активная мощность, потребляемая двигателем из сети

.

Номинальная активная мощность

.

Эта мощность за вычетом потерь в двигателе преобразуется в механическую мощность на валу двигателя Р.

Реактивная мощность, потребляемая из сети, расходуется на создание вращающегося магнитного поля, поэтому она не зависит от величины нагрузки на валу двигателя. При постоянном напряжении сети она остается практически неизменной

.

Полная мощность, потребляемая из сети при неполной и но­минальной нагрузках

Мощность суммарных потерь в двигателе в номинальном режиме

.

где , — мощность магнитных потерь в сердечниках статора и ротора;

, — мощность электрических потерь в обмотках статора и ротора;

— мощность механических потерь, вызванных трением в подшипниках и вентиляцией охлаждающего воздуха.

Механическая мощность на валу двигателя при неполной на­грузке и в номинальном режиме

; .

Вращающий момент на валу двигателя при не­полной и номинальной на­грузке

где угло­вая частота ротора при номинальной нагрузке

Коэффициент полезного действия (КПД)

; .

Номинальный КПД асинхронных двигателей имеет величину 0,7-0,95. Малые значения КПД относятся к двигателям малой мощ­ности, большие — к двигателям большой мощности. Максимальное значение КПД соответствует нагрузке, близкой к номинальной.

Коэффициент мощности двигателя при неполной и номиналь­ной нагрузке

При изменении мощности на валу двигателя от 0 до Р_Н коэффи­циент мощности изменяется, в основном, за счет Р₁. Номинальные значения = 0,75-0,95 в за­висимости от мощности двигателя. В режиме холостого хода P=0, поэтому потребляемая мощность из сети равна мощности суммарных потерь в двигателепри практически постоянной Q_1Н.

.

Коэффициент мощности в режиме холостого хода низкий и равен 0,08-0,15. Это значит, для рационального ис­пользования электрической энергии на предприятиях длительная работа асинхронных двигателей в режиме холостого хода и при не­больших нагрузках недопустима.

Рабочие характеристики двигателя

Рабочими характеристиками являются зависимости частоты вращения n, подводимой мощности P₁, тока в обмотке статора I₁, КПД , коэффициента мощности, скольженияs от мощно­сти на валу двигателя Р при постоянном питающем напряжении U_H и постоянной частоте f_Н (рис. 4.11).

Рабочие характеристики дают возможность определять эксплуатационные свойства и устанавливать наиболее экономичный режим работы двигателя.

С увеличением тормозного момента на валу двигателя от приводимого механизма скорость вращения ротора n уменьшается, и как следствие, скольжение s относительно вращающегося поля, увеличивается. При увеличении скольжения неизбежно увеличивается ЭДС E₂, ток в проводниках ротора I₂.

В свою очередь, увеличение тока ротора определяет увеличение электромагнитных сил f и вращающего момента M, действующих на ротор. С ростом вращающего момента отрицательное ускорение ротора будет стремиться к нулю и скорость ротора установится на новом, более низком уровне.

Передача энергии от статора к ротору происходит через зазор между статором и ротором магнитным потоком. Рост полезной механической мощности P₂, отдаваемой на валу двигателя возможен при увеличении мощности Р₁, потребляемой двигателем из сети, и тока в обмотке статора I₁.

Коэффициент мощности cos φ₁ при холостом ходе определяется мощностью потерь в магнитопроводе. При увеличении нагрузки cos φ₁ возрастает. Но при нагрузках, близких к номинальной, рост cos φ₁ замедляется из-за увеличения реактивной мощности полей рассеяния.

КПД при отсутствии нагрузки равен нулю, а по мере увеличения мощности P₂ КПД повышается, но при больших нагрузках рост КПД замедляется, затем начинает уменьшаться, так как потери в обмотках пропорциональны квадрату токов.

Индикаторные энергетические показатели. Индикаторная работа, среднее индикаторное давление и индикаторная мощность

Факторы, влияющие на индикаторные показатели.

