Литература / Пиотровский_Электрические_машины_учебник_1974

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

6-5. Добавочные потери

Вследствие зубчатости якоря индукция у поверхности полюс­ ного наконечника больше над зубцами и меньше над пазами (см. рис. 2-4). При вращении якоря в поверхностном слое полюсных наконечников образуются вихревые токи, вызывающие добавочные потери. Величина этих потерь зависит от размеров зазора, открытия паза, скорости вращения якоря, количества пазов якоря, толщины листов полюсного наконечника и изоляции их.

Если имеются пазы также и в полюсных наконечниках (для ком­ пенсационной обмотки), то в зубцах якоря и полюсных наконечниках происходит периодическое изменение индукции, так как магнитный поток в зубцах достигает наибольшей величины, когда зубец якоря расположен против зубца полюсного наконечника, и становится наименьшим, когда против зубца расположен паз. Таким образом, возникают пульсационные потери в зубцах и поверхностные потери в якоре.

Вихревые токи вызывают также потери в проволочных бандажах, обмоткодержателях и других конструктивных частях якоря.

Перечисленные потери зависят от величины магнитного потока главных полюсов и имеют место при вращении якоря без нагрузки. Их часто называют добавочными потерями холостого хода.

При нагрузке машины также возникают добавочные потери вслед ствие искажения распределения магнитного поля под влиянием поперечной реакции якоря. Вследствие неравномерного распределе­ ния магнитной индукции в зазоре увеличиваются поверхностные потери. При наличии компенсационной обмотки указанная часть магнитных потерь практически отсутствует. Другая часть добавоч­ ных потерь связана с образованием вихревых токов в стержнях обмотки, якоря вследствие изменения потока рассеяния. Ток корот­ кого замыкания переключаемых секций также вызывает потери в проводниках. Одним из средств уменьшения этой части потерь яв­ ляется применение стержней обмотки, собранных из проводников малого сечения.

Расчетное и опытное определение добавочных потерь вызывает значительные трудности, поэтому добавочные потери оценивают на основании опытных данных испытанных аналогичных машин. Согласно ГОСТ 11828—66, эти потери для машин постоянного тока при отсутствии компенсационной обмотки принимаются при номи­ нальной нагрузке равными 1 % и при наличии компенсационной об­ мотки 0,5% от электрической мощности машины (полезной для гене­ ратора и подводимой для двигателя). Для других нагрузок эти по­ тери пересчитываются пропорционально току цепи якоря во второй степени.

Все виды добавочных потерь, не связанные непосредственно с электрическими процессами в обмотках машины, покрываются за счет механической мощности машины.

100

6-6. Коэффициент полезного действия (к, п. д.)

Коэффициент полезного действия представляет собой отношение полезной мощности Рг к подводимой мощности Ру

При расчете электрических машин и при их испытании более просто определяется электрическая мощность и сумма потерь 2 /J, поэтому к. п. д. генератора вычисляется по следующей формуле:

Характеристика к. п. д. г) = / (Р2) электрической машины быстро растет с увеличением нагрузки в начальной части. К. п. д. достигает

ные данные и основные конструктивные размеры которого приведены в § 2-5 и 3-10. Кроме того, дополнительно приводятся следующие величины сопротив­ лений при 15° С: обмотки якоря г2 = 0,25 ом; обмотки добавочных полюсов Гд = 0,105 ом и последовательной обмотки возбуждения гс = 0,0094 ом. Число

потерями P \ß Q= 3,3 вт/кг; поправочный коэффициент принят kQс= 2,5; частота перемагничиваніи стали сердечника якоря

101

Потери в сердечнике и зубцах якоря (6-8)

Потери механические приняты 3%, а добавочные потери — 1% номинальной мощности генератора:

Р м х = О.ОЗРн = 0,03 • 13,3 • ІО3 = 399 вт ;

7>Ä = 0,01PH = 0,01 • 13,3-103=133 era.

