Файл: Пиотровский Л.М. Электрические машины учебник.pdf

Г л а ва ш естая

ПОТЕРИ И КОЭФФИЦИЕНТ ПОЛЕЗНОГО ДЕЙСТВИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН

6-1. Виды потерь

В электрических машинах при основном процессе преобразования подведенной энергии (механической или электрической) в полезно используемую энергию (электрическую или механическую), часть энергии превращается в другие, неиспользуемые виды энергии, глав­ ным образом тепловую. Наличие неиспользуемой энергии уменьшает коэффициент полезного действия и вызывает нагревание частей элект­ рической машины.

При изучении работы машины обычно рассматривается подведен­ ная и полезная энергия за единицу времени, т. е. подведенная и полезная мощность, поэтому неиспользуемая энергия определяется также за единицу времени и называется потерей мощности или по­ терями.

94

Потери в электрической матине делятся на основные и добавоч­ ные. К основным потерям относятся: 1) электрические потери, вы­ званные током в проводниках, 2) магнитные потери, связанные с за­ тратой энергии на перемагничивание стальных участков магнито­ провода, 3) механические потери, обусловленные наличием трения между вращающимися и неподвижными частями машины.

6-2. Электрические потери

К этой группе относятся потери в обмотках, в скользящем кон­ такте, в пусковых и регулировочных сопротивлениях. Согласно закону Джоуля — Ленца электрические потери в проводнике с то­ ком / вычисляются по формуле

Так как сопротивление г зависит от температуры, то электриче­ ские потери соответствуют определенному тепловому состоянию проводника. Если известно сопротивление г0 при температуре й0, то при другой температуре й сопротивление проводника будет

Температурный коэффициент сопротивления для большинства чистых металлов можно принимать а = 0,004.

А. Потери в обмотках. Вычисление потерь в обмотках произво­ дится по формуле (6-1). Обмотки, образующие цепь якоря, включены последовательно, поэтому потери в этой цепи пропорциональны току обмотки якоря во второй степени. В некоторых случаях для регулирования намагничивающей силы добавочных полюсов парал­ лельно их обмотке включается сопротивление, тогда при вычислении потерь на этом участке якорной цепи необходимо учитывать рас­ пределение тока между обмоткой и шунтирующим сопротивлением.

При определении к. п. д. электрических машин должны быть также учтены потери в регулировочных реостатах, которые обычно включаются в цепь параллельного и независимого возбуждения.

Для того чтобы не производить измерение сопротивления реоста­

Для определения теплового состояния обмотки возбуждения ис­ пользуется значение потерь, вычисленных по формуле (6-1).

При работе электрической машины ток возбуждения обычно сох­ раняется неизменным, поэтому потери в цепи параллельного и неза­ висимого возбуждения не зависят от нагрузки машины.

Б. Потери в скользящем контакте. Прохождение тока через скользящий контакт между щеткой и коллектором вызывает потери, для вычисления которых также пригодна формула (6-1). Однако сопротивление контакта щетки с коллектором изменяется в зависи­ мости от многих факторов, в том числе и от плотности тока (при мед­

95

ленном изменении тока). Кроме того, измерение сопротивления сколь­ зящего контакта связано с большими трудностями и не дает надеж­ ных результатов, поэтому определение потерь в скользящем контакте производится по более устойчивой характеристике — переходному падению напряжения. При угольных и графитных щетках падение напряжения в контакте остается практически постоянным, начиная с небольшой плотности тока (§ 5-8).

Все щетки одной полярности соединены параллельно и общий ток этих щеток равен току / 2 обмотки якоря. Потери в контакте всех щеток вычисляются по формуле

независящим от тока и равным: для угольных и графитных щеток 2 в, для металло-графитных 0,6 в.

При напряжении машины выше 200 в потери в контакте щеток сравнительно небольшие и отмеченная условность их определения не отражается на точности вычисления к. п. д. Если напряжение ма­ шины меньше 200 в, то относительная величина потерь в контакте ще­ ток возрастает и при необходимости их уточнения следует брать Д£/щ для принятой марки щетки согласно ГОСТ 2332—63.

6-3. Магнитные потери

Магнитные потери возникают в стальных участках магнитопро­ вода машины при перемагничивании. Потери в стали слагаются из потерь от гистерезиса и потерь от вихревых токов.

А. Потери от гистерезиса. Эти потери возникают вследствие того, что магнитная индукция в период намагничивания стали имеет большее значение, чем в период размагничивания при одной »той же намагничивающей силе. Различают: а) статическое перемагничи­ ванію, получающееся при медленном изменении намагничивающего тока в определенных пределах; б) циклическое, производимое пере­ менным током, и в) вращательное, возникающее при вращении стали в магнитном поле.

Потери от гистерезиса в ваттах на килограмм массы при статиче­ ском и циклическом перемагничиваниях определяются по формуле

Здесь аг — коэффициент, зависящий от марки стали (для обычной горячекатаной стали ог = 0,035 0,041); / = рп!60 — частота перемагничивания стали, гц; В — наибольшее значение магнитной ин­ дукции в стали, тл.

В машинах постоянного тока потери от гистерезиса имеют место в сердечнике якоря Р гх2 и в зубцах РГ,32. В сердечнике якоря воз­ никает вращательное перемагничиванію, в зубцах — циклическое. При определении потерь в отдельных частях машины необходимо вводить поправочные коэффициенты, учитывающие влияние обра­ ботки стали и характер перемагничивания. .

96

Б. Потери от вихревых токов. Вследствие перемагничивания стали якоря в ней появляются вихревые токи, которые, замыкаясь в стали якоря, вызывают дополнительные потери мощности.

Потери от вихревых токов в ваттах на килограмм массы опреде­

где (Тв.т — коэффициент, зависящий от толщины листов стали и ее качества. Для слабо- и среднелегированных марок стали, т. е. стали с присадкой кремния 1,1—2,5%, он равен (5,1 4,4)-ІО"4; для вы­ соколегированной стали с содержанием кремния 4—5% и толщиной листа 0,35 мм ав.т = (2,1 -f- 1,3)-10“4.

Потери от вихревых токов возникают в тех же частях машин постоянного тока, что и потери от гистерезиса, т. е. в сердечнике и в зубцах. При определении потерь от вихревых токов необходимо вводить поправочные коэффициенты, учитывающие неравномерное распределение индукции по сечению рассматриваемого участка, вли­ яние обработки листов, сборки пакетов и т. д.

В. Основные магнитные потери. Обычно не рассчитывают отдельно потери Р г — от гистерезиса и Р вл, — от вихревых токов, так как практический интерес представляют общие потери в стали Рс = Р г Рвт. При расчете Рс исходят из величины так называе­ мых удельных потерь в стали Р с, возникающих в 1 кг массы стали данной марки при определенной частоте /, амплитуде индукции Вт и синусоидальной форме подведенного напряжения. Соответствую­ щие данные Р1,0/50! Рі',5/50 и РІ;7/5о для частоты / = 50 гц и индукций В т = 1,0; 1,5 и 1,7 тл приводятся в табл. 2-1 согласно ГОСТ 802—58.

Если частота и индукция отличаются от приведенных выше, то

Здесь ß — показатель степени, зависящий от марки стали; для слабо- и среднелегированных сталей ß = 1,4 ч- 1,6, для высоколегирован­

. Потери в стали рассматриваемой части электрической машины

ки и неравномерности распределения индукции по сечению участка магнитной цени; G0 — масса стали рассматриваемого участка маг­ нитной цепи, кг.

6-4. Механические потери

Механические потери вызываются наличием трения между вра­ щающимися и неподвижными частями машины: в подшипниках, скользящих контактах, ротора о воздух. К этой же группе потерь

относятся затраты энергии в единицу времени па вращение вентиля­ тора, встроенного в электрическую машину.

А. Потери в подшипниках. Основной частью подшипника сколь­ жения является втулка, в которой вращается шейка вала.

Смазка подшипников обычно производится минеральным маслом. При вращении вала масло непрерывно подается на шейку вала и образует масляный клин, разделяющий поверхности шейки и втулки, й трение происходит между слоями смазочного масла. Силы, тормозя­ щие движение при жидкостном трении, значительно меньше, чем при скольжении непосредственно соприкасающихся твердых поверх­ ностей, поэтому потери, нагревание и износ рабочих поверхностей также уменьшаются при смазке подшипников.

При неподвижном роторе или низкой скорости вращения шейка вала соприкасается с втулкой и возникает полусухое трение, поэтому для уменьшения сил трения и износа трущихся поверхностей необ­ ходимо применять специальные материалы для рабочей поверхности втулки.

Потери в подшипниках зависят от вязкости и количества смазки, чистоты обработки трущихся поверхностей, параметров шейки вала: окружной скорости ѵш, длины Іш и диаметра dm рабочей поверхно­ сти втулки шейки вала, а также от зазора между шейкой вала и втул­ кой.

Для упрощения расчета силы, возникающие при жидкостном трении, рассматриваются так же как и при сухом трении твердых тел, и потери на трение в подшипниках в этом случае определяются по

Нагрузка на подшипник может быть выражена через среднее дав­ ление рш шейки вала на втулку и размеры шейки вала

тогда

(6-1 0 )

При жидкостном третій коэффициент р является переменной ве­ личиной и зависит от вязкости смазочного масла. При постоянной температуре йш и скорости г;ш, коэффициент р изменяется обратно пропорционально давлению рш (до значения рш = 400-104 н/м2). При постоянном давлении рш и скорости ѵш коэффициент р обратно пропорционален температуре йш (если 10° С < йщ < 50° С). При постоянной температуре йш и давлении рш коэффициент р изме­ няется пропорционально ѵш5 (если 0,5 < ѵт < 4 місек) и не зависит от скорости шейки вала, если ѵш> 10 місек.

Учет перечисленных зависимостей коэффициента трения позво­ ляет установить следующие формулы для потерь в одном нодшип-

98