ПОТЕРИ В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИНАХ ПОСТОЯННОГО ТОКА

И КОЭФФИЦИЕНТ ПОЛЕЗНОГО ДЕЙСТВИЯ

§ 8.1. Виды потерь

При работе электрической машины часть потребляемой ею энергии теряется бесполезно и рассеивается в виде тепла, нагревая отдельные части машины. Потери в электрических машинах подразделяют на основные и добавочные. Основные потери возникают в результате происходящих в машине основных электромагнитных и механических процессов, а добавочные - вследствие продольной пульсации потока, обусловленной зубчатостью якоря, от неравномерного распределения в пазу основного магнитного потока и др. Независимо от режима, в котором работает машина (генератором или двигателем), основные потери подразделяются на электрические, магнитные или потери в стали, и механические.

Электрические потери. Электрические потери в каждой обмотке Pai = I2R- Сопротивление обмотки зависит от ее температуры. Поэтому ГОСТ 2582-72 предусматривает определение потерь в обмотках при расчетной температуре 75° С для классов изоляции обмоток А; 115° С для классов изоляции Е и В; 130° С для классов F и Н. Обычно рассчитывают потери в цепи якоря Лш.я=/я2я и в цепи возбуждения РЭл.в=£Лз/в (для параллельной обмотки возбуждения) . При температуре В сопротивление обмотки

Яе=#о[1 + а(8-ео)], (8Л)

где R0 - сопротивление обмотки при температуре Во; а - температурный коэффициент сопротивления (для меди а=0,004). К электрическим потерям относят также потери в щеточных контактах. Для двух щеток различной полярности величина потерь РВп.щ= =Ас/щ/я, где Af/щ - переходное падение напряжения на щетках, принимаемое е соответствии с маркой щеток: для угольных и графитных 2 В, для металло-графитных 0,6 В.

Магнитные потери. Магнитные потери включают в себя потери на гистерезис и вихревые токи, вызванные перемагничиЕанием стали. Величина магнитных потерь зависит от магнитной индукции и частоты перемагничивания сердечника якоря f; так как f=pn/60 и не зависит от нагрузки машины, то при п = const их можно считать постоянными. Потери от гистерезиса (Вт/кг)

Рг=сг/£2100, (8.2)

где cr=3,2-f-4,4 - коэффициент, зависящий от марки стали; f=pn/60 - частота перемагничивания; В - наибольшее значение магнитной индукции в стали. Потери от вихревых tokoe

Pm=°m{fBiWQf, (8.3)

где Свих - коэффициент, зависящий от марки и толщины листов стали (для слабо-и среднелегированных марок стали ow= 3,6--2,9, для высоколегированной аВИх = 1-0,6).

Механические потери. Механические потери Рмех состоят из потерь в подшипниках, на трение щеток о коллектор и вентиляционных (потери на трение о воздух вращающихся частей машины). Потери в подшипниках зависят от типа подшипников, от состояни трущихся поверхностей, вида смазки и др. При работе электрической машины эти потери зависят только от частоты вращения и не зависят от нагрузки. Потери в подшипниках Рпш^&трРшнУш, где &Тр - коэффициент трения; FUm - давление на подшипник; vm - частота Еращения шейки вала. Потери на трение щеток РТр.щ = = 6rPfinSiH,fK, где - удельное давление на щетку; Бщ - контактная поверхность всех щеток; vK - окружная скорость коллектора. Потери на вентиляцию РЕен зависят от конструкции машины и рода вентиляции. В самовентилируемых машинах со встроенным вентилятором потери на вентиляцию PseaknenQv2, где &вен - коэффициент; Q - количество вентилируемого воздуха, м3/с; v - скорость на внешней окружности вентилятора, м/с. Общие механические потери £мех=Ашх+Ртрлц+Рвеп- Сумма магнитных и механических потерь составляет потери х. х. Ро=Рс + Риех-

Добавочные потери. Добавочные потери трудно учитываемые - это потери в полюсных наконечниках, возникающие при вращении якоря и обусловленные его зубчатостью, потери в стали якоря вследствие искажения основного поля реакцией якоря и др. Поэтому в машинах без компенсационной обмотки величину добавочных потерь принимают равной 1 % от полезной мощности для генераторов или 1 % от подводимой мощности для двигателей. В машинах с компенсационной обмоткой величина добавочных потерь принимается равной 0,5%.

