2086

Значения удельных магнитных потерь Руд и показателя степени регламентированы стандартом для различных марок холоднокатаной электротехнической стали при толщине листов 0,5 мм

Основные магнитные потери можно определить как сумму потерь в зубцах и ярме сердечника якоря

Pм Pz Pj .

Добавочные потери мощности

К добавочным электрическим потерям мощности относятся: добавочные потери мощности на вихревые токи в обмотке якоря,

вызываемые зубчатым строением якоря; добавочные потери мощности на вихревые токи в обмотке якоря,

связанные с процессом коммутации (добавочные коммутационные потери); добавочные потери мощности на вихревые токи в коллекторных

пластинах.

К добавочным магнитным потерям мощности относятся:

потери мощности на гистерезис и вихревые токи в полюсных наконечниках от пульсации потока в зазоре, вызванной зубчатым строением якоря;

потери мощности, связанные с искажением распределения магнитного потока в зазоре при нагрузке из-за реакции якоря.

Классификацию добавочных потерь можно продолжить, но определение этих потерь связано со сложностью оценки второстепенных явлений, их вызывающих. Поэтому добавочные потери в машине постоянного тока учитываются некоторой процентной надбавкой к сумме прочих потерь мощности в машине. При проектировании электрических машин и определении КПД добавочные потери при номинальной нагрузке определяются в процентах от отдаваемой мощности для генераторов и от подводимой мощности для двигателей:

для некомпенсированных машин

Рдоб = 0,01Uн Iн ;

для компенсированных машин

Рдоб = 0,005 Uн Iн .

Указанные значения добавочных потерь относятся к номинальной нагрузке. При мощности отличной от номинальной, добавочные потери пересчитываются пропорционально квадрату тока нагрузки

где kдоб - коэффициент, учитывающий увеличение частоты вращения машины при ее регулировании ослаблением магнитного поля; kдоб зависит от отношения регулируемой частоты вращения к номинальной частоте

Суммарные потери мощности

Сумма потерь мощности Рскладывается из всех составляющих

Р Рмех Рэ Рм Рдоб .

Определив сумму потерь мощности, вычисляют коэффициент полезного действия машины при номинальной нагрузке.

Все перечисленные потери являются, так сказать, неизбежными потерями мощности. Кроме них, в машине могут появляться потери мощности, вызванные тем или иным недочетом в конструкции или в изготовлении машины. Их можно назвать непредвиденными потерями мощности. Так, например, увеличение потерь мощности в коммутируемых секциях якорной обмотки при неудовлетворительной коммутации; появление потерь мощности в крепежных соединениях, стягивающих пластины стали, в случае их неправильного расположения или плохой изоляции; увеличение потерь мощности в обмотке якоря в случаи неправильного распределения якорного тока между параллельными ветвями; появление потерь мощности на вибрацию электрических машин в случае их неудовлетворительного механического выполнения.

Максимальному значению КПД соответствует такая нагрузка, при которой постоянные потери машины будут равны переменным потерям, пропорциональным квадрату тока нагрузки. Учитывая, что машины постоянного тока работают в среднем при (0,6 0,7) номинальной

мощности, их целесообразно проектировать так, чтобы КПД достигал максимального значения при соответствующей нагрузке.

7.3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ НОМИНАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ

При номинальной нагрузке технические параметры двигателя определяются при последовательном выполнении следующих шагов:

1 шаг: предварительное значение потребляемой мощности

Р1н Рн Р ;

2 шаг: предварительное значение тока двигателя

3 шаг: номинальный ток якоря

Iн I1н Iв ;

4 шаг: ЭДС обмотки якоря

Ен Uн Iн R 2 Uщ ,

где R- сумма сопротивлений цепи якоря;

5 шаг: основной магнитный поток в воздушном зазоре

Ф60 а Ен ;

нN p n н

6 шаг: по основной характеристике намагничивания Ф = f (F ) определяется суммарное магнитное напряжение всех участков магнитной цепи главных полюсов F н , соответствующее Ф н ;

7 шаг: МДС системы возбуждения: при параллельном возбуждении

Fв F н Fqdн ;

при смешанное возбуждение

Fв F н Fqdн Fcн ,

где Fqdн - размагничивающее действии поперечной составляющей реакции якоря, определенное по переходной характеристике;

Fсн - МДС стабилизируещей обмотки при номинальной нагрузке;

8 шаг: уточненный номинальный ток возбуждения

9 шаг: уточненный номинальный ток двигателя

I1н Iн Iв ;

10 шаг: уточненное значение потребляемой мощности двигателя

Р1н Uн I1н ;

11 шаг: полезная мощность на валу двигателя

Р2н Ен Iн Ро Рдоб ,

где Ро - потери холостого хода

Ро Рмех Рм ;

12 шаг: коэффициент полезного действия

Р2н ;

н Р1н

13 шаг: вращающий момент на валу двигателя

7.4. РАСЧЕТ РАБОЧИХ ХАРАКТЕРИСТИК

Уточненные параметры машины при номинальном режиме работы используют для расчета соответствующих параметров при нагрузках, отличающихся от номинальной, в результате чего могут быть построены рабочие характеристики машины. К рабочим характеристикам двигателей относятся зависимости: n, М, , I, Р1 = f (Р2).