Сумма потерь при номинальной нагрузке:

2 Р — Рэ2 -Ь-Рв + 'РК .Щ + Р с .С 2 + Рс.32 + Р.МХ + Р д =

= 1570+ 212+ 118+ 51 +186 + 399—f—133= 2669 вт —2,67 кещ

К. п. д. при номинальной нагрузке (6-18)

Г лава с е д ь ма я ГЕНЕРАТОРЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА

7-1. Общие сведения о генераторах постоянного тока

Генераторы постоянного тока выполняются с независимым воз­ буждением или с самовозбуждением. Независимое возбуждение в большинстве случаев электромагнитное, т. е. на полюсах имеется обмотка возбуждения, по которой проходит постоянный ток от по­ стороннего источника. В машинах малой мощности для создания основного магнитного потока могут применяться постоянные маг­ ниты и такие машины называются магнитоэлектрическими.

В генераторе с самовозбуждением ток для обмотки возбуждения поступает с якоря генератора. Возможны три варианта соединения обмотки возбуждения с обмоткой якоря: параллельное, последова­ тельное и смешанное. В соответствии с этим различают генераторы параллельного возбуждения, последовательного возбуждения и смешанного возбуждения (в последнем случае в машине имеются две обмотки возбуждения). Возможно также комбинированное воз­

А. Характеристики генераторов. Схема возбуждения генератора определяет его свойства, которые выражаются характеристиками генератора, т. е. зависимостями между основными величинами, опре­ деляющими работу машины. Наиболее важной величиной для гене­ ратора является напряжение U на зажимах, которое зависит от тока

102

Iв возбуждения, от тока I нагрузки и от скорости вращения п якоря генератора. Для упрощения графического изображения характери­ стик и исследования их обычно рассматривается зависимость между двумя величинами при постоянстве остальных.

Зависимость напряжения U от тока / в при постоянстве тока / и скорости вращения п выражается семейством нагрузочных харак­ теристик U — f (Iв). В частном случае, когда 1 = 0, получается характеристика холостого хода.

Зависимость напряжения U от тока / при постоянстве тока / в и скорости вращения п выражается семейством внешних характери­ стик U = / (/). Согласно приведенному определению семейство внешних характеристик для генератора независимого возбуждения показывает зависимость напряжения U от тока / при нерегулируемой цепи возбуждения. Для того чтобы сохранить это же условие для генераторов с самовозбуждением, необходимо снимать внешние харак­ теристики при неизменном сопротивлении гв цепи возбуждения.

В большинстве случаев приводные двигатели генераторов обес­ печивают постоянство скорости вращения п. При необходимости учесть влияние изменения скорости вращения п на величину напря­ жения U можно воспользоваться уравнением (3-22).

Зависимость тока / в от тока I при постоянстве напряжения U и скорости вращения п выражается семейством регулировочных ха­ рактеристик / в — / (/). При U = 0 получается характеристика ко­ роткого замыкания, для которой обычно оси координат меняют ме­ стами, т. е. строят зависимость I = / (/в).

В § 4-2 и 4-3 отмечалось большое влияние положения токораздела на результирующий магнитный поток главного полюса и напряже­ ние, снимаемое с коллектора, поэтому при опытном исследовании генератора необходимо, чтобы щетки занимали неизменное положе­ ние на коллекторе. В машинах с добавочными полюсами щетки уста­ навливаются так, чтобы токораздел совпадал с геометрической ней­ тралью, а в машинах без добавочных полюсов токораздел смещается с геометрической нейтрали по вращению якоря в положение наилуч­ шей коммутации и щеткодержатели закрепляются в этом положении.

Все характеристики могут быть построены по данным расчета ге­ нератора или сняты при его испытании.

Б. Номинальные величины. Режим работы машины при условиях, для которых она предназначена при изготовлении, называется номи­ нальным. Номинальный режим работы характеризуется величинами, обозначенными на паспортном щитке машины: номинальным напря­ жением, номинальной мощностью, номинальным током, номиналь­ ной скоростью вращения и т. д.

Номинальной мощностью генератора постоянного тока называется полезная электрическая мощность машины, выраженная в ваттах или в киловаттах.

Прилагательное «номинальный» может относиться и к величинам, не указанным на паспортном щитке машины, но характеризующим номинальный режим работы, как-то: номинальный вращающий мо­ мент, номинальный ток возбуждения, номинальный к. н. д.