§ 8.2. Коэффициент полезного действия

Зная потери в машине, можно определить коэффициент полезного действия (к. п. д.) машины. Как известно, для генераторов к. п. д. представляет собой отношение электрической полезной мощности к механической мощности на валу: rj = P2lOO°/o/i- Здесь Pi = P2+2P, где ЕР - сумма всех потерь в машине; P2=UI для генератора; U - напряжение на зажимах генератора; / - ток, отдаваемый им в сеть. Тогда для генератора

\=Р21(Р2+11Р)-и11(и/-т-ХР)=1-11Р1(Ш + У:Р). (8.4)

В двигателях подводимая мощность P\=UI, где V- напряжение на зажимах двигателя, / - потребляемый двигателем ток. Тогда для двигателя

Ч=(А -2 P)IPx={UJ--ZP)l{UJ) = \-%Р1(Ш). (8.5)-

Так как к. п. д. машины зависит от суммы потерь, то он - величина непостоянная, т. е. зависит от нагрузки. При х. х. машин, ког-

да полезная мощность равна нулю, к. п. д. = 0. По мере увеличения нагрузки к. п. д. машины быстро увеличивается. Наибольшее значение он имеет при нагрузке, равной (0,8-1)РНом, когда постоянные потери равны переменным. При значительных перегрузках вследствие увеличения потерь в сопротивлениях цепи якоря к. п. д. снова снижается. Иа рис. 8.1 представлена зависимость к. п. д. машины ?1=/(/) при U=UU0M=const и rt=rtHOM=const. Современные электрические машины имеют высокий к. п. д. Так, для машин постоянного тока мощностью 10 кВт к. п. д. т] = 0,83-0,87; мощностью 100 кВт; 11 = 0,88-4-0,93; мощностью 1000 кВт г) = 0,92-4-0,96. Машины малой мощности имеют меньшее значение к. п. д., например для двигателя мощностью 10 Вт т) = 0,3-0,4. Применяемые методы опытного определения к. п. д. разделяют на прямой и косвенный. Существует ряд способов прямого определения к. п. д. по экспериментальным значениям Pi и Р2:

а) способ двигателя-генератора, при котором две одинаковые машины соединяются на одном валу, причем одна из них работает двигателем, а другая - генератором;

б) способ тарированной машины, при котором испытуемая машина служит двигателем и приводит во вращение тарированную электромашину;

в) способ двигателя, при котором испытуемая машина работает в режиме двигателя. Прямой метод определения к. п. д. может дать существенную неточность, поскольку, во-первых, Pi и Р2 являются близкими величинами, и Ео-вторых, их экспериментальное определение связано с погрешностями. Поэтому ГОСТ 11828-72 предписывает для машины с Г]>70% косвенный способ определения к. п. д., при котором по экспериментальным данным определяют сумму потерь ЕР.

Рис. 8.1. Зависимость к. п. д. от нагрузки

Глава 9

СПЕЦИАЛЬНЫЕ МАШИНЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА

§ 9.1. Электромашинные усилители

В современных производственных электроустановках широко применяют системы непрерывного автоматического регулирования и управления. Один из основных элементов этой системы - усилитель мощности. Существуют различные типы усилителей: электронные, электромагнитные и электромашинные. Последние представляют собой специальную разновидность электромашинных генераторов, которые приводятся ео Еращение приводными электродвигателями с п = const. Эти машины позволяют получить при малой мощности управления на выходе достаточно большую мощность за счет мощности, получаемой от приводного двигателя. Одной из основных характеристик электромашинных усилителей (ЭМУ)