Прямой и косвенный методы определения коэффициента полезного действия
Прямой метод определения к. п. д. по экспериментальным значениям P1 и P2 согласно формуле (1) может дать существенную неточность, поскольку, во-первых, P1 и P2 являются близкими по значению и, во-вторых, их экспериментальное определение связано с погрешностями. Наибольшие трудности и погрешности вызывает измерение механической мощности.
Если, например, истинные значения мощности P1 = 1000 кВт и P2 = 950 кВт могут быть определены с точностью 2%, то вместо истинного значения к. п. д.
η = 950/1000 = 0,95
можно получить
или
Поэтому ГОСТ 25941-83, "Машины электрические вращающиеся. Методы определения потерь и коэффициента полезного действия", предписывает для машин с η% ≥ 85% косвенный метод определения к. п. д., при котором по экспериментальным данным определяется сумма потерь pΣ.
Подставив в формулу (1) P2 = P1 - pΣ, получим
| (3) |
Применив здесь подстановку P1 = P2 + pΣ, получим другой вид формулы:
| (4) |
Так как более удобно и точно можно измерять электрические мощности (для двигателей P1 и для генераторов P2), то для двигателей более подходящей является формула (3) и для генераторов формула (4). Методы экспериментального определения отдельных потерь и суммы потерь pΣописываются в стандартах на электрические машины и в руководствах по испытанию и исследованию электрических машин. Если даже pΣ определяется со значительно меньшей точностью, чем P1 или P2, при использовании вместо выражения (1) формул (3) и (4) получаются все же значительно более точные результаты.
Условия максимума коэффициента полезного действия
Различные виды потерь различным образом зависят от нагрузки. Обычно можно считать, что одни виды потерь остаются постоянными при изменении нагрузки, а другие являются переменными. Например, если генератор постоянного тока работает с постоянной скоростью вращения и постоянным потоком возбуждения, то механические и магнитные потери являются также постоянными. Наоборот, электрические потери в обмотках якоря, добавочных полюсов и компенсационной изменяются пропорционально Iа², а в щеточных контактах – пропорционально Iа. Напряжение генератора при этом также приблизительно постоянно, и поэтому с определенной степенью точности P2 ∼ Iа.
Таким образом, в общем, несколько идеализированном случае можно положить, что
или
P2 = kнг × P2н, | (5) |
где коэффициент нагрузки
Kнг = I / Iн = P2 / P2н | (6) |
Определяет относительную величину нагрузки машины.
Суммарные потери также можно выразить через kнг:
pΣ = p0 + kнг × p1 + kнг² × p2, | (7) |
где p0 – постоянные потери, не зависящие от нагрузки; p1 – значение потерь, зависящих от первой степени kнг при номинальной нагрузке; p2 – значение потерь, зависящих от квадрата kнг, при номинальной нагрузке.
Подставим P2 из (5) и pΣ из (7) в формулу к. п. д.
Тогда
| (8) |
Установим, при каком значении kнг к. п. д. достигает максимального значения, для чего определим производную dη/dkнг по формуле (8) и приравняем ее к нулю:
Это уравнение удовлетворяется, когда его знаменатель равен бесконечности, т. е. при kнг = ∞. Этот случай не представляет интереса. Поэтому необходимо положить равным нулю числитель. При этом получим
p0 = kнг² × p2. | (9) |
Таким образом, к. п. д. будет максимальным при такой нагрузке, при которой переменные потери kнг² × p2, зависящие от квадрата нагрузки, становятся равными постоянным потерям p0.
Значение коэффициента нагрузки при максимуме к. п. д., согласно формуле (9),
| (10) |
Если машина проектируется для заданного значения ηмакс, то, поскольку потери kнг × p1 обычно относительно малы, можно считать, что
p0 + p2 ≈ pΣ = const.
Изменяя при этом соотношение потерь p0 и p2, можно достичь максимального значения к. п. д. при различных нагрузках. Если машина работает большей частью при нагрузках, близких к номинальной, то выгодно, чтобы значение kнг [смотрите формулу (10)] было близко к единице. Если машина работает в основном при малых нагрузках, то выгодно, чтобы значение kнг [смотрите формулу (10)] было соответственно меньше.