Методы увеличений индикаторной мощности. Сравнение индикаторных показателей дизеля и двигателя с искровым зажиганием..

Индикаторные экономические показатели. Индикаторный коэффициент полезного действия и удельный индикаторный расход топлива.

Индикаторные показатели цикла

Лекция 4

Дисциплина Силовые агрегаты

Учебные вопросы:

1. Индикаторные энергетические показатели. Индикаторная работа, среднее индикаторное давление и индикаторная мощность.

Тепловую и механическую напряженность и эффективность процессов преобразования химической энергии топлива в меха­ническую работу двигателей внутреннего сгорания принято ха­рактеризовать показателями, которые подразделяются на две группы: индикаторные и эффективные показатели. Первые харак­теризуют совершенство осуществляемого цикла по теплоиспользованию и связаны с качеством организации процессов, вторые дополнительно учитывают степень механического совершенства двигателя.

Индикаторной работой называется полезная работа, совершае­мая газами в цилиндре двигателя в течение тактов расширения и сжатия.

При выполнении теплового расчета двигателей внутреннего сгорания пользуются диаграммой расчетного цикла , кото­рая изображена на рис. 9.1. Отрицательная работа сжатия L_ас, выполняемая газами в такте сжатия при движении поршня от н.м.т. к в.м.т., пропорциональна площади . В такте расширения при движении поршня от в.м.т. к н.м.т. газы совершают положитель­ную работу , которой соответствует площадь . Пло­щадь на диаграмме соответствует индикаторной работе расчетного цикла:

(1)

В процессе расширения с подводом тепла при p=const совер­шается работа

(2)

Работа в политропном процессе расширения определяется из выражения

(3)

Рис. 1. К определению индикаторной работы

Работа в политропном процессе сжатия равна

(4)

; ; ;

и подставляя (2), (3), (4) в уравнение (1), получим вы­ражение для определения индикаторной работы расчетного цикла

(5)

Для определения индикаторной работы действительного цик­ла необходимо учитывать значение коэффициента полноты диа­граммы =0,920,97, при этом меньшее значение относит­ся к двигателям с разделенными камерами сгорания.

Так как индикаторная работа зависит от размеров цилиндра, то она не может характеризовать совершенство рабочего процесса двигателя. Параметром, пригодным для оценки совершенства ра­бочего процесса, является удельная индикаторная работа. Эта ве­личина представляет собой отношение индикаторной работы за цикл к рабочему объему цилиндра и имеет размерность давле­ния, поэтому ее называют средним индикаторным давлением.

Если работу газов за цикл выразить в джоулях, а рабочий объем цилиндра в кубических метрах, то среднее индикаторное давление, выраженное в мегапаскалях, будет равно

(6)

Если же индикаторную работу выражать в килограммометрах, а рабочий объем в метрах кубических, то среднее индикаторное давление определяется в килограммах на сантиметр квадратный:

(7)

Из выражения (6) видно, что графически в координатах р −V среднее индикаторное давление может быть определено (в соответствующем масштабе) высотой прямоугольника, равновеликого по площади диаграмме цикла и имеющего в основании отрезок, соответствующий рабочему объему

(рис. 2). Поэтому среднее индикаторное давление представляет собой условное постоянное избыточное давление, действующее на поршень и осуществляющее за один ход работу, равную индикаторной.

Рис. 2. К определению среднего индикаторного давления

Если обе части уравнения (5) разделять на рабочий объем цилиндра, то, имея в виду, что

,

получим выражение для среднего индикаторного давления расчет­ного цикла:

(8)

Среднее индикаторное давление действительного цикла опреде­ляется с учетом коэффициента полноты индикаторной диаграммы:

(9)

Величина среднего индикаторного давления в мегапаскалях или в килограммах на сантиметр квадратный на номинальном режиме работы составляет:

1) для четырехтактных дизелей:

— с неразделенными камерами сгорания без наддува 0,64 1,03 (6,510,5);

— с неразделенными камерами сгорания с наддувом до 2.45 (до 25,0);

— с разделенными .камерами сгорания 0,490,97(5,08,0);

2) для двухтактных дизелей 0,341,47 (3,515,0). Индикаторной мощностью двигателя называется мощность, соответствующая индикаторной работе.