103

7-2. Энергетическая диаграмма генератора

Ступени преобразования энергии в генераторе независимого воз­ буждения в установившемся режиме схематически показаны на энергетической диаграмме (рис. 7-1). IV' валу генератора подводится

расходуется па покрытие потерь IRUS в цепи возбуждения. Часть механической мощности расходуется на покрытие механических потерь Рмх и магнитных Рс (основных и добавочных). Перечисленная группа потерь почти не зависит от нагрузки генератора и называется потерями холостого хода, причем потери Рых имеют место и при

Л. Уравнение равновесия напряжений. Из энергетической диа­ граммы следует, что полная электрическая мощность на якоре гене­ ратора равна полезной мощности и всем электрическим потерям в це­

следовательно соединенных обмотках, образующих цепь якоря с об­ щим сопротивлением г2, потерь / 2Д[/Щв скользящем контакте (щет­ ках), добавочных потерь Ря, связанных с нагрузкой генератора, и потерь IBU в параллельной цепи возбуждения. Таким образом, об­ щие потери, покрываемые за счет электрической мощности якоря ге­ нератора,

2 Р в = Дг2 + /оА/Лц+ Рл+ IJJ.

104

Так как добавочные потери Рд считаются пропорциональными току обмотки якоря во второй степени (§ 6-5), то они могут быть представ­ лены в виде потерь на эквивалентном добавочном сопротивлении

гэкв.д

Рц — Т ; Г Э1Ш д .

Уравнение (7-1) с учетом уравнений (4-11) и (7-2) приобретает следующий вид:

или, включая гэкв.д в общее сопротивление г2 цепи якоря,

щее уравнение равновесия напряжений для генераторов ностоянного тока:

Таким образом, напряжение на зажимах генератора является частью э. д. с. якоря.

При приближенном анализе можно представить падение напряже­ ния Д£/щ в скользящем контакте (щетках) произведением / 2І?Щ, где Ищопределяется для номинального тока якоря, и тогда, включая сопротивление й щ в общее сопротивление г2 цепи якоря,

Б. Уравнение равновесия моментов. Из энергетической диа­ граммы (рис. 7-1) следует, что механическая мощность приводного двигателя преобразуется в электрическую мощность на якоре и за­ трачивается на преодоление потерь, связанных с вращением и перемагничиванием якоря, т. е.

Указанным составляющим мощности соответствуют составляющие вращающего момента приводного двигателя при постоянной скорости вращения со

Р І М _ Л щ , Л и х + -Pc

Здесь М 1т — составляющая вращающего момента приводного двигателя, уравновешивающая электромагнитный момент Мэм гене

105

ратора, М 0 — составляющая вращающего момента, уравновешиваю­ щая момент, обусловленный потерями холостого хода.

При ускорении или замедлении якоря генератора необходимо

учитывать наличие динамического момента M j = — J ~ и тогда полное уравнение равновесия моментов будет иметь вид:

7-3. Генератор независимого возбуждения

На рис. 7-2 приведена схема включения генератора независимого возбуждения. Обмотка возбуждения В соединена с отдельным источ­ ником постоянного тока, мощность которого обычно составляет 1—3% номинальной мощности генератора.

А. Характеристика холостого хода. Эта характеристика сни­ мается при разомкнутом рубильнике Р. Опыт следует начинать с тока возбуждения / в.макс, ПРИ котором напряжение U0 (равное э. д. с. Е%) превышает номинальное на 10—20% (рис. 7-3). После этого рео­ статом Дв постепенно уменьшают ток до І в = 0, при котором на за­ жимах генератора имеется напряжение Uocт, равное 2—3% номи­ нального, обусловленное остаточным магнитным потоком Фост ин­ дуктора. Затем изменяют направление тока в обмотке возбуждения и реостатом RBувеличивают его. При / в = —Івс машина полностью размагничена и напряжение на зажимах генератора равно нулю. Дальнейшее увеличение тока возбуждения приводит к увеличению напряжения противоположной полярности до значения —£70макс. при токе —/ в,макс- Для снятия восходящей ветви 2 характеристики ток возбуждения уменьшается до нуля и затем после изменения

106