9Способы возбуждения машин постоянного тока |
Работа и свойства электрических машин постоянного тока (как генераторов, так и двигателей) в значительной степени зависят от способа возбуждения в них магнитного потока. Действительно, магнитный поток входит множителем как в выражение ЭДС, так и в выражение электромагнитного момента, поэтому необходимо знать, как создается магнитный поток, от каких величин он зависит, как и для какой цели нужно изменять его значение.
Во всех машинах на возбуждение расходуется от 0,5 % до 5 % номинальной мощности машины, причем первое значение относится к очень мощным машинам, а второе — к машинам мощностью около 1 кВт. |
10 Генераторы независимого возбуждения
Определение. Генераторами независимого возбуждения называются генераторы постоянного тока, обмотка возбуждения которых питается постоянным током от постороннего источника электрической энергии (сеть постоянного тока, выпрямитель, аккумулятор и др.) или у которых магнитный поток создается постоянными магнитами.
Схема генератора. Схема генератора независимого возбуждения изображена на рис. 1.16. Якорь генератора приводится во вращение от приводного двигателя ПД.
Цепь якоря электрически не соединена с цепью возбуждения, поэтому ток нагрузки I и ток якоря Iя – это один и тот же ток (I = Iя). Цепь возбуждения питается от постороннего источника постоянного тока. В нее включают регулировочный реостат R p, предназначенный для регулирования тока возбуждения Iв, магнитного потока возбуждения и в конечном счете ЭДС и напряжения генератора.
11 Генераторы с самовозбуждением.
Принцип самовозбуждения генератора
с параллельным возбуждением
Недостатком генератора с независимым возбуждением является необходимость иметь отдельный источник питания. Но при определенных условиях обмотку возбуждения можно питать током якоря генератора.
Самовозбуждающиеся генераторы имеют одну из трех схем: с параллельным, последовательным и смешанным возбуждением. На рис. 10 изображен генератор с 
параллельным возбуждением.
Обмотка возбуждения подключена параллельно якорной обмотке. В цепь возбуждения включен реостат Rв. Генератор работает в режиме холостого хода.
Чтобы генератор самовозбудился, необходимо выполнение определенных условий.
Первым из этих условий является наличие остаточного магнитного потока между полюсами. При вращении якоря остаточный магнитный поток индуцирует в якорной обмотке небольшую остаточную ЭДС.
Рис. 10
Вторым условием является согласное включение обмотки возбуждения. Обмотки возбуждения и якоря должны быть соединены таким образом, чтобы ЭДС якоря создавала ток, усиливающий остаточный магнитный поток. Усиление магнитного потока приведет к увеличению ЭДС. Машина самовозбуждается и начинает устойчиво работать с каким-то током возбуждения Iв = const и ЭДС Е = const, зависящими от сопротивления Rв в цепи возбуждения.
Третьим условием является то, что сопротивление цепи возбуждения при данной частоте вращения должно быть меньше критического. Изобразим на рис. 11 характеристику холостого хода генератора E = f (Iв) (кривая 1) и вольт - амперную характеристику сопротивления цепи возбуждения Uв = Rв·Iв, где Uв - падение напряжения в цепи возбуждения. Эта характеристика представляет собой прямую 
линию 2, наклоненную к оси абсцисс под углом γ (tg γ ~ Rв).
Ток обмотки возбуждения увеличивает магнитный поток полюсов при согласном включении обмотки возбуждения. ЭДС, индуцированная в якоре, возрастает, что приводит к дальнейшему увеличению тока обмотки возбуждения, магнитного потока и ЭДС. Рост ЭДС от тока возбуждения замедляется при насыщении магнитной цепи машины.
Рис. 11
Падение напряжения в цепи возбуждения пропорционально росту тока. В точке пересечения характеристики холостого хода машины 1 с прямой 2 процесс самовозбуждения заканчивается. Машина работает в устойчивом режиме.
Если увеличим сопротивление цепи обмотки возбуждения, угол наклона прямой 2 к оси тока возрастает. Точка пересечения прямой с характеристикой холостого хода смещается к началу координат. При некотором значении сопротивления цепи возбуждения Rкр, когда
γ = γкр, самовозбуждение становится невозможным. При критическом сопротивлении вольт - амперная характеристика цепи возбуждения становится касательной к прямолинейной части характеристики холостого хода, а в якоре появляется небольшая ЭДС.