Если частота вращения коленчатого вала равна п, то количество циклов за секунду у четырехтактных двигателей составляет

(10)

а у двухтактных двигателей равно

то с учетом коэффициента тактности двигателя имеем

(11)

где =4 — для 4-тактного двигателя и =2 — для 2-та.ктного двигателя.

Очевидно, что индикаторная мощность двигателя (в киловаттах) с числом цилиндров i будет равна

(12)

(8.13)

1. Индикаторные экономические показатели. Индикаторный коэффициент полезного действия и удельный индикаторный расход топлива

Кроме теоретически неизбежных, согласно второму закону термодинамики, потерь в двигателе наблюдаются потери тепла, обусловленные несовершенством протекания рабочих процессов (потери тепла, отдаваемые через стенки цилиндра в охлаждающую среду, потери из-за неполноты сгорания топлива, а также потери, связанные с диссоциацией продуктов сгорания). Использование тепла в действительном цикле характеризуется индикаторным КПД.

Индикаторным КПД называется отношение тепла, эквивалентного индикаторной работе L_i, к общему или располагаемому количеству тепла Q_T, внесенному в цилиндр с топливом:

в системе СИ;

Для оценки совершенства дизеля как тепловой машины часто .пользуются удельным индикаторным расходом топлива, под которым понимают отношение часового расхода топлива G_T индикаторной мощности N_i:

(8.16)

Для выяснения связи между индикаторным КПД и удельным индикаторным расходом топлива принимаем, что индикаторная работа двигателя за 1 с равна его индикаторной мощности, а рас­полагаемое тепло за это же время равно Q_T.

Тепло Q_T определяется как произведение часового расхода топлива G_T на его низшую теплотворную способность H_u:

С учетом выражения (8.16)

В итоге индикаторный КПД будет выражен через удельный индикаторный расход топлива в системе СИ:

(19)

Для получения связи между индикаторным КПД и парамет­рами рабочего процесса запишем уравнение (19) для единич­ного цикла в виде

(22)

Цикловая подача топлива может быть получена из выражения (9) для коэффициента избытка воздуха:

(23)

Выразив в формуле (23) плотность воздуха во впускном коллекторе через давление p_k и температуру T_k

(24)

и подставив его в уравнение (8.22), после преобразований получим в системе СИ

(25)

Значение индикаторного КПД для четырехтактных дизелей составляет , для двухтактных −

Удельный индикаторный расход топлива в четырехтактных двигателях составляет ; в двухтактных — (g₁ выражается в граммах на киловатт-час).

1. Методы увеличений индикаторной мощности. Сравнение индикаторных показателей дизеля и двигателя с искровым зажиганием

Для анализа влияния различных факторов на индикаторную мощность и выявление путей ее повышения необходимо устано­вить зависимость индикаторной мощности от основных парамет­ров рабочего процесса.

Из уравнения (16) следует, что

(26)

Часовой расход топлива G_T при известном коэффициенте из­бытка воздуха можно выразить через часовой расход воздуха G_B, используя выражение для определения коэффициента избытка воздуха

Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет

Технико-экономические показатели работы двигателей

Как известно, мощность — это работа, совершенная в единицу времени. Кроме эффективной мощности для оценки технико-экономической эффективности двигателей используют индикаторную мощность Ni.

Индикаторная мощность — это мощность, развиваемая газами в цилиндрах двигателя.

Эффективная мощность меньше индикаторной вследствие того, что часть последней затрачивается на преодоление механических потерь в двигателе:

Мощность механических потерь Nm учитывает затраты части индикаторной мощности на преодоление сопротивлений трения движущихся деталей и приведение в действие вспомогательных устройств двигателя — масляного и водяного насосов, вентилятора, генератора, топливного насоса и др.