Рабочие характеристики двигателей рассчитывают при номинальных напряжении на зажимах цепи якоря и токе возбуждения.

Расчет рабочих характеристик двигателей проводится по следующему алгоритму:

1 шаг: задают коэффициент нагрузки

I

kн 0,1; 0,25; 0,5; 0,75; 1,25; 1,5; Iн

2 шаг: вычисляют ток якоря для данных коэффициентов нагрузки

I kн Iн

3 шаг: для каждого значения тока определяют значение ЭДС

Е Uн I R 2 Uщ ;

4 шаг: для каждого коэффициента нагрузки находят значение размагничивающего действия реакции якоря

Fqd kн Fqdн ,

где Fqdн - размагничивающее действие реакции якоря при номинальной нагрузке (определено по переходной характеристике);

5 шаг: определяют суммарное магнитное напряжение всех участков магнитной цепи, считая МДС обмотки возбуждения постоянной величиной, определенной при номинальном режиме работы (Fв = const)

при параллельном возбуждении

F Fв Fqd Fd ,

при смешанном возбуждении

F Fв Fqd Fd Fc ,

где Fc kн Fсн ;

6 шаг: по характеристике намагничивания Ф = f (F ) определяют значения магнитного потока, соответствующие значениям F ;

7 шаг: частота вращения определяется для полученных значений ЭДС и магнитного потока по формуле

8 шаг: рассчитывается ток двигателя

I1 I Iв ,

9 шаг: определяется потребляемая мощность

Р1 I1 Uн ;

10 шаг: вычисляется полезная мощность на валу двигателя для каждого тока нагрузки

Р2 E I Po k н2 Рдоб ;

11 шаг: определяется КПД по рассчитанным значениям Р1 и Р2

Р2 ; Р1

12 шаг: вычисляется вращающий момент на валу двигателя

Расчетные данные сводятся в таблицу. На основании проведенного расчета строятся рабочие характеристики двигателя.

ПРИ ВЫПОЛНЕНИИ КУРСОВОГО ПРОЕКТА НЕОБХОДИМО:

Рассчитать механические, основные электрические и магнитные потери мощности Рассчитать добавочные потери мощности

Определить суммарные потери мощности и коэффициент полезного действия машины Определить нагрузку, соответствующую максимальному значению КПД

Определить параметры, соответствующие номинальной нагрузке Рассчитать рабочие характеристики Построить рабочие характеристики, обозначив номинальные значения параметров

Потери мощности выделяются в виде тепла и нагревают отдельные части машины и, следовательно, всю машину в целом. Источником тепла главным образом являются обмотки и активная сталь. Благодаря поверхностям, соприкасающимся с охлаждающей средой, тепло отводится в окружающую среду и повышает ее температуру. Передача тепла от более нагретых частей машины к менее нагретым и в окружающую среду происходит путем теплопроводности и теплоотдачи.

Цель раздела - рассмотреть тепловые процессы и методы оценки теплового состояния машин постоянного тока, показать необходимость учета режимом работы и условий окружающей среды, дать рекомендации по использованию приближенных методов тепловых и вентиляционных расчетов.

ПОСЛЕ ИЗУЧЕНИЯ РАЗДЕЛА НЕОБХОДИМО ЗНАТЬ:

Для какой цели проводят оценку теплового состояния машины Каковы допустимые значения температур для различных классов нагревостойкости изоляции Как определяется превышение температуры основных частей машины

Каковы предельно допустимые стандартом превышения температуры основных частей электрических машин Какие параметры определяются в ходе вентиляционного расчета

Что служит критерием правильности расчета вентиляционной системы

8.1. ТЕПЛОВЫЕ ПРОЦЕССЫ

Конструктивные части электрических машин имеют сложную конфигурацию и изготавливаются из разнородных материалов, обладающих неодинаковыми тепловыми свойствами. Кроме того, потери энергии в отдельных частях электрической машины вызываются различными физическими явлениями, имеют различную величину и разное распределение. Вследствие совокупности указанных причин тепловые процессы, происходящие во вращающейся нагруженной электрической машине, весьма сложны. Для того, чтобы разобраться в них, сначала рассматривают нагревание и остывание идеального однородного твердого тела, в котором все тепловые процессы поддаются интерпретации и могут быть охвачены простыми закономерностями. Установив эти закономерности, применяют их к электрическим машинам с соответствующими коррективами.

Под "однородным твердым телом" понимается твердое тело, сделанное из одного материала и обладающее во всех своих частях одинаковыми свойствами. Под "идеальным" понимается тело со следующими свойствами: совершенно одинаковые теплорассеивающие свойства поверхностей тела; выделение тепла, равномерное во всех частях тела; отсутствие перепадов температур внутри тела.

При выделении в той или иной части электрической машины потерь мощности, переходящих в тепло, температура тела и его внешних

поверхностей возрастают. С ростом температуры внешних поверхностей твердого тела начинается рассеяние тепла, которое возрастает с ростом превышения температуры над температурой охлаждающей среды практически пропорционально превышению температуры. Вследствие этого теплорассеяние все увеличивается и при неизменном количестве тепла, выделяемого в единицу времени, наступает момент времени, начиная с которого количество тепла, рассеиваемого в единицу времени с наружных поверхностей нагретого твердого тела, становится равным количеству тепла, выделяемого в теле в единицу времени. Очевидно, что после этого дальнейшее повышение температуры внешних поверхностей тела прекращается, - тело достигло предельного превышения температуры над температурой окружающей среды. Опытами установлено, что это превышение температуры практически не зависит от начальной температуры поверхности тела, то есть от температуры охлаждающей среды. Таким образом, предельная достигаемая телом температура внешних поверхностей тела равна сумме превышения температуры и температуры охлаждающей среды.

Переходя от идеального однородного твердого тела к электрическим машинам, необходимо рассматривать отдельно нагревание следующих ее частей: якоря, катушек главных и добавочных полюсов и коллектора, так как количество тепла, выделяющегося в каждой из этих частей, а также условия для рассеяния тепла для каждой части будут различны. Закон нагревания идеального однородного тела в функции от времени оказывается применимым и к перечисленным частям электрической машины, но нуждается в некоторых пояснениях.

В якоре, например, мы имеем потери на гистерезис и вихревые токи в зубцах и ярме сердечника якоря и потери от электрического сопротивления и на вихревые токи в проводниках обмотки. Потери на гистерезис и вихревые токи в сердечнике якоря и потери на вихревые токи в обмотке якоря зависят от температуры мало и их можно считать неизменными. Но потери от электрического сопротивления обмотки якоря с ростом температуры возрастают, вследствие возрастания электрического сопротивления самой обмотки. Это необходимо учитывать при применении закона нагревания.

Далее, при рассмотрении нагревания идеального однородного твердого тела считается, что рассеяние тепла не зависит от температуры. Между тем, в электрической машине с ростом температуры рассеяние тепла возрастает. Поэтому в начале процесса имеется несколько большая постоянная времени нагревания тела, чем при установившемся тепловом состоянии. Нужно отметить также, что, говоря об охлаждении электрических машин, нужно помнить, что рассеяние тепла зависит от скорости ее вращения.

8.2. МЕТОДЫ ОЦЕНКИ ТЕПЛОВОГО СОСТОЯНИЯ

При проектировании электрических машин находят применение следующие методы оценки теплового состояния.

1.Метод экспериментального моделирования. Применяется в тех случаях, когда проектируемая электрическая машина не имеет схожих в тепловом отношении аналогов. Для получения требуемых при расчете параметров необходимо проведение экспериментов на моделях или макетах.

2.Метод расчета с помощью тепловых схем замещения. Тепловые процессы в электрических машинах могут быть представлены по аналогии с электрическими цепями тепловыми схемами замещения. Использование тепловых схем замещения позволяет определить среднюю температуру частей электрической машины, принимаемых за однородные тела. В связи со сложностью схем замещения, идут на упрощения, неизбежно теряя при этом в точности расчета. Упрощения производятся за счет объединения источников теплоты, совмещения узлов теплопроводности и разрыва контуров. Наибольшую сложность при использовании данного метода представляет определение тепловых сопротивлений, входящих в схемы замещения /1, с. 128 - 134/.

3.Метод эквивалентных греющих потерь. Это метод основан на принципе суперпозиции (наложений превышений температуры, вызываемых каждым источником тепла) и применим для вентилируемых машин. Если проектируемая машина имеет близкие в тепловом отношении прототипы, то тепловые сопротивления последних могут быть определены экспериментально. Метод греющих потерь очень удобен, если необходимо определить превышение температуры при проектировании модификации существующей машины, которая должна иметь другую частоту вращения или другие нагрузки.

4.Упрощенные методы теплового расчета. Методы основанные на экспериментальном моделировании или на тепловых схемах замещения, как правило, не дают желаемую высокую точность, хотя требуют значительных экспериментальных и расчетных усилий. Поэтому во многих случаях проектирования вполне обосновано применение упрощенных методов теплового расчета, основанных на использовании коэффициентов теплоотдачи и теплопроводности, полученных по результатам экспериментального исследования значительного количества подобных машин, то есть на применении эмпирических выражений приближения законов нагревания и рассеяния тепла идеальных однородных твердых тел для оценки теплового состояния частей электрической машины /1, с. 134 - 136, 367 - 372/.

При составлении упрощенной методики теплового расчета принимают следующие допущения: потери в обмотках и потери в стали сердечников