12Генератор последовательного возбуждения Рис. 7-14. Схема генератора последовательного возбуждения |
13Генератор со смешанным возбуждением. В этом генераторе (рис. 8.51,а) имеются две обмотки возбуждения: основная (параллельная) и вспомогательная (последовательная). Согласное включение двух обмоток позволяет получить приблизительно постоянное напряжение генератора при изменении нагрузки. Внешнюю характеристику генератора (рис. 8.51,б) в первом приближении можно представить в виде суммы характеристик, создаваемых каждой из обмоток возбуждения. При включении одной параллельной обмотки, по которой проходит ток возбуждения Iв1, напряжение генератора U постепенно уменьшается с увеличением тока нагрузки Iн (кривая 1). При включении одной последовательной обмотки, по которой проходит ток возбуждения Iв2 = Iн, напряжение возрастает с увеличением тока Iн (кривая 2).
Рис. 8.51. Схема генератора со смешанным возбуждением (а) и его внешние характеристики (б) |
|
Подбирая число витков последовательной обмотки так, чтобы при номинальной нагрузке создаваемое ею напряжение ΔUпосл компенсировало суммарное падение напряжения ΔU при работе машины с одной только параллельной обмоткой, можно добиться, чтобы напряжение Uпри изменении тока нагрузки от нуля до Iном оставалось почти неизменным (кривая 3). Практически оно изменяется в пределах 2 — 3%. Увеличивая число витков последовательной обмотки, можно получить характеристику, при которой напряжение Uном > U0 (кривая 4); такая характеристика обеспечивает компенсацию падения напряжения не только во внутреннем сопротивлении ΣRа генератора, но и в линии, соединяющей его с нагрузкой. Если последовательную обмотку включить так, чтобы МДС была направлена против МДС параллельной обмотки (встречное включение), то внешняя характеристика генератора при большом числе витков последовательной обмотки будет крутопадающей (кривая 5). Встречное включение последовательной и параллельной обмоток возбуждения применяют в сварочных генераторах и других специальных машинах, где требуется ограничить ток к. з.
14 Двигатели постоянного тока предназначены для превращения энергии постоянного тока в механическую работу.
Электродвигатели постоянного тока, намного меньше распространены, нежели двигатели переменного тока. Это связано в первую очередь со сравнительной дороговизной, более сложным устройством, сложностями в обеспечении питания. Но, несмотря на все эти недостатки, ДПТ имеют немало плюсов. Например, двигатели переменного тока, сложно регулировать, ДПТ же отлично регулируются массой способов. Кроме того ДПТ имеют более жесткие механические характеристики и позволяют обеспечить большой пусковой момент.
Электродвигатели постоянного тока применяются в качестве тяговых двигателей, в электротранспорте, в качестве различных исполнительных устройств.
Устройство двигателей постоянного тока
Конструкция двигателя постоянного тока аналогична двигателю переменного тока, но все же имеются существенные различия. На станине 7, которая изготавливается из стали, установлена обмотка возбуждения в виде катушек 6. Между основными полюсами, могут устанавливаться дополнительные полюса 5, для улучшения свойств ДПТ. Внутри устанавливается якорь 4, который состоит из сердечника и коллектора 2, и устанавливается с помощью подшипников 1 в корпус двигателя. Коллектор является существенным отличием от двигателей переменного тока. Он соединяется с щетками 3, что позволяет подавать или в генераторах, наоборот снимать напряжение с якорной цепи.
Принцип действия
Принцип действия ДПТ основан на взаимодействии магнитных полей обмотки возбуждения и якоря. Можно представить, что вместо якоря у нас рамка, через которую протекает ток, а вместо обмотки возбуждения постоянный магнит с полюсами N и S. При протекании постоянного тока через рамку, на нее начинает действовать магнитное поле постоянного магнита, то есть рамка начинает вращаться, причем, так как направление тока не меняется, то и направление вращения рамки остается прежним.