Механический коэффициент полезного действия двигателя (КПД) — отношение эффективной мощности к индикаторной:

При работе на номинальном режиме, т. е. при полном использовании мощности Ne, КПД автотракторных двигателей составляет 0,75…0,88. У дизелей КПД меньше, чем у карбюраторных двигателей, так как из-за более высокой степени сжатия выше затраты мощности на трение движущихся деталей.

Массу топлива, расходуемую двигателем при определенной загрузке в течение 1 ч, называют часовым расходом топлива GT (кг/ч). Топливную экономичность различных двигателей оценивают по удельному расходу топлива ge (г/(кВт-ч)), под которым подразумевают массу топлива в граммах, расходуемую за 1 ч на создание единицы эффективной мощности:

Номинальное значение ge современных автотракторных четырехтактных карбюраторных двигателей находится в пределах 280…300 г/(кВт-ч), а у дизелей — в пределах 220…260 г/(кВт-ч), т. е. дизели более экономичные, чем карбюраторные двигатели, за счет более высокой степени сжатия. Чем выше степень сжатия, тем экономичнее двигатель.

Применение на ряде современных бензиновых двигателей вместо карбюратора системы с впрыском топлива во всасывающий коллектор или непосредственно в цилиндр обеспечивает снижение ge по сравнению с карбюраторными двигателями. Наименее экономичными являются двухтактные двигатели, так как у них цилиндры продуваются горючей смесью, из-за чего часть ее уходит с отработавшими газами. Кроме того, их цилиндры хуже очищаются от продуктов сгорания.

Эффективность работы различных двигателей сравнивают не только по топливной экономичности, но и по литровой мощности и удельной массе.

Литровая мощность Nл — это отношение эффективной мощности Ne к рабочему объему двигателя, показывающее, насколько эффективно используется рабочий объем. Чем больше литровая мощность при других равных условиях, тем меньше габаритные размеры и масса двигателя. У тракторных дизелей Nл = 11…20 кВт/л.

Современная тенденция развития автотракторных двигателей характеризуется увеличением их полной эффективной и литровой мощностей, снижением удельного расхода топлива и масел, уменьшением металлоемкости и токсичности выбросов отработавших газов, повышением надежности и долговечности. Этим объясняется широкое применение дизелей с турбонаддувом, имеющим промежуточное охлаждение воздуха, поступающего в цилиндры, для повышения наполнения их воздухом. Многие зарубежные бензиновые двигатели вместо карбюраторов оснащают системой впрыска топлива, работающей в автоматическом режиме совместно с системой зажигания, что обеспечивает оптимальный режим работы обеих систем, повышение мощности и снижение расхода топлива, а также уменьшение токсичности выбросов отработавших газов. Такие «инжекторные» двигатели устанавливают и на некоторых отечественных легковых автомобилях.

Технико-экономические показатели двигателей определяют на специальных обкаточно-тормозных стендах, на которых замеряют загрузку двигателя и частоту вращения его коленчатого вала. По загрузке (показанию силоизмерительного механизма) определяют вращающий момент двигателя Мвр (Нм) как произведение силы на плечо ее приложения относительно оси вращения коленчатого вала. Частоту вращения этого вала n (мин-1) замеряют тахометром. Эффективную мощность двигателя рассчитывают по формуле:

Технико-экономические показатели при различных режимах работы (частоте вращения и нагрузке) оценивают по характеристикам. Характеристики — это графические выражения зависимости одного или нескольких показателей работы двигателя от другого независимого показателя. Характеристики строят по результатам испытаний двигателя на тормозном стенде.

Наиболее эффективно двигатель работает на режиме максимальной мощности. Частоту вращения коленчатого вала и вращающий момент двигателя на этом режиме называют номинальными. Недогрузка двигателя существенно влияет на производительность и топливную экономичность тракторов и автомобилей. Так, удельный расход топлива интенсивно растет при уменьшении Ne от максимального значения до нуля.