При подаче напряжения на зажимы двигателя начинает протекать ток в обмотке якоря, на него, как мы уже знаем, начинает действовать магнитное поле машины, при этом якорь начинает вращаться, а так как якорь вращается в магнитном поле, начинает образовываться ЭДС. Эта ЭДС направлена против тока, в связи с этим её называют противоЭДС. Её можно найти по формуле
Где Ф – магнитный поток возбуждения, n – частота вращения, а Cе это конструктивный момент машины, который остается для нее постоянным.
Напряжение на зажимах больше чем противоЭДС на величину падения напряжение в якорной цепи.
А если домножить это выражение на ток, то получим уравнение баланса мощностей.
Левая часть уравнения UIя представляет собой мощность подаваемая электродвигателю, в правой части первое слагаемое EIя представляет собой электромагнитную мощность, а второе IяRя мощность потерь в цепи якоря.
Пуск двигателей постоянного тока
Наиболее распространенными являются следующие способы пуска двигателей постоянного тока: прямой, при котором обмотка якоря непосредственно подключается к источнику постоянного напряжения: реостатный с помощью пускового реостата, который включается в цепь якоря, а также пуск при пониженном напряжении, подводимом к якорю. В двигателях постоянного тока падение напряжения в цепи якоря обычно не превышает 5... 10 % от номинального напряжения. Поэтому при прямом пу ске ток в якоре превышает номинальное значение в 10... 15 раз. Подобное увеличение силы тока недопустимо ни для сети, питаюшей двигатель, ни для коллектора и обмотки, ни для рабочего механизма, с которым соединен вал якоря. По этой причине прямой пуск применяется для двигателей, мощность которых не превышает 1 кВт. Наибольшее распространение получил реостатный пуск. Для ограничения пускового тока в цепь якоря двигателя включают пусковой реостат. Сопротивление пускового реостата рассчитывают из условия, чтобы пусковой ток не превышал 2-2,5 номинального значения. Следует помнить, что пусковой реостат предназначен для кратковременной работы. Поэтому по мере увеличения частоты вращения якоря сопротивление пускового реостата уменьшают. На крышке пускового реостата имеется указатель двух предельных режимов. Этим режимам соответствуют надписи "СТОП" и "ХОД". Надпись "СТОП" соответствует размыканию цепи обмотки якоря, что делает невозможным пуск двигателя. Надпись "ХОД" соответствует нулевому сопротивлению пускового реостата. В процессе пуска ручка пускового реостата плавно переводится из положения "СТОП" в положение "ХОД". Пуск происходит быстро и легко, если двигатель развивает пусковой момент. превышающий момент сопротивления на валу. Поэтому пуск производят при максимальном магнитном потоке. С этой целью перед пуском двигателя сопротивление в цепи обмотки возбуждения рекомендуется полностью вывесОграничение пу скового тока достигается также в случае пуска при пониженном напряжении, подводимом к якорю двигателя от источника с регулируемым напряжением. Механическая характеристика двигателя постоянного тока п способы регулирования его частоты врашения Зависимость установившейся частоты врашения якоря от момента на валу- двигателя при постоянном напряжении и сопротивлении цепи якоря называется механической характеристикой двигателя. Для получения уравнения механической характеристики запишем выражение второго закона Кирхгофа для цепи якоря: где индуктируемая в обмотке якоря. С учетом ее значения уравнение, записанное относительно частоты вращения. примет вид Из уравнения следует, что регулировать частоту7 врашения двигателя можно тремя способами:
1) включением дополнительного сопротивления в цепь обмотки якоря (реостатное регулирование);
2) изменением магнитного потока (полюсное регулирование);
3) изменением питающего напряжения (якорное регулирование).
Рассмотрим эти способы регулирования на примере двигателей постоянного тока с параллельным и независимым способами возбуждения (как получивших наибольшее распространение при постоянном моменте нагрузки на валу. При отсутствии дополнительного сопротивления в цепи якоря и номинальных значениях магнитного потока обмотки возбуждения и напряжения механическая характеристика имеет вид прямой линии, наклоненной к оси абсцисс. Такая механическая характеристика называется естественной. Это очень пологая прямая. Уменьшение частоты вращения не превышает 6...7 % от номинального значения и обусловлено, главным образом, наличием внутреннего сопротивления обмотки якоря. Включение дополнительного сопротивления в цепь якоря позволяет получить семейство искусственных механических характеристик. Все эти характеристики расположены ниже естественной. Реостатный способ регулирования находит широкое применение, так как позволяет получить любую пониженную частоту врашения при заданном моменте нагрузки на валу. К недостаткам данного способа относятся: 1) трудность поддержания частоты врашения при изменении момента нагрузки: 2) дополнительные потери мощности на регулировочном реостате, включенном в цепь обмотки якоря. Изменение сопротивления в цепи обмотки возбуждения (полюсное регулирование) позволяет варьировать частоту вращения двигателя обратно пропорционально величине магнитного потока. Это обстоятельство следует иметь в виду, не допуская чрезмерного уменьшения тока в обмотке возбуждения. Одним из преимуществ полюсного регулирования является его экономичность. так как ток возбуждения в рассматриваемых двигателях не превышает 10 % от номинального значения тока якоря. Другим преимуществом этого способа является достаточно жесткие механические характеристики, т. е. изменение частоты вращения, не превышающее 5 % номинального значения во всем диапазоне работы двигателя. Недостатком полюсного регулирования является то. что изменение магнитного потока можно производить лишь в области, расположенной ниже естественной механической характеристики, тогда как чаще требуется понижение частоты вращения. Якорное регулирование за счет изменения величины подводимого напряжения применяется, главным образом, в двигателях с независимым возбуждением. Пусковой реостат в этом случае не требуется, так как пуск начинается при пониженном напряжении, которое можно плавно повысить. Для изменения направления врашения двигателя необходимо изменить направление тока в обмотке возбуждения или полярность приложенного напряжения. Одновременное изменение двух указанных параметров не изменяет направление вращения якоря.
15,16,17 Рабочие характеристики ДПТ называют зависимости КПД η, тока Iя, момента M, частоты n, подводимой мощности P1 от полезной мощности P2.
Важнейшим энергетическим показателем машины постоянного тока является КПД η = P2/P1. КПД зависит от величины потерь мощности ΔP = P1 – P2. Потери мощности слагаются из следующих основных видов: 1) потери в обмотке якоря ΔP = RяIя2; 2) потери в стали ΔPс, вызываемые вихревыми токами и перемагничиванием якоря при его вращении; 3) механические потери ΔPм от трения в подшипниках, щеток о коллектор, якоря о воздух; 4) потери в обмотке возбуждения ΔPв = RвIв2.
На рис., а приведены рабочие характеристики ДПТ параллельного возбуждения, а на рис. б – последовательного. Последние характеристики в опасной для двигателя зоне малых нагрузок 0¸Pmin показаны пунктиром. КПД машин постоянного тока растет с увеличением номинальной мощности (в)
17Рабочие характеристики электродвигателя постоянного тока со смешанным возбуждением (компаундному электродвигателю) до некоторой степени присущи свойства рассмотренных выше электродвигателей с параллельным и последовательным возбуждением. Данный электродвигатель снабжается двумя обмотками возбуждения: последовательной и параллельной.
Принципиальная схема такого электродвигателя приведена на рис. 31, где последовательная обмотка обозначена СОВ, а параллельная— ШОВ. Обычно на клеммных коробках электродвигателей обозначают: выводы от последовательной обмотки С 1 и С 2, выводы от параллельной обмотки — Ш 1 и Ш 2, а выводы от обмотки якоря — Я 1 и Я 2. На схемах же указанные обмотки могут обозначаться по-разному: СОВ и ШОВ, С 1— С 2 и Ш 1— Ш 2.
Последовательная и параллельная обмотки возбуждения могут включаться двояким образом. В одних случаях они включаются так, чтобы создаваемые ими ампер-витки, а следовательно, и магнитные потоки складывались. Такое включение обмоток принято называть согласным. Очевидно, что при согласном включении результирующий магнитный поток электродвигателя
В других случаях обмотки возбуждения включаются в цепь таким образом, чтобы создаваемые ими ампер-витки (и магнитные потоки) были направлены навстречу друг другу. Такое включение обмоток называют встречным. При встречном включении результирующий магнитный поток электродвигателя
Дата добавления: 2015-08-27; просмотров: 85 | Нарушение авторских прав
| <== предыдущая лекция | | | следующая лекция ==